復摻凹土—稻殼灰水泥膠砂力學性能研究

(大連大學 遼寧 大連 116622)

一、引言

隨著十九大以來藍天保衛(wèi)戰(zhàn)工作的不斷貫徹落實，綠色發(fā)展已成為時代主題。目前，通過稻殼來發(fā)電是一種新途徑，在中國已經(jīng)有比較多的企業(yè)將稻殼當成燃料來進行發(fā)電，這不僅有助于減少了傳統(tǒng)發(fā)電使用的煤炭，更合理的利用不可再生能源，還可以更加科學的處理稻殼。在未來的產(chǎn)業(yè)結構中，稻殼發(fā)電將是一種充滿美好前景新型產(chǎn)業(yè)。但是稻殼發(fā)電的同時，也不可避免會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品稻殼灰，稻殼灰的比重比粉煤灰還要小，而且其還具有比較大的體積，如果不能妥善處理的話，還會空氣造成嚴重污染。因此，粉煤灰的處理和利用問題已引起人們廣泛的關注，合理利用粉煤灰渣已成為解決環(huán)境污染的關鍵一環(huán)。

相關研究[1-8]發(fā)現(xiàn)稻殼灰中約含有20%～25%的無定型Si，通過焚燒以及濃酸等處理方法制得的稻殼灰具有相當好的火山灰活性性質(zhì)。稻殼灰與粉煤灰相類似，可作為摻和料等量替代水泥加入到混凝土中，既減少了水泥的用量以此降低成本，同時在水泥水化的后期階段，其較好的火山灰活性還可以有效的提高混凝土相關性能。早在1977年，Metha[9]開展了有關稻殼灰部分取代水泥的相關研究，結果表明當?shù)練せ胰〈嗦蕿?0%時的混凝土其抗壓強度要比普通的混凝土高，甚至在3d、7 d早期的強度得到同樣的結果。80年代，國內(nèi)有較少的關于用稻殼灰摻和水泥的報道。90年代初，南京水科研究院的王昌義的團隊研究出了一種較適合農(nóng)村來用的燒制高活性的稻殼灰的有關技術以及在其混凝土中的相關應用研究。其后的約二十年時間里面，國內(nèi)有部分學者相繼展開有關稻殼灰在混凝土性能改善效果中的應用研究。Ismail和AWaliuddin[10]等的研究得到混凝土的密度以及塌落度和稻殼灰的摻量有關，摻入量增加后會降低混凝土的塌落度、密度。余其俊[11]在研究了火山灰活性的稻殼灰對混凝土強度以及相關耐久性能的影響后，結果顯示在混凝土里面添加入稻殼灰之后強度得到了提高，而且在水膠比較大時其強度提高的幅度也更大，同時混凝土的抗腐蝕的能力、抗碳化和抗?jié)B等性能也得到了較好的改善。王維紅[12]利用稻殼灰的有效活性，將稻殼灰作為摻和料加入混凝土中拌和，研究單摻稻殼灰以及稻殼灰-硅灰-粉煤灰按一定取代量復摻后對混凝土的相關力學性能的影響，并借助SEM和XRD的相關技術對其進行微觀機理分析。

國內(nèi)外大多集中于單摻材料制備水泥膠砂以及混凝土的研究，對于復摻材料改善水泥膠砂以及混凝土性能研究才剛剛起步。本文通過對稻殼灰特性的研究和分析，將稻殼灰和凹土作為摻合料摻入水泥中，將制備的摻和水泥膠砂的抗壓、抗折強度與對照組水泥對比，探究稻殼灰和凹土在水泥膠砂中的利用前景，并為生物質(zhì)發(fā)電廠解決廢棄灰渣提供途徑。

二、單摻稻殼灰水泥膠砂力學性能

(一)試驗原材料及其性質(zhì)

稻殼灰是生物發(fā)電廠在 650℃-800℃情況下稀氧燃燒所產(chǎn)稻殼而得。利用大型行星球磨儀(如圖2.1)與經(jīng)激光粒度分布儀(如圖2.2)研磨成比表面積不同的稻殼灰，圖2.3為稻殼灰研磨后示圖。

考慮到凹土-稻殼灰與水泥中含有過多不同成分的摻合物發(fā)生反應從而導致實驗結果的多樣性，所以采用強度等級為42.5MPa的普通硅酸鹽水泥為實驗材料，凹土使用的是淮安盱眙某企業(yè)生產(chǎn)的凹土，減水劑使用的是南京蘇博特公司產(chǎn)的聚羧酸減水劑，標準砂為廈門艾思歐公司所生產(chǎn)，滿足GB/T17671中的技術要求。

圖2.1 行星球磨儀 圖2.2 激光粒度分布儀

圖2.3 稻殼灰研磨后示意圖 圖2.4 凹土

(二)試驗主要使用儀器

水泥膠砂攪拌機是使用的水泥廠、專業(yè)院校、科研單位、建設單位試驗通常所用的試驗儀器。本實驗用是型號為NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀，膠砂的制備流程嚴格按照照GB /T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》中的相關規(guī)定要求進行。壓力試驗機是型號為YAM-3000壓力試驗機，符合GB/T 17671-1999標準的關于加荷測定試塊的強度相關規(guī)定，且具有動態(tài)顯示、結果保存等優(yōu)點。養(yǎng)護箱用的型號HBY-40B 型的水泥(砼)恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱。

(三)不同粒徑RHA水泥膠砂試驗結果與分析

試驗用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥)稱重450g，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，規(guī)范養(yǎng)護，測試如下圖：

圖2.5 不同比表面積RHA水泥膠砂抗壓、抗折強度

結論：(1)稻殼灰一定程度上可以改善試塊性能，從力學性能的角度來分析數(shù)據(jù)，有效的改善區(qū)間為0%～30%，而在30%～50%區(qū)間里效果呈下降趨勢;

(2)再結合流動性能綜合，在RHA粒徑的比表面積為6000cm2/g左右時為最佳。

因此，在0%～30%取代量區(qū)間用RHA比表面積為6000cm2/g左右繼續(xù)開展試驗。

(四)相同粒徑 RHA 水泥膠砂試驗結果及分析

1.取代量0-30%RHA的水泥膠砂試驗

試驗用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥)稱重450g，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，規(guī)范養(yǎng)護，測試如下表：

表2.1 比表面積大小為 6100cm2/g RHA 水泥膠砂試驗結果(1)

圖2.6 比表面積大小為 6100cm2/g RHA 水泥膠砂抗壓抗折圖(1)

結論：總體來看，在0%～15%區(qū)間內(nèi)抗折強度逐步上升到最大；另一方面抗壓強度在10%取代量時達到峰值，在這之后的抗壓卻逐漸降低；從5%～15%取代量中，做更為細化試驗。

2.取代量5-15%RHA的水泥膠砂試驗

試驗用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥)稱重450g，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，規(guī)范養(yǎng)護，測試如下表：

表2.2 比表面積大小為 6100cm2/gRHA 水泥膠砂試驗結果(2)

圖2.7 比表面積大小為6100cm2/g RHA 水泥膠砂抗壓抗折圖(2)

結論：由以上數(shù)據(jù)可以看出RHA可以改善力學性能，在摻量為5%～15%區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)RHA摻入時抗折性能近乎不變，抗壓性能逐漸提高且在10%時達到最大值。綜合以上可得，當RHA微粒的比表面積達到6000cm2/g左右,可以得出取代量為10%時綜合性能提升最佳。

三、復摻凹土-稻殼灰水泥膠砂力學性能

(一)復摻凹土-稻殼灰水泥膠砂試驗

此節(jié)主要在前文基礎上研究不同的制作工藝以及不同取代量下的凹土對水泥膠砂各項性能的影響。

1.濕法制得凹土取代水泥膠砂試驗

試驗用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥以及濕法制得的凹土)稱重450g(其中RHA45g)，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，添加些許減水劑，規(guī)范養(yǎng)護，測試如下表：

表3.1 濕法制得凹土水泥膠砂試驗結果

2.干法制得凹土取代水泥膠砂試驗

試驗用的水泥：P.O 42.5，膠凝材料(RHA和水泥以及干法制得的凹土)稱重450g(其中RHA45g)，水稱重225g，水灰比w/b=0.5，添加些許減水劑，規(guī)范養(yǎng)護，測試如下表：

表3.2 干法制得凹土水泥膠砂試驗結果

當RHA微粒的比表面積達到6000cm2/g左右，取代量為10%時，凹土取代量在2%時相對性能有顯著的提高，干法制得的凹土需水量較濕法制得的凹土大且性能略微下降。

四、結論

為研究稻殼灰及凹土作為摻合料對水泥膠砂力學性能的影響，探究稻殼灰及凹土的發(fā)展?jié)摿ΑＷ霾煌瑩奖鹊練せ摇纪了嗄z砂試驗測試其力學性能，主要結論如下：

1.單摻RHA時，當RHA微粒的比表面積達到6000cm2/g左右時，RHA微粒可以很好改善水泥膠砂的抗壓、抗折強度；在0%-30%取代量這個有著較好改善的區(qū)間段發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動大致呈拋物線狀且在10%左右時改善的比例最佳。

2.當復摻稻殼灰和凹土時，通過固定RHA的取代量以及比表面積來縮小試驗范圍，可以得出：當RHA微粒的比表面積達到6000cm2/g左右，取代量為10%時，凹土取代量在2%時性能相對得到了最大的改善。