摻稻殼灰泡沫混凝土的制備與性能研究

張 巍，王浩杰

(1.吉林大學基建處，長春 130021；2.沈陽理工大學材料科學與工程學院，沈陽 110168)

0 引 言

稻殼灰(Rha)是利用稻殼進行燃料燃燒或生物質發電而產生的一種工業廢渣[1]，隨著我國農業發展水平的提高，這種工業廢渣的存量呈現逐年升高的趨勢，而處理這些工業廢渣不僅需要消耗極大的人力和物力，還會造成嚴重的污染，如何將這些工業廢渣進行循環利用一直是科技工作者關注的重點[2]。在中國城鎮化進程快速推進和建筑工業高速發展的時期，水泥作為建筑主要原料不僅會消耗大量自然資源,還會造成極大的污染，如果將稻殼灰部分取代水泥用于制備摻稻殼灰的混凝土[3]，將可以在減少環境污染的基礎上達到節省資源和降低成本的目的。要想把稻殼灰應用于實際建筑工業的混凝土制備中去，其添加量等對混凝土試件物性指標的影響規律及作用機理需要進一步了解[4-5]，雖然稻殼灰添加對混凝土密度、吸水率方面的研究已有相關報道，但是堿激發泡沫混凝土中摻加稻殼灰及其對性能的影響方面的報道較少。本文探討了稻殼灰含量和泡沫體積占比對泡沫混凝土干密度、濕密度、吸水率、抗壓強度和導熱系數的影響，結果將有助于稻殼灰固體廢渣在建筑混凝土中的應用。

1 實 驗

共制備了兩種泡沫混凝土：(1)水泥泡沫混凝土；(2)堿激發泡沫混凝土。其中，稻殼灰取代率分別為0%和10%，水灰比設定為0.3，泡沫體積占比分別為57.5%、65%和72.5%，水膠比為0.3。所采用的原料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積24.5 m2/g的稻殼灰，密度2.86 g/cm3的連續級配石子，密度2.88 g/cm3的天然砂，OCBT-11型聚羧酸減水和AES發泡劑，堿性激發劑為模數1.2的水玻璃+氫氧化鈉。

水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土試件的規格設計為10 cm×10 cm×10 cm，摻稻殼灰的水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土試件配合比見表1和表2。主要制備流程包括[6]：(1)將水泥/(礦粉+堿激發劑)、稻殼灰、減水劑和拌合水攪拌均勻得到凈漿；(2)將發泡劑和水進行充分發泡得到泡沫，然后稱取符合配合比的泡沫；(3)將凈漿與泡沫進行低速攪拌并制備泡沫混凝土。

表1 摻稻殼灰的水泥泡沫混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of cement foam concrete mixed with rice husk ash

表2 摻稻殼灰的堿激發泡沫混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of alkali-activated foam concrete mixed with rice husk ash

在YES-2000型混凝土抗壓強度試驗機上，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[7]進行抗壓強度測試，加載速率為0.15 MPa/s；宏觀形貌觀察采用華為P30手機進行拍攝；根據JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[8]標準進行干密度、吸水率測試；根據GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》標準進行導熱系數測定[9]。

2 結果與討論

表3為水泥泡沫混凝土的密度和吸水率測試結果。當稻殼灰含量為0%時，水泥泡沫混凝土的干密度和濕密度都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，而吸水率則隨著泡沫體積比的增大而逐漸增加；當稻殼灰含量為10%時，水泥泡沫混凝土的干密度和濕密度同樣都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，而吸水率則隨著泡沫體積比的增大而逐漸增加。對比分析可知，摻稻殼灰并沒有影響水泥泡沫混凝土的密度和吸水率變化規律[10]，且相同泡沫體積占比條件下，摻10%稻殼灰的水泥泡沫混凝土的干密度、濕密度和吸水率都相對更小。

圖1為水泥泡沫混凝土的宏觀形貌?？梢?，在不同的泡沫體積占比下，摻10%稻殼灰的水泥泡沫混凝土都較為致密，未見明顯氣孔等缺陷存在，結合表3的密度和吸水率測試結果可知，稻殼灰的添加有助于水泥泡沫混凝土中的孔隙封閉，并在一定程度上降低吸水率。

表3 水泥泡沫混凝土的密度和吸水率Table 3 Density and water absorption of cement foam concrete

圖1 水泥泡沫混凝土的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of cement foam concrete

表4為堿激發泡沫混凝土的密度和吸水率測試結果。當稻殼灰含量為0%時，堿激發泡沫混凝土的干密度和濕密度都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，而吸水率則隨著泡沫體積比的增大而逐漸增加；當稻殼灰含量為10%時，堿激發泡沫混凝土的干密度和濕密度同樣都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，而吸水率則隨著泡沫體積比的增大而逐漸增加。對比分析可知，摻稻殼灰并沒有影響堿激發泡沫混凝土的密度和吸水率變化規律，且相同泡沫體積占比條件下，摻10%稻殼灰的堿激發泡沫混凝土的干密度、濕密度和吸水率都相對更小。此外，對比相同稻殼灰摻量的水泥泡沫混凝土可知，相同泡沫體積占比的的堿激發泡沫混凝土的干密度、濕密度和吸水率都相對更小。

表4 堿激發泡沫混凝土的密度和吸水率Table 4 Density and water absorption of alkali-activated foam concrete

圖2為堿激發泡沫混凝土的宏觀形貌?？梢?，在不同的泡沫體積占比下，摻10%稻殼灰的堿激發泡沫混凝土都較為致密，同樣未見明顯氣孔等缺陷存在，結合表4的密度和吸水率測試結果可知，稻殼灰的添加同樣有助于堿激發泡沫混凝土中的孔隙封閉[11]，并在一定程度上降低吸水率[12]。無論是水泥泡沫混凝土還是堿激發泡沫混凝土，稻殼灰的添加都不會降低混凝土致密度。

圖2 堿激發泡沫混凝土的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic appearance of alkali-activated foam concrete

表5為水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土的抗壓強度測試結果。當稻殼灰含量為0%時，水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，且相同泡沫體積占比下堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都更大；當稻殼灰含量為10%時，水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，且相同泡沫體積占比下堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都更大。可見，相同稻殼灰含量下，堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都要高于水泥泡沫混凝土。泡沫混凝土的抗壓強度降低的主要原因在于泡沫混凝土中摻入泡沫而產生了孔隙，而堿激發泡沫混凝土中稻殼灰的摻加有助于提升抗壓強度。

表5 水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土的抗壓強度Table 5 Compressive strength of cement foam concrete and alkali-activated foam concrete

表6為水泥泡沫混凝土的干密度和導熱系數測試結果，表中同時列出了導熱系數標準值。當稻殼灰含量為0%時，水泥泡沫混凝土的導熱系數隨著泡沫體積比的增大而逐漸減??；當稻殼灰含量為10%時，水泥泡沫混凝土的導熱系數同樣隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，且相同泡沫體積占比條件下，摻10%稻殼灰的水泥泡沫混凝土的導熱系數更小。此外，無論是稻殼灰含量為0%還是10%，水泥泡沫混凝土的導熱系數都不滿足JGJ/T 341—2014泡沫混凝土應用技術規程要求。

表6 水泥泡沫混凝土的干密度與導熱系數Table 6 Dry density and thermal conductivity of cement foam concrete

表7為堿激發泡沫混凝土的干密度和導熱系數測試結果，表中同時列出了導熱系數標準值。當稻殼灰含量為0%時，堿激發泡沫混凝土的導熱系數隨著泡沫體積比的增大而逐漸減??；當稻殼灰含量為10%時，堿激發泡沫混凝土的導熱系數同樣隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，且相同泡沫體積占比條件下，摻10%稻殼灰的堿激發泡沫混凝土的導熱系數更小。相較于摻稻殼灰的水泥泡沫混凝土，相同泡沫體積占比的堿激發泡沫混凝土的導熱系數都相對更小。此外，無論是稻殼灰含量為0%還是10%，堿激發泡沫混凝土的導熱系數都滿足規范標準要求[13]。

表7 堿激發泡沫混凝土的干密度與導熱系數Table 7 Dry density and thermal conductivity of alkali-activated foam concrete

3 結 論

(1)水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土的干密度和濕密度都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，而吸水率則隨著泡沫體積比的增大而逐漸增加。對比相同稻殼灰摻量的水泥泡沫混凝土可知，相同泡沫體積占比的堿激發泡沫混凝土的干密度、濕密度和吸水率都相對更小。

(2)水泥泡沫混凝土和堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，且相同泡沫體積占比下堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都更大，相同稻殼灰含量下，堿激發泡沫混凝土的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度都要高于水泥泡沫混凝土。

(3)水泥泡沫混凝土的導熱系數隨著泡沫體積比的增大而逐漸減小，且相同泡沫體積占比條件下，摻10%稻殼灰的水泥泡沫混凝土的導熱系數更小。相較于摻稻殼灰的水泥泡沫混凝土，相同泡沫體積占比的堿激發泡沫混凝土的導熱系數都相對更小。無論是稻殼灰含量為0%還是10%，水泥泡沫混凝土的導熱系數都不滿足規范標準要求，而堿激發泡沫混凝土的導熱系數都滿足規范標準要求。