稻殼混凝土抗凍性能研究

劉長東,張文郁,宋洋洋,李志巖,婁宗科

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊凌712100)

從季節凍土地區渠道襯砌材料應滿足防滲和保溫防凍脹的雙重要求出發,開發新型集保溫防滲于一體、廉價、便于施工的渠道襯砌新材料極為重要。稻殼具有多孔性、低密度、低導熱系數等特點,將其摻入混凝土中,一方面可以充分利用農業生產的廢棄物,變廢為寶;另一方面,提高了混凝土保溫效果[1,2],作為渠道襯砌材料可達到防滲和保溫防凍脹雙重功能,具有重要的研究價值和積極的社會意義[3,4]。同時為了提高稻殼混凝土的抗滲性能,在混凝土中加入了粉煤灰,因此為了全面的了解混凝土的耐久性能,就有必要對稻殼混凝土的抗凍性能進行研究。

1 材料和方法

1.1 試驗用原材料

試驗研究中所用原材料主要有水泥、稻殼、粗骨料、細骨料、粉煤灰、水、108膠、減水劑等。

(1)水泥:試驗選用冀東水泥廠生產的盾石42.5R型硅酸鹽水泥,表1給出了水泥物理力學性能指標的試驗結果。由試驗結果可知水泥的各項性能均滿足國家標準規定的指標。

表1 水泥的物理力學性能

(2)粗骨料:普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石。試驗中粗骨料為渭河卵石,粒徑為5 mm～31.5 mm。篩余試驗結果見表2。結果表明,該石子為連續級配,其物理性能與級配合格。

表2 石料物理試驗結果

(3)細骨料:粒徑在0.15 mm～5.0 mm之間的骨料稱為細骨料,一般有河砂,海砂,山砂和機制砂。本試驗采用細骨料為渭河河砂,表觀密度2 590 kg/m3,堆積密度1 540 kg/m3,含泥量為0.2%,砂的細度模數為2.43,屬中砂,級配合格。

(4)稻殼:試驗所用的稻殼為武功縣產的水稻殼,稻殼成干燥狀態,且通過粉碎后采用的稻殼是平均粒徑為3.18 mm的稻殼粉粒。

(5)108膠:實驗中所用的108膠水是西安市誠邦涂料化工廠生產的。本產品是一種以優質高分子化學材料制造的粘合劑。

(6)粉煤灰:采用咸陽電廠Ⅰ級粉煤灰,其物理化學性能指標見表3。

表3 粉煤灰物理化學性能指標

(7)減水劑:試驗中所用的減水劑為咸陽金星混凝土外加劑有限公司生產的JSG粉末狀高效減水劑,摻量1%,減水率為10%。

1.2 試驗方法

按照《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)規范進行試驗,抗凍性試驗采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件,標準養護至試驗齡期前4 d,取出試件浸泡于(20±3)℃水中至試驗齡期放入凍融試驗機試件箱中進行試驗。每25次凍融循環測定一次相對動彈性模量及質量損失率,當凍融至預定的循環次數或相對動彈性模量下降至初始值的60%或質量損失率達5%時試驗結束[5]。

1.3 試驗設計

為了得到粉煤灰、稻殼、水灰比對混凝土的抗凍性能的影響,考慮到正交試驗,如果選取3個水平時對其結果表達不清楚,所以試驗決定采用三元二次正交旋轉組合設計安排試驗,雖然正交組合設計具有試驗處理數比較少,計算簡便,消除了回歸系數之間的相關性等優點。但它也存在一定的缺點,即二次回歸預測值的方差,隨試驗點在因子空間的位置不同而呈現較大的差異,由于誤差的干擾,就不易根據預測值尋找最優區域。為了克服這個缺點,所以試驗用回歸的正交旋轉組合設計。正交旋轉組合設計能夠使得與中心點距離相等的點上預測值的方差相等。旋轉性質對預測很重要,它可以幫助試驗者在尋找最優生產過程中,直接比較預測值的好壞,易于找到相對較優的區域[6]。

該試驗中選取粉煤灰摻量、稻殼摻量和水灰比等3個因素。根據三元二次正交旋轉組合設計安排23組實驗點,抗凍試驗每組3個試件,總共69個試件。試驗中稻殼摻量取值為7.6%～12.4%,粉煤灰摻量為15%～25%。水灰比為0.37～0.43。各因素水平編碼表見表4。

表4 因素水平編碼表

2 結果及分析

2.1 相對動彈模量試驗結果分析

由表5結果分析計算可得回歸方程:

表5 稻殼混凝土相對動彈模量試驗結果

2.1.1 單因數效應分析

由于設計中各因素均無量綱線性編碼處理,且一次性回歸系數bj之間,各bj與交互項、平方項的回歸系數間都是不相關的,因此,可以由回歸系數絕對值的大小來直接比較各因素一次項對混凝土抗凍性能的影響。本試驗中是:b1=-0.035、b2=-0.037、b3=-0.032,即稻殼摻量＞粉煤灰摻量＞水灰比,稻殼摻量對混凝土的影響最大,且是負效應。由于旋轉設計中,二次項回歸系數間是相關的,不能直接由它們的絕對值的大小來比較二次項作用的大小。

當其他摻量為零時,單因數效應曲線圖(見圖1)。

由圖可得:當稻殼摻量和水灰比為零時,稻殼混凝土的相對動彈模量隨著粉煤灰摻量的增大而減小,但減小的速率是較小;當粉煤灰摻量和水灰比為零時,稻殼混凝土的相對動彈模量隨著稻殼摻量的增大先增大后減小;當粉煤灰摻量和稻殼摻量為零時,稻殼混凝土的相對動彈模量隨著水灰比的增大而減小。

圖1 單因素效應曲線

2.1.2 兩因數間的交互效應分析

(1)當水灰比為零水平時,粉煤灰摻量、稻殼摻量之間交互影響曲面圖(見圖2);

(2)當粉煤灰摻量為零水平時,水灰比、稻殼摻量之間交互影響曲面圖(見圖3);

(3)當稻殼摻量為零水平時,粉煤灰摻量、水灰比之間交互影響曲面圖(見圖4)。

3 結 論

通過對稻殼混凝土的抗凍性能的試驗研究,得到以下結論:

圖2 粉煤灰摻量、稻殼摻量交互影響

圖3 水灰比、稻殼摻量交互影響

圖4 粉煤灰摻量、水灰比交互影響

(1)稻殼摻量對抗凍性能的影響

通過試驗分析得到稻殼混凝土的相對動彈模量隨著稻殼摻量的增大先增大后減小,質量損失率隨著稻殼摻量的增大先減小后增大,當稻殼摻量為10%和8.6%時稻殼混凝土的抗凍性都具有良好的抗凍融特性;但是稻殼摻量為11.4%時稻殼混凝土的抗凍融特性下降,從混凝土的抗凍性角度來看,稻殼在混凝土中的摻量應控制在為10%以內。

(2)粉煤灰摻量對抗凍性能的影響

通過試驗分析得到稻殼混凝土的相對動彈模量隨著粉煤灰摻量的增大而減小,但減小的速率是較小的,稻殼混凝土的質量損失率隨著粉煤灰摻量的增大先減小后增大,綜合考慮粉煤灰對質量損失率的影響較大,當粉煤灰摻量為17%～20%時稻殼混凝土具有良好抗凍性能。

隨著粉煤灰摻量的提高,稻殼混凝土內部孔隙結構分布達到最合理,相對動彈模量略有減小,但是其稻殼混凝土的質量損失率迅速減小,以達到最低的質量損失率,因而混凝土抗凍性能達到最好。當粉煤灰的摻量繼續提高,稻殼混凝土的相對動彈模量繼續減小,質量損失率也迅速增加,這可能是由于粉煤灰摻量過大時,代替了部分細骨料,因顆粒較小無級配造成,不能充分填充混凝土的內部結構,從而使凍融循環破壞加劇。因此,在粉煤灰摻量過大時,混凝土的抗凍性能反而下降。

(3)水灰比對抗凍性能的影響

通過試驗分析得到稻殼混凝土的相對動彈模量隨著水灰比的增大而減小,稻殼混凝土的質量損失率隨著水灰比的增大先減小后增大。混凝土的抗凍性能隨水灰比的增大而減小,水灰比越大,抗凍性能越差。這主要是由于混凝土的水灰比越小,混凝土內部的毛細空隙越少,密實性越大,抗滲性越好,從而吸水率越小,抗凍性能也越好[7]。水灰比在0.4到0.43范圍內時其抗凍性能最好。

(4)綜合考慮3個因素對稻殼混凝土的抗凍性能的影響規律得到:影響稻殼混凝土強度的因素順序為稻殼摻量＞粉煤灰摻量＞水灰比。

(5)以上結論都是在采用稻殼成干燥狀態且通過粉碎后采用的稻殼是平均粒徑為3.18 mm的稻殼粉粒,由于試驗設計及試驗條件的局限性,所以以上結論是否具有共性還值得進一步研究。

[1] 張文郁,婁宗科.稻殼混凝土熱學與力學特性試驗研究[J].混凝土,2009,(8):56-58.

[2] 高漢忠,葉慧海.稻殼水泥混凝土[J].新型建筑材料,1996,(12):1-2.

[3] 吳富萍.凍土區渠道防滲工程凍脹的防治措施[J].東北水利水電,1996,(1):15-18.

[4] SL18-2004.渠道防滲工程技術規范[S].北京:中國水利水電出版社,2004.

[5] SL352-2006.水工混凝土試驗規程[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[6] 袁志發,周靜芋主編.試驗設計與分析[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7] 張德思,成秀珍.粉煤灰混凝土抗凍融耐久性的研究[J].西北工業大學學報,2000,18(2):175-178.