稻殼灰對硬化機制砂混凝土性能的影響

劉 春，何智海

(1.寧德師范學院建筑工程系，寧德 352000；2.紹興文理學院土木工程學院，紹興 312000)

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稻殼灰對硬化機制砂混凝土性能的影響

劉 春1，何智海2

(1.寧德師范學院建筑工程系，寧德 352000；2.紹興文理學院土木工程學院，紹興 312000)

通過測試不同齡期機制砂混凝土抗壓強度、干燥收縮、碳化深度和氯離子遷移系數，研究了稻殼灰摻量對硬化機制砂混凝土性能的影響，并分析了影響機理。結果表明：稻殼灰降低了機制砂混凝土早期抗壓強度，但提高了后期強度，其摻量為15%時，達到最大值；稻殼灰提高了機制砂混凝土抗碳化性能，其中以摻量為15%改善效果最好；稻殼灰降低了機制砂混凝土干燥收縮，提高了機制砂混凝土抗氯離子滲透性能，且隨著其摻量地增加，改善效果越來越好。

稻殼灰； 機制砂混凝土； 抗壓強度； 干燥收縮； 碳化； 氯離子

1 引 言

稻殼灰是農業副產品稻殼煅燒后的殘留物，其中每煅燒1 t稻殼可得到近0.2 t的稻殼灰。稻殼灰以生物礦化的方式，將無定形的SiO2富集起來，可以提供大量非晶態的SiO2，稻殼中SiO2的含量一般在20%左右。而稻殼的煅燒制度對稻殼灰的化學活性等性能有著較大的影響，其中的煅燒溫度是影響稻殼灰活性的關鍵因素[1]。一般認為，煅燒高活性的稻殼灰的最佳溫度為500～600 ℃左右。當煅燒溫度超過600 ℃時，稻殼灰中含有的無定形SiO2將轉變為晶態SiO2，其化學活性將大幅度降低，而煅燒溫度低于500 ℃時，由于煅燒不完全，將產生大量的殘留碳，也會對稻殼灰的化學活性產生不利影響[2]。低溫控制煅燒得到的稻殼灰中無定形SiO2含量高達90%以上，基本都為納米級活性SiO2凝膠粒子，且含有大量微米尺度的孔隙，具有巨大的比表面積，使得稻殼灰具有與硅灰相似的高化學活性，這為稻殼灰在水泥基材料中的應用提供了很好的技術保障[3]。

為較好地在混凝土中使用稻殼灰，國內外相關行業對此開展了大量研究，取得了很多有益的研究和應用成果。Ganesan等[4]認為，在相同配合比情況下，混凝土坍落度隨稻殼灰摻量地增加而不斷減少，且減少速度較快，這應該歸因于稻殼灰的高比表面積和吸濕性所致；余其俊等[5]通過試驗研究發現，摻加稻殼灰可以提高混凝土強度，且對于高水膠比強度提高更大，而混凝土的抗鹽酸溶液的侵蝕能力、抗滲和抗碳化性能也得到了明顯改善，究其機理主要在于摻加稻殼灰降低了混凝土的實際水膠比，促進了水泥的后期水化，其火山灰活性效應產生了更多的C-S-H凝膠，有效改善了其內部孔結構；梁世慶等[6]系統研究了稻殼灰對混凝土強度的影響，結果表明，隨著稻殼灰摻量地增加，混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度都相應地降低了；萬惠文等[7]將稻殼灰作為礦物摻合料配制出C40自密實混凝土，同時發現該混凝土體積穩定性較好，這一結果拓展了稻殼灰在混凝土中的應用范圍；Gemma等[8]的研究表明，稻殼灰可以有效降低混凝土的自收縮，葉光等[9]也得到了相似的結論。

從上可以看出，關于稻殼灰對混凝土性能的研究，其中有些結論存在一定的差別，更為突出的是其所配制的混凝土主要限于普通天然河砂混凝土和少量特種混凝土如自密實混凝土等。而當前隨著天然河砂資源的日益緊缺，為保證混凝土的持續澆筑和工程質量，各省市相關行業部門越來越多地在推廣使用機制砂混凝土，那么稻殼灰對機制砂混凝土的性能影響如何，至今仍鮮見報道。為此，本文以使用量最大，使用面最廣的C30機制砂混凝土為研究對象，較為系統地研究了低溫控制煅燒得到的稻殼灰摻量，對硬化機制砂混凝土不同齡期抗壓強度、干燥收縮、抗碳化性能和抗氯離子滲透性能等的影響，為稻殼灰在機制砂混凝土中的推廣應用提供相應的技術指導。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

水泥為P·Ⅱ42.5級水泥，比表面積為355 m2/kg；稻殼灰是低溫控制煅燒稻殼得到的，SiO2含量為90.2%，比表面積為62000 m2/kg，平均粒徑為5.7 μm；水泥和稻殼灰的化學組成，如表1所示。所使用的機制砂，細度模數為2.5，中砂，顆粒級配區間為Ⅲ區；碎石為同一石灰石資源破碎過篩而成，其顆粒粒徑為5～25 mm，表觀密度為2650 kg/m3；減水劑為聚羧酸高效減水劑，其減水率為26%；水為自來水。

表1 水泥和稻殼灰的化學組成Tab.1 Chemical compositions of cement and rice husk ash /wt%

2.2 試驗方案

本文以C30機制砂混凝土為研究對象，固定水膠比(0.41)、砂率(43%)和單位用水量不變，摻加稻殼灰等量取代水泥，其摻量分別為10%、15%和20%，同時成型不摻加稻殼灰的基準機制砂混凝土試件，以得到稻殼灰摻量對機制砂混凝土性能的影響，通過改變聚羧酸高效減水劑用量，保證混凝土坍落度在150～180 mm范圍，以實現其泵送施工要求，其配合比如表2所示。從表2中可以看出，為使工作性達到泵送要求，隨著稻殼灰摻量地增加，需不斷增加高效減水劑用量，這與稻殼灰巨大的比表面積和吸水性有關。

表2 摻加稻殼灰的機制砂混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of concrete with manufactured-sand and rice husk ash /kg·m-3

機制砂混凝土不同齡期的抗壓強度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，其試驗步驟參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)[10]進行。干燥收縮試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，采用架設千分表的形式進行測試，并保持恒溫恒濕環境，溫度保持在(20±2) ℃，相對濕度保持在(60%±5%)，試件在3 d齡期時從標準養護室取出，立即移入恒溫恒濕室測定其初始長度，并在相應的齡期測試其變形(從移入恒溫恒濕室內計時)；碳化試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件標準養護28 d后進行碳化試驗，其碳化時間分別為7 d、14 d和28 d；抗氯離子滲透性能采用RCM法進行測試；試件干燥收縮、碳化和抗氯離子滲透性能的其它試驗步驟，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)[11]進行。

3 結果與討論

3.1 抗壓強度

通過測試7 d、28 d和60 d摻加不同摻量稻殼灰的機制砂混凝土的抗壓強度，得到了稻殼灰對機制砂混凝土抗壓強度的影響，如圖1所示。

圖1 稻殼灰對機制砂混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Effect of rice husk ash on compressive strengths of concrete with manufactured-sand

從圖1可以看出，在7 d齡期，稻殼灰降低了機制砂混凝土抗壓強度，且隨著其摻量地增加，降低幅度越來越大；至28 d齡期時，稻殼灰增加了機制砂混凝土抗壓強度，其摻量增加至15%時，機制砂混凝土抗壓強度達到最大值，繼續增加稻殼灰摻量，機制砂混凝土強度反而有所降低；60 d齡期時，稻殼灰對機制砂混凝土抗壓強度的影響規律與28 d齡期相同。由此可見，稻殼灰降低了機制砂混凝土早期抗壓強度，且隨著其摻量增加，混凝土強度越來越低，但稻殼灰可以增加機制砂混凝土后期強度，其摻量為15%時，混凝土28 d和60 d強度達到最大值。

雖然稻殼灰具有較強的化學活性，但其二次水化反應需要水泥水化反應產生的Ca(OH)2，因此早期稻殼灰反應程度有限，主要依靠其微集料效應對機制砂混凝土強度產生有利影響，而稻殼灰內在的大量微孔可以吸收儲存部分水分，降低了實際水膠比，降低了膠凝材料的水化反應速度，從而影響了機制砂早期抗壓強度的發展[12]；及至水化后期，稻殼灰的二次水化反應產生的C-S-H有效改善了機制砂混凝土的內部孔結構，并降低了富集的Ca(OH)2，再者隨著水化反應的不斷進行，稻殼灰慢慢釋放儲存在其微孔中的水分，有利地促進了后期膠凝材料水化反應，從而有效提高了其后期抗壓強度發展[13]，但如其摻量過大的話，致使水泥用量較少，從而產生較少的Ca(OH)2，反而影響了稻殼灰化學活性的發揮。

3.2 干燥收縮

通過測試不同齡期摻加不同摻量稻殼灰的機制砂混凝土的干燥收縮，得到了稻殼灰對機制砂混凝土干燥收縮的影響，如圖2所示。

圖2 稻殼灰對機制砂混凝土干燥收縮的影響Fig.2 Effect of rice husk ash on drying shrinkage of concrete with manufactured-sand

從圖2可以看出，稻殼灰對機制砂混凝土干燥收縮影響較大，機制砂混凝土干燥收縮發展速度較快，60 d后慢慢趨于穩定，基本達到250 d干燥收縮的80%以上；相比于不摻稻殼灰的基準機制砂混凝土干燥收縮，稻殼灰降低了機制砂混凝土的干燥收縮，且隨著其摻量地增加，其降低幅度越來越大，10%、15%和20%摻量稻殼灰制備的機制砂混凝土趨于穩定干燥收縮分別降低了14%、21%和24%。由此可見，稻殼灰有利于降低機制砂混凝土干燥收縮，且隨著其摻量地增加，其降低效果越來越好。

稻殼灰摻加到機制砂混凝土中，由于其內在的微孔可以吸收保留部分水分，從而起到內養護的作用，極大地延緩了機制砂混凝土內部水分的散失[14]，從而有效降低了干燥收縮，且隨著其摻量地增加，相當于進一步增加了可以儲存水分的微孔，因此降低干燥收縮的效果越來越好。

3.3 抗碳化性能

機制砂混凝土標準養護28 d后，測試碳化時間分別為7 d、14 d和28 d的，摻加不同摻量稻殼灰的機制砂混凝土的碳化深度，得到了稻殼灰對機制砂混凝土抗碳化性能的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出，稻殼灰對機制砂混凝土抗碳化性能的影響較大，稻殼灰降低了各齡期機制砂混凝土碳化深度，換言之，稻殼灰增加了機制砂混凝土各齡期抗碳化性能，其中摻加15%稻殼灰的機制砂混凝土抗碳化性能最好，各齡期機制砂混凝土試件碳化深度大小關系為：試件C>試件(C-10RHA)>試件(C-20RHA)>試件(C-15RHA)。由此可見，稻殼灰可以提高機制砂混凝土抗碳化性能，其中以摻加15%稻殼灰效果最好。

由于稻殼灰顆粒比水泥顆粒小，在機制砂混凝土中可以起到微集料效應，改善了孔結構，其二次水化反應可以產生C-S-H，進一步改善了機制砂混凝土內部結構[5]，從而提高了機制砂混凝土抗碳化性能，但如稻殼灰摻量過大的話，機制砂混凝土中水泥用量較少，從而產生較少的Ca(OH)2，減少了堿性儲備，反而影響了機制砂混凝土抗碳化性能地提高。

圖3 稻殼灰對機制砂混凝土抗碳化性能的影響Fig.3 Effect of rice husk ash on the resistance to carbonation of concrete with manufactured-sand

圖4 稻殼灰對機制砂混凝土抗氯離子滲透性能的影響Fig.4 Effect of rice husk ash on the resistance to chloride ion penetration of concrete with manufactured-sand

3.4 抗氯離子滲透性能

通過測試28 d摻加不同摻量稻殼灰的機制砂混凝土的氯離子遷移系數，得到了稻殼灰對機制砂混凝土抗氯離子滲透性能的影響，如圖4所示。

從圖4可以看出，稻殼灰對機制砂混凝土抗氯離子滲透性能的影響較大，稻殼灰明顯降低了28 d機制砂混凝土氯離子遷移系數，且隨著其摻量地增加，機制砂混凝土氯離子遷移系數越來越小。由此可見，稻殼灰提高了機制砂混凝土抗氯離子滲透性能，且隨著其摻量地增加，改善效果越來越好。

稻殼灰的微集料效應和活性效應可以有效改善機制砂混凝土的內部孔結構，同時稻殼灰增加了吸附固化氯離子水化產物的數量[5,12-14]，從而提高了機制砂混凝土抗氯離子滲透性能。

4 結 論

(1)稻殼灰降低了機制砂混凝土早期抗壓強度，且隨著其摻量地增加，混凝土強度越來越低，但稻殼灰增加了機制砂混凝土后期強度，其摻量為15%時，強度達到最大值。

(2)稻殼灰降低了機制砂混凝土干燥收縮，提高了機制砂混凝土抗氯離子滲透性能，且隨著其摻量地增加，改善效果越來越好。

(3)稻殼灰提高了機制砂混凝土抗碳化性能，其中以摻加15%稻殼灰的改善效果最好。

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Effect of Rice Husk Ash on the Performance of Concrete with Manufactured-sand

LIUChun1,HEZhi-hai2

(1.Department of Construction Engineering,Ningde Normal University,Ningde 352000,China;2.College of Civil Engineering,Shaoxing University,Shaoxing 312000,China)

The effect of rice husk ash dosage on the performance of concrete with manufactured-sand was studied by testing compressive strength, drying shrinkage, carbonation depths and chloride ion migration coefficients at different ages. And the corresponding mechanism was analyzed also. The results indicate that rice husk ash decreases the compressive strength of concrete with manufactured-sand at early age, but increases the compressive strength at later age, reaching the highest value with the dosage of 15% rice hush ash; rice husk ash increases the resistance to carbonation of concrete with manufactured-sand, and the improvement is best with the dosage of 15% rice hush ash; rice hush ash decreases drying shrinkage of concrete with manufactured-sand and increases the resistance to chloride ion penetration, and the improvements are better with the increase of the dosage of rice hush ash.

rice husk ash;concrete with manufactured-sand;compressive strength;drying shrinkage;carbonation;chloride ion

湖南省科技計劃發展項目(2006sk4017);寧德師范學院科研資助項目(2015Y06)

劉 春(1972-)，男，博士,副教授.主要從事巖土工程和土木工程材料方面的研究.

何智海，博士，講師.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2543-05