磨細稻殼和再生骨料對混凝土抗壓強度影響研究★

史大全 方光秀 李普 楊旭

(延邊大學工學院土木工程專業，吉林延吉 133002)

0 引言

稻谷是我國第一大糧食作物，我國稻谷播種面積一般穩定在3 000萬hm2(4.5億畝)左右。水稻是我國最重要的糧食作物，根據國家統計局數據，1991年以來水稻總產量略有上升，近年來基本維持在2.1億t。稻殼作為稻谷加工的廢棄物，其比例約占稻谷重量的20%，其數值不可忽視。在農村，稻殼僅被看作一種廉價的燃料，對環境造成惡劣影響，這也是對資源的極大浪費，不符合可持續發展的發展趨勢。磨細稻殼，是將稻殼磨細而成的，稻殼中的非晶態SiO2可為各種硅質材料的制備提供理想的硅源;稻殼中的纖維質組分，可用作低密度塑料類及水泥類材料的改性材料［1］。近年來綠色混凝土和材料可持續發展的概念，受到人們越來越多的關注。實現混凝土的綠色化和可持續化的一個重要途徑就是減少水泥的用量、利用工農業廢棄資源替代，這不僅有益于生態環境，同時實現了非再生性資源的可循環利用和有害物質的從低排放。高效應用稻殼資源不僅可以改善環境，還可以使巨大的稻殼資源利用問題得到解決，并對改善混凝土性能提供了新的研究方向。稻殼灰作為混凝土摻合料的性能受產地、煅燒溫度和時間、粉磨時間、助磨劑和預處理方式的影響很大，稻殼灰有潛力成為高火山灰活性的混凝土礦物摻合料［2］。

隨著傳統建材價格的上漲，利用農加工副產品和工業廢料制作低成本建筑材料具有重大意義。已有文獻研究了燒制的稻殼灰取代水泥對混凝土性能的影響，試驗抗壓強度結果顯示，10%的稻殼灰替代量比較合適［3］，當稻殼灰摻量為20%時，其耐久性能達到最佳狀態［4］。粗廢混凝土和粗廢磚的最佳取代率均為20%，其中粗廢混凝土取代時，粗骨料的最大取代率可達60%。細廢磚的最佳取代率為10%，細廢混凝土的最佳取代率為15%［5］。本文則研究了磨細稻殼按5%，10%，15%等量取代水泥后，再生粗骨料按0%，30%摻量等量取代天然碎石的再生混凝土性能的影響。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1)磨細稻殼:采用湖北省恩施州巴東縣楚天糠粉加工廠生產的80目低水分烘干除塵稻殼粉;

2)水泥:采用的是吉林省北方水泥公司生產的“廟嶺”牌 P.O42.5 級水泥;

3)粗、細骨料:天然碎石:最大粒徑為31.5 mm，表觀密度為2 680 kg/m3，含水率為0%;天然砂:中砂，級配合格，表觀密度2 600 kg/m3，含水率為0%;再生粗骨料:使用延邊州住建檢測中心試驗后廢棄的混凝土試塊，將其破碎后用30 mm篩口篩選;

4)水:自來水。

1.2 試驗方案

1)設計指標。再生混凝土及普通混凝土設計強度等級以及施工要求的坍落度為:普通混凝土設計強度為C40、坍落度T=50 mm～70 mm、砂率Sp=35%。

2)養護條件。混凝土試塊在溫度為(20±2)℃，相對濕度在80%以上的養護室。

3)試塊制作。制作7組試塊。再生粗骨料取代天然碎石(按質量)為30%;稻殼灰取代水泥的比例(按質量)為5%，10%，15%，再生骨料取代天然碎石(按質量)為0%;為普通混凝土。

4)配制強度與配合比。參照JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程的混凝土配制強度公式:

其中，σ為混凝土強度標準差，N/mm2;fcu，0為混凝土配制強度，N/mm2;fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值，N/mm2。

經計算，1 m3普通混凝土的配合比為471 ∶195 ∶602 ∶1 118(水泥 ∶水 ∶砂 ∶碎石)。磨細稻殼和再生骨料雙摻混凝土的材料試驗配合比如表1所示。

表1 混凝土材料試驗配合比 kg

2 試驗結果與分析

2.1 試驗檢測

1)坍落度檢測。

坍落度實驗的檢測結果如表2所示。

表2 坍落度檢測結果

圖1 坍落度試驗與試塊制作

坍落度試驗與試塊制作如圖1所示，因為本試驗試塊數量要求不是很多，所以采用了人工振搗的方法攪拌混凝土。也正是由于磨細稻殼和再生骨料復摻，而參照普通混凝土配制強度公式配制該混凝土，加上人工振搗和養護條件不理想，混凝土試塊的試驗檢測值與配制強度值之間將存在系統誤差。

2)抗壓強度檢測。

分別在試塊制作完成7 d，28 d，56 d后在試驗室的壓力機上以4 kN/s的速率檢測。混凝土試塊抗壓強度檢測結果如表3所示。

表3 混凝土試塊抗壓強度檢測結果 MPa

第5組，即:磨細稻殼取代量為5%、再生骨料取代量為30%的混凝土抗壓強度，比其他組混凝土抗壓強度提升明顯，強度增長速率最理想，28 d抗壓強度最大。在式(1)的基礎上，提出帶修正系數為0.8的混凝土配制強度修正公式如下:

2.2 抗壓強度與齡期關系

1)擬合曲線方程。

檢測結果如表3所示，利用origin軟件將上述數據進行擬合，其抗壓強度與齡期關系如圖2所示。

圖2 混凝土抗壓強度與齡期關系

由圖2可知，第1組，即:當磨細稻殼取代量為0%、再生骨料取代量為0%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程 y1=20.846 67+0.588 93x－ 0.005 09x2(R2=1)。第2組，即:當磨細稻殼取代量為5%、再生骨料取代量為0%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程 y2=17.702 86+0.708 06x－0.006 72x2(R2=1)。第 3組，即:當磨細稻殼取代量為10%、再生骨料取代量為0%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程y3=14.685 71+0.579 69x－0.005 38x2(R2=1)。第 4 組，即:當磨細稻殼取代量為15%、再生骨料取代量為0%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程 y4=6.746 19+0.763 06x－0.008 52x2(R2=1)。第 5 組，即:當磨細稻殼取代量為5%、再生骨料取代量為30%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程 y5=24.397 14+0.728 01x－0.008 02x2(R2=1)。第6組，即:當磨細稻殼取代量為10%、再生骨料取代量為30%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程 y6=18.195 24+0.639 9x－0.006 21x2(R2=1)。第 7 組，即:當磨細稻殼取代量為15%、再生骨料取代量為30%時，該混凝土的齡期和抗壓強度關系，滿足擬合方程 y7=6.469 52+0.827 7x－0.009 25x2(R2=1)。因第5組的混凝土抗壓強度值最大，建議在工程實踐中采用第5組配合比。

2)試驗分析。

由圖2的第5，6，7組對比分析可得出，當再生骨料取代量為30%時，磨細稻殼含量由5%遞增到15%時，混凝土抗壓強度呈現降低趨勢。

磨細稻殼含量越高混凝土強度越低，可能是因為未經焚燒的稻殼灰與水泥性質差距較大，導致水泥漿不能充分黏合。正因為如此，摻有磨細稻殼的混凝土初凝時間較普通混凝土更長。

本文建議的最佳取代量為第5組，即:磨細稻殼取代量為5%、再生骨料取代量為30%。

3 結論

1)隨著磨細稻殼含量的增加，混凝土7 d，28 d，56 d強度均下降;且含量越高，強度降低的越快。含再生骨料的磨細稻殼混凝土強度比不含再生骨料的磨細稻殼混凝土強度高。2)本文在現行普通混凝土配合比設計規程的基礎上，提出了帶修正系數0.8的復摻混凝土配制強度公式。建議的磨細稻殼和再生骨料的最佳取代量分別為5%，30%。