稻殼灰復合摻合料與纖維協同作用對地鐵混凝土性能的影響

肖力光，岳喜智

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

地鐵工程是一項百年工程，由于地鐵工程的主體結構部分位于地下，對混凝土的力學及耐久性能有著較高的要求。我國是農業大國，每年的稻殼產量數以千萬噸。稻殼灰是稻殼經過燃燒后得到的農業廢料[1]，主要成分是無定形SiO2，其含量高達87%～97%，可以充分發揮其較高火山灰活性[2]，作為新型優質的礦物摻合料使用[3]，制備綠色高性能混凝土[4]。

本文以吉林當地電廠焚燒所得的稻殼灰為原料，過濾球磨后，以等質量替代水泥摻入混凝土中，利用正交實驗探究了稻殼灰等礦物摻合料及玄武巖纖維對混凝土力學及抗滲性能的影響[5-6]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

P·O42.5普通硅酸鹽水泥(其主要的物理性能見表1)、Ⅱ級粉煤灰(FA)，均為吉林長春亞泰集團生產；礦渣(S)，吉林通鋼集團礦渣微粉；稻殼灰(RHA)，吉林電廠鍋爐焚燒產生的稻殼灰，以上摻合料化學組成見表2；人工碎石、天然河砂均取自吉林地區；液體聚羧酸高效減水劑(固含量為35.5%，減水率25%)；玄武巖纖維，吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司生產，性能參數見表3；水為實驗室內自來水。

表1 水泥的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 水泥、粉煤灰、礦渣、稻殼灰化學成分Table 2 Chemical composition of cement，fly ash，slag and rice husk ash

表3 玄武巖纖維的主要性能參數指標Table 3 Main performance parameters of basalt fiber

HJW-60型單臥軸強制式混凝土攪拌機；SYMΦ500×500型行星球磨機；YES-3000型混凝土壓力試驗機；SBY-60型恒溫恒濕養護箱；HP-4.0型數顯混凝土抗滲儀；TM3030型掃描電子顯微鏡；Ultima IV型多晶粉末X-射線衍射儀。

1.2 實驗方法

稻殼灰、礦渣、稻殼灰經機械球磨20 min進行磨細處理。

粗集料，采用吉林地區人工碎石，級配連續，粒徑為5～25 mm。細集料為吉林地區天然河砂，細度模數為2.62的中砂，含泥量為 1.4%。減水劑采用液體聚羧酸高效減水劑，固含量為35.5%，減水率為 25%。纖維采用18 mm玄武巖纖維。

1.2.1 摻合料和砂率的最佳配比實驗 研究經機械球磨20 min的稻殼灰、粉煤灰、礦渣礦物摻合料等量替代水泥對混凝土性能的影響，設計稻殼灰、粉煤灰、礦渣、砂率作為4種影響因素進行正交實驗，探究混凝土的力學性能，確定礦物摻合料和砂率的最佳配比。

1.2.2 玄武巖纖維摻量實驗 在正交實驗的最佳配比基礎上，研究玄武巖纖維摻量(采用外摻法，體積摻量0.05%，0.1%，0.15%，0.2%)對混凝土力學性能的影響。

1.2.3 混凝土抗滲性能 通過滲水高度法研究空白基準組、最佳配比組及摻玄武巖纖維最佳配比組對混凝土抗滲性能的影響。

以上試件均在標養28 d的環境條件下，測試試件的抗壓強度及抗滲性能。

1.3 性能測試

1.3.1 混凝土強度實驗 按照 GB/T 50081《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗。試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm (強度值乘尺寸換算系數0.95)，進行28 d標準養護后使用壓力試驗機進行壓力實驗，3個為一組，取其平均值。

1.3.2 混凝土抗滲透性能測試 按照GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行抗滲實驗。試件采用175 mm×185 mm× 150 mm 的圓臺體通過滲水高度法進行抗滲實驗，試驗儀器采用數顯混凝土抗滲儀。

1.3.3 微觀分析 采用臺式掃描電子顯微鏡(SEM)對混凝土試塊進行微觀分析。采用多晶粉末X-射線衍射儀進行物相分析。

2 結果與討論

2.1 稻殼灰的表征

稻殼灰(RHA)的XRD見圖1、SEM見圖2。

圖1 稻殼灰XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of rice husk ash

由圖1可知，稻殼灰2θ=22.02，28.54，31.44，36.20°出現了顯著的SiO2的特征衍射峰 。通過JADE6.5軟件計算得出，稻殼灰中的晶態SiO2含量和非晶態SiO2含量為22.63%和51.35%，說明稻殼灰具有較高的活性。

圖2 稻殼灰微觀SEM圖Fig.2 SEM diagram of rice husk ash

由圖2可知，稻殼灰的微觀形貌是一種疏松多孔的狀態，為松散的蜂窩狀結構，內含較多中空的孔洞。

2.2 配比正交實驗

采用4因素3水平正交實驗，因素水平見表4，正交實驗結果見表5。

表4 正交實驗因素水平表Table 4 Level table of orthogonal test factors

表5 正交實驗結果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交實驗組與空白組的比較Table 6 Comparison between the orthogonal test group and the blank group

由表5可知，影響地鐵混凝土28 d抗壓強度的因素依次分別是C>D>A>B，即稻殼灰>砂率>礦渣∶粉煤灰>礦渣+粉煤灰。說明了稻殼灰對強度的影響最大。最佳組合為A2B1C2D3，即最佳配合比為稻殼灰取代率為10%，粉煤灰取代率10%，礦渣取代率10%，砂率40%，即4#實驗，28 d的抗壓強度為64.6 MPa，相比較空白基準組的28 d強度提升了21.89%?？箟簭姸忍嵘^為明顯，這是因為三種礦物摻合料活性較高，其中稻殼灰的SiO2含量高達82.75%，三種摻合料相互拌合提高了SiO2含量，可以充分的發揮其火山灰活性。實驗所使用的稻殼灰的煅燒溫度在500～700 ℃，也可以有效提高稻殼灰的活性[7]。同時各摻合料進行了充分研磨，形成了良好的顆粒級配，能夠更加充分的填充混凝土內部的孔隙結構，使混凝土內部更加致密，加上粉煤灰的玻璃微珠狀，稻殼灰的中空蜂窩狀，都可以更好地改善內部的孔隙結構，使混凝土內部更為致密，從而有效地提升混凝土的抗壓強度。

2.3 纖維的摻量與摻合料共同作用下對抗壓強度的影響

圖3為玄武巖纖維摻量對混凝土28 d抗壓強度的影響。該實驗是在正交實驗最佳配合比基礎上進行的。

圖3 玄武巖纖維摻量對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.3 Influence of basalt fiber content on 28 d compressive strength of concrete

由圖3可知，隨著玄武巖纖維的摻量增加，混凝土的強度呈現出了先增長后下降的趨勢，當纖維摻量超過0.1%時，強度開始降低。當玄武巖纖維的體積摻量為0.1%時強度最高，為66.6 MPa，相比于空白組強度增長了25.67%，相較于正交最佳配合比組增長了3.1%，同時4組強度均高于空白組。結果表明，摻入適量的玄武巖纖維可以增加混凝土的抗壓強度，但是總體的影響并不明顯。

這是因為當纖維的摻量適中時，由于玄武巖纖維具有彈性模量高的特性，同時纖維對周圍的裂紋的擴展有限制與延緩的作用[8]，在進行壓力實驗時，纖維受力變形，消耗能量，從而提高了混凝土的抗壓強度，但是當纖維摻量過高時，由于纖維在混凝土內部的亂向分布，同時過多的玄武巖纖維會使砂漿減少，起不到很好地包裹作用，從而導致混凝土內部的結構不致密，降低了混凝土的密實度，導致了強度的降低。

2.4 纖維摻量與摻合料共同作用下對抗滲性能的影響

純水泥的空白組，正交實驗得到的最佳配合比組(砂率40%，稻殼灰取代率10%，粉煤灰取代率10%，礦渣取代率10%)以及在最佳配比下加入體積摻量為0.1%玄武巖纖維組混凝土的抗滲性實驗結果見表7。

表7 抗滲實驗結果Table 7 Anti-permeability test results

由表7可知，與空白組相比，其余兩組的抗滲性能均有著可觀的提升，摻玄武巖纖維的一組抗滲效果最優，提升了55.67%。這說明活性摻合料的優良級配使混凝土內部更加致密，加上玄武巖纖維在混凝土中的分散性，當纖維在混凝土中分散均勻，使之與混凝土有著很好的黏結性，從而大幅提高了混凝土的抗滲性。

2.5 微觀分析

空白組、正交最佳配合比組、摻玄武巖纖維正交最佳配合比組混凝土的28 d微觀電鏡圖見圖4～圖6。

圖4 空白組混凝土SEM圖Fig.4 SEM of blank group concrete

圖5 正交最佳配比組混凝土SEM圖Fig.5 SEM diagram of orthogonal optimal ratio group of concrete

圖6 摻玄武巖纖維的最佳配合比組SEM圖Fig.6 SEM figure of the optimal mix ratio group of basalt fiber

由圖4可知，空白組28 d混凝土內部存在著裂縫，這不利于混凝土強度的提升，同時在界面過渡區周圍存在著大量的片狀Ca(OH)2，不利于水化產物晶體之間的連接，導致混凝土內部的結構疏松不致密，使混凝土的力學性能和抗滲性能表現不利。

由圖5可知，正交實驗摻入礦物摻合料混凝土，玻璃微珠狀的粉煤灰被很好地包裹在混凝土內部，水化產物產生了針狀鈣礬石，減少了Ca(OH)2的結晶體，降低了混凝土內部的孔隙率，同時這組混凝土的界面過渡期的結構緊密，包裹性良好，對強度和抗滲性能有著一定改善的作用。

由圖6可知，摻玄武巖纖維的最佳配合比組，玄武巖纖維在混凝土內部分布，同時因為玄武巖纖維具有的高彈性模量的特性，對周圍的裂縫起到延緩和限制的作用，使試件在受壓時可以消耗能量，提升混凝土的力學性能。同時，摻入的活性摻合料充分發揮了填充效應和火山灰效應，使混凝土內部較為致密，對試件的強度和抗滲性能的提升是有利的。

3 結論

(1)稻殼灰、粉煤灰、礦渣礦物摻合料等量替代水泥的最佳組合為：砂率40%，稻殼灰取代率10%，粉煤灰取代率10%，礦渣取代率10%。該配合比下得到的抗壓強度為64.6 MPa，相較于空白組提升了21.89%。滲水高度為5.2 cm，相比基準組抗滲性能提升了46.39%。說明了礦物摻合料的加入可以有效提升混凝土的力學性能和抗滲性能。

(2)玄武巖纖維摻量在0.1%時，抗壓強度最高，為66.6 MPa，同時混凝土的抗滲性最優，滲水高度為4.3 cm，較基準組抗滲性能提高了55.67%。這說明適量的纖維摻量可以提升混凝土的力學性能和抗滲性能。