稻殼灰對(duì)水泥基及混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

王維紅，孟云芳，王德志，周 波

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021;2.銀川能源學(xué)院，銀川 750105)

0 引 言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，混凝土對(duì)摻合料的用量也越來(lái)越大，優(yōu)質(zhì)的摻合料可以提高混凝土強(qiáng)度、耐久性、改善工作性能及其他物理力學(xué)性能，對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、降低能耗、提高工農(nóng)業(yè)廢料的綜合利用，發(fā)展綠色高性能混凝土有著極其重要的作用。稻殼灰是一種新型的礦物摻合料，它是由稻殼燃燒后得到的農(nóng)業(yè)廢料。我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年稻殼產(chǎn)量近4 000萬(wàn)t[1,2]，然而并沒(méi)有大規(guī)模的合理利用途徑。在大多數(shù)碾米企業(yè)中，稻殼都是自然堆放或焚燒，既占用土地資源，又污染周邊環(huán)境，還是潛在的火災(zāi)隱患。

稻殼中SiO2含量一般在15%～20%，保守估計(jì)在10%～20%[3]。如此計(jì)算每年從稻殼中理論上至少可以獲得400萬(wàn)噸SiO2[4]。而燃燒后的稻殼灰中SiO2含量在90%以上[5]，無(wú)定形活性SiO2含量根據(jù)稻殼燃燒方式的不同，其活性也不盡相同[6]利用稻殼灰的活性，可以改善水泥基及混凝土的性能[7,8]。本試驗(yàn)以寧夏中糧集團(tuán)鍋爐房生產(chǎn)的稻殼灰為原料，研究稻殼灰水泥基材料的物理力學(xué)研究及單摻稻殼灰及與粉煤灰按一定比例復(fù)摻后對(duì)混凝土力學(xué)性能及抗氯離子滲透性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1)水泥(C)：采用寧夏賽馬牌PO42.5R水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為45.2 MPa；

(2)粉煤灰(FA)：采用寧夏青銅峽熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見(jiàn)表1；

(3)稻殼灰(RHA)：采用寧夏中糧米業(yè)輕工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)大米脫出的稻殼，經(jīng)鍋爐房燃燒后而得到的稻殼灰，稻殼灰粉體顆粒大小不均勻，呈多棱角不規(guī)則形狀，其微觀形貌分析圖見(jiàn)圖1、圖2，化學(xué)成分見(jiàn)表1；

表1 粉煤灰、稻殼灰的主要化學(xué)成分 %

(4)細(xì)集料：采用人工水洗山砂，細(xì)度模數(shù)為2.78，含泥量為2.1%；

(5)粗集料：采用寧夏鎮(zhèn)北堡產(chǎn)的天然粗骨料人工碎石，粒徑為連續(xù)級(jí)配為5～25 mm，壓碎指標(biāo)6.4%，含泥量0.8%；

(6)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；

(7)試驗(yàn)用水：采用管道飲用水。

圖1 稻殼灰1 000倍SEM圖Fig.1 Rice husk ash SEM figure 1 000 times

圖2 稻殼灰5 000倍SEM圖Fig.2 Rice husk ash SEM figure 5 000 times

1.2 試驗(yàn)方法

(1)水泥試驗(yàn)：按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2001)和 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)的規(guī)定測(cè)試稻殼灰礦物摻合料對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、水泥凝結(jié)時(shí)間和水泥膠砂強(qiáng)度的影響。

(2)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)：按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)進(jìn)行；試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體。試驗(yàn)采用YAW-4306型微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

(3)混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)：按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)進(jìn)行，試模采用Φ100，高50 mm的圓柱體試模成型，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉磨時(shí)間及摻量對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時(shí)間的影響

將粉磨0、5、15、30、45、60 min的稻殼灰統(tǒng)一等質(zhì)量替代10%水泥，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)。根據(jù)稻殼灰對(duì)水泥標(biāo)稠、凝結(jié)時(shí)間的影響結(jié)果表2，繪制出其影響趨勢(shì)圖3、圖4。由圖3、圖4可看出，稻殼灰的加入增大水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，其中原狀稻殼灰對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的增加最大，比基準(zhǔn)組增加8.0%，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是降低的。由圖4可以看出，稻殼灰對(duì)水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的影響，隨著粉磨時(shí)間的增加，水泥的初凝時(shí)間先增加后降低，當(dāng)粉磨45 min時(shí)，水泥初凝時(shí)間與基準(zhǔn)組相當(dāng)，稻殼灰的加入，延長(zhǎng)了水泥的終凝時(shí)間，原狀及粉磨5 min稻殼灰的效果最明顯，其他粉磨時(shí)間的稻殼灰對(duì)水泥終凝時(shí)間影響不大。

表2 稻殼灰對(duì)水泥物理性能影響結(jié)果Tab.2 Effcet of rice husk ash on cement physical properties

圖3 稻殼灰粉磨時(shí)間對(duì)水泥標(biāo)稠用水量的影響Fig.3 Effect of rice husk ash grinding time on cement standard consistency water consumption

圖4 稻殼灰摻量對(duì)水泥標(biāo)稠用水量的影響Fig.4 Effect of rice husk ash content on cement standard consistency water consumption

以粉磨45 min稻殼灰為例，等質(zhì)量替代10%、15%、20%、25%、30%水泥，考查稻殼灰摻量對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時(shí)間的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，影響趨勢(shì)圖如圖5、圖6所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)?shù)練せ覔搅繌?增加到30%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較基準(zhǔn)組分別增加2.9%，5.8%，8.3%，10.5%和13%，延長(zhǎng)了初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，其中初凝時(shí)間影響較大，終凝時(shí)間影響不大。

圖5 稻殼灰粉磨時(shí)間對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.5 Effect of rice husk ash grinding time on cement setting time

圖6 稻殼灰摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.6 Effect of rice husk ash content on cement setting time

2.2 粉磨時(shí)間對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

礦物摻合料的細(xì)度對(duì)其活性的發(fā)揮至關(guān)重要，將稻殼灰分別粉磨0，5，15，30，45，60 min統(tǒng)一替代10%水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得7，28 d的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，摻入稻殼灰后，早期膠砂強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，摻原狀稻殼灰膠砂強(qiáng)度明顯低于粉磨后稻殼灰膠砂強(qiáng)度，這是因?yàn)樵缙跁r(shí)，稻殼灰的活性還未充分發(fā)揮而且細(xì)度對(duì)稻殼灰的活性有影響，28 d齡期時(shí)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，稻殼灰的活性被激發(fā)，在稻殼灰粉磨45 min內(nèi)，隨著粉磨時(shí)間的增加膠砂強(qiáng)度不斷增加，在粉磨45 min時(shí)，稻殼灰的活性最大，但當(dāng)粉磨時(shí)間為60 min時(shí)，稻殼灰膠砂強(qiáng)度沒(méi)有增加反而降低，說(shuō)明粉磨時(shí)間的增長(zhǎng)，稻殼灰的活性并不是一直增加，這主要是因?yàn)楫?dāng)粉磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，稻殼灰顆粒減小而且表面粗糙度進(jìn)一步增加，使顆粒產(chǎn)生二次團(tuán)聚，可能還會(huì)使細(xì)小的顆粒填充較大顆粒內(nèi)部孔隙使稻殼灰的活性降低，所以稻殼灰適宜粉磨時(shí)間為45 min。

表3 水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

2.3 稻殼灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

由膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粉磨45 min稻殼灰的活性最大，所以稻殼灰粉磨時(shí)間選擇45 min,本試驗(yàn)以單摻稻殼灰，復(fù)摻稻殼灰/粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，來(lái)研究稻殼灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著稻殼灰摻量的增加，混凝土早期齡期強(qiáng)度是逐漸降低的，混凝土養(yǎng)護(hù)到28和56 d時(shí)，混凝土的強(qiáng)度是先增加后降低，稻殼灰為20%的摻量時(shí)混凝土強(qiáng)度最高。與JZ組混凝土相比，摻稻殼灰的混凝土7和28 d齡期的強(qiáng)度總體上較低，養(yǎng)護(hù)到56 d齡期之后其抗壓強(qiáng)度超過(guò)了JZ組，這可能是因?yàn)榈練せ壹?xì)小顆粒可以填充混凝土內(nèi)部孔隙，而且稻殼灰中含有活性無(wú)定形SiO2，會(huì)與水泥水化后生成的氫氧化鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)來(lái)提高混凝土強(qiáng)度，而其活性主要體現(xiàn)在在水泥水化后期，稻殼灰的活性遠(yuǎn)不及水泥，所以大摻量的稻殼灰勢(shì)必會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度[9]。以稻殼灰摻量20%范圍內(nèi)，粉煤灰摻量為15%的情況下，考查10%、15%、20%三種摻量稻殼灰與粉煤灰復(fù)摻后對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，與JZ組混凝土相比，復(fù)摻稻殼灰/粉煤灰混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與單摻稻殼灰混凝土相似，與單摻稻殼灰相比，復(fù)摻稻殼灰/粉煤灰的效果更優(yōu)。從試驗(yàn)結(jié)果上來(lái)看，混凝土的最優(yōu)配比為：水泥375 kg/m3、稻殼灰50 kg/m3、粉煤灰75 kg/m3、砂700 kg/m3、石1 050 kg/m3。

表4 混凝土配合比及強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 kg/m3

2.4 稻殼灰對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

因鋼筋銹蝕造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞已屢見(jiàn)不鮮，據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，40%以上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕而產(chǎn)生破壞，而引起鋼筋銹蝕的主要原因就是氯離子侵蝕[10]，為了提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕能力，延長(zhǎng)建筑物使用壽命，保障其安全可靠的運(yùn)行，所以，本試驗(yàn)采用RCM法和電通量?jī)煞N試驗(yàn)方法對(duì)基準(zhǔn)混凝土與最優(yōu)組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，檢驗(yàn)稻殼灰改善混凝土抗氯離子滲透性能的效果，為水利工程的應(yīng)用提供一些參考。表5為混凝土養(yǎng)護(hù)到56 d時(shí)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

表5 抗氯離子滲透試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Mix proportion and test result of resistance to chloride ion penetration

由試驗(yàn)結(jié)果可知，摻礦物摻合料后，混凝土6 h電通量值明顯低于基準(zhǔn)混凝土。其中加入稻殼灰后的R10F15組混凝土通過(guò)的電通量最少，與JZ組氯離子擴(kuò)散系數(shù)相比，摻礦物摻合料混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降28%～55%，其中R10F15組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降達(dá)55%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該混凝土的氯離子滲透性很低。由此可知，稻殼灰可有效提高混凝土抗氯離子滲透性能。這主要是因?yàn)榈練せ叶汲浞职l(fā)揮了其級(jí)配效應(yīng)，填充了水泥顆粒和粉煤灰顆粒之間，增加粉體間的密實(shí)度，從而提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)摻入稻殼灰后，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加，合適的粉磨時(shí)間和摻量對(duì)水泥漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量影響不大；隨著稻殼灰摻量的增加，水泥的初凝和終凝時(shí)間均延長(zhǎng)，稻殼灰粉磨45 min，摻量10%時(shí)復(fù)合膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間與水泥接近。

(2)水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)表明：粉磨時(shí)間對(duì)稻殼灰的活性有一定的影響，稻殼灰對(duì)水泥7 d早期膠砂強(qiáng)度是不利的，合適的粉磨時(shí)間可使28 d水泥膠砂強(qiáng)度得到提高，稻殼灰粉磨時(shí)間45 min時(shí)，水泥膠砂強(qiáng)度達(dá)到最大。

(3)作為摻合料加入混凝土中，對(duì)混凝土56 d齡期的強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，超過(guò)了基準(zhǔn)組混凝土。混凝土的最優(yōu)配比為：水泥375 kg/m3、稻殼灰50 kg/m3、粉煤灰75 kg/m3、砂700 kg/m3、石1 050 kg/m3。

(4)混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)顯示，加入稻殼灰后，混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯降低，表明RCM法和電通量法試驗(yàn)結(jié)果一致，稻殼灰可以顯著改善混凝土抗氯離子滲透性能，氯離子滲透性能排列順序?yàn)椋篟10F15>F25>JZ 。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，稻殼灰在對(duì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)特征方面有些重要的作用，而高活性的稻殼灰有著和硅灰活性相媲美的美譽(yù)，相對(duì)于硅灰而言，稻殼灰的資源豐富，價(jià)格低廉，若用到高性能混凝土中會(huì)大大降低工程造價(jià)。如何獲取工程材料規(guī)模的稻殼灰，實(shí)現(xiàn)活性稻殼灰的推廣應(yīng)用，是我們要解決的問(wèn)題。研究學(xué)者，在制備稻殼灰研究中，研制出了多種稻殼灰焚燒裝置，根據(jù)學(xué)者提出的“兩段煅燒法”，設(shè)計(jì)出了半工業(yè)化制備稻殼灰燃燒裝置，大大提高了高活性稻殼灰的制備量，但這些技術(shù)還不能滿足一次性大量生產(chǎn)稻殼灰，要想大規(guī)模生產(chǎn)高活性稻殼灰，還需要進(jìn)一步的研究。但是相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)，大規(guī)模高活性的稻殼灰生產(chǎn)技術(shù)定能逐漸成熟起來(lái)。

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[1] 任素霞.稻殼資源的綜合利用研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[2] 賈中兆，萬(wàn)永敏，張少明.稻殼熱解制備納米二氧化硅[J].新技術(shù)新工藝，2006,(5):81-82.

[3] 歐陽(yáng)東.稻殼更有價(jià)值的出路-制備混凝土頂級(jí)摻合料[J].糧食與飼料工業(yè)，2003,(6):41-42.

[4] S Chandrasekhar,P N Pramada,P Raghavan,et al.Mierosiliea from rice husk as a Possible substitute for condensed silicafume for high Performanceconerete[J].Journal Of Materials Science Letters 2002，21:1 245-1 247.

[5] 蔡希高.稻殼、稻殼灰在建筑上的應(yīng)用[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，1999,15(4):191-195.

[6] 余其俊，趙二銀.高活性稻殼灰的制備及其性能的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(1):15-18.

[7] 李振國(guó)，張亞芬，王小鵬，等.摻納米SiO2/稻殼灰/粉煤灰水泥基材料性能的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2014，32(6):1 018-1 021.

[8] 程小偉，王升正，時(shí) 宇，等.稻殼灰對(duì)油井水泥性能的影響及作用機(jī)理初探[J].硅酸鹽通報(bào)，2015，34(8):2 171-2 175.

[9] 明 陽(yáng)，李 杰，張凱峰，等.稻殼灰作混凝土摻合料的試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2014,(5)：88-90.

[10] 李春秋，李克非.干濕交替下表層混凝土中氯離子傳輸:原理、試驗(yàn)和模擬[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010,38(4):581-588.