稻殼灰細度和摻量對水泥及膠砂性能的影響研究

張思雨，丁麗芳，姚雪濤

（河北建設集團股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景

我國水稻每年總產量為 2億多噸，占世界總產量的30%。而稻谷在加工過程中會產生約 20% 的稻殼，我國每年會產生 4000 萬噸以上的稻殼。大部分稻殼作為農業廢棄物堆積或者在野外焚燒，對道路交通安全和生態環境造成極大的不良影響。因此，如何更加有效地利用稻殼，對解決上述問題都具有重要的意義。

隨著建筑行業的繁榮發展，混凝土需求和產量不斷增大，需要的礦物摻合料越來越多，傳統的粉煤灰、礦渣粉資源變得緊張，這些傳統的廢棄物也已變成稀缺資源，價格不斷飆升，尋求新的質優價廉的礦物摻合料勢在必行。

稻殼灰是一種性能非常好的火山灰活性材料，將稻殼灰作為混凝土摻合料進行利用，不僅可以節約熟料水泥，減少生產水泥時的 CO2排放量，還可避免稻殼堆積對環境的影響，節約耕地，改善環境。使用稻殼灰替代水泥在國內已經成為混凝土行業可持續發展的一個研究方向，綠色環保混凝土是未來混凝土材料發展的必然趨勢，研究稻殼灰代替水泥配制混凝土更是具有顯著的經濟效益和社會效益。

本研究采用稻殼灰以不同細度和摻量取代部分水泥，通過水泥物理性能和水泥膠砂強度對比試驗，分析了稻殼灰取代水泥的可行性，為稻殼灰混凝土的研究提供參考依據。

2 試驗部分

2.1 稻殼灰相關性能研究

2.1.1 試樣制備

因市售稻殼灰多為未經處理的不均勻顆粒狀態，故在試驗前要對稻殼灰進行粉磨均化處理，才能得到真正意義上可用于混凝土的稻殼灰。處理前后的對比照片詳見圖 1。

本項目采用米淇行星式球磨機對稻殼灰進行粉磨。行星式球磨機是針對粉碎、研磨粉體進行設計的，研磨產品最小粒度可至 0.1μm。其工作原理是利用磨料與試料在研磨罐內高速翻滾，對物料產生強力剪切、沖擊、碾壓達到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。

圖1 原狀稻殼灰和粉磨之后的稻殼灰

通過激光粒度測試及 45μm 篩余來評價稻殼灰細度及粉磨時間對稻殼灰細度的影響，試驗結果見表 1。

表1 不同粉磨時間對稻殼灰細度的影響

由表 1 可以看出，隨著稻殼灰粉磨時間的延長，稻殼灰 D50 粒徑和 45μm 篩余均逐漸降低，稻殼灰越來越細，粉磨 20min 稻殼灰比原灰明顯細得多，但粉磨40min 的稻殼灰比粉磨 30min 的稻殼灰 45μm 篩余只下降 0.3%，也就是說粉磨達到一定時間，稻殼灰的細度很難再增加。從激光粒度分析和篩余結果來看，稻殼灰粉磨時間不宜超過 30min，粉磨時間過長只會造成能源浪費。

2.1.2 化學分析

通過 XRD 試驗可知該稻殼灰試樣的主要化學組成是 SiO2、低溫鈉長石、KCl，不含有對人體有害的組分，具體化學組成見表 2。

由表 2 可知，稻殼灰中的 SiO2含量在 70% 以上，理論上應具有良好的活性效應，結合 45μm 篩余結果與粉煤灰接近，可作為礦物摻合料替代粉煤灰，用于混凝土生產，可以改善混凝土的性能。

表2 稻殼灰的主要化學組分 %

2.2 其他原材料

（1）水泥：選用河北京蘭 P·O42.5 水泥，主要性能指標見表 3、表 4。

表3 水泥的主要性能指標

表4 水泥的主要化學組分 %

（2）粉煤灰：選用保定大唐Ⅱ級粉煤灰，主要性能指標見表 5。

表5 粉煤灰的主要性能指標 %

（3）砂：保定滿城中砂，細度模數 2.6，屬于 Ⅱ區中砂，級配良好，其他性能指標見表 6。

表6 砂的主要性能指標

（4）水：飲用水。

2.3 試驗設計

本研究中膠砂試驗的目的是為稻殼灰混凝土研究提供參考，所以膠砂試驗所使用的原材料為常規混凝土所用品種，并未選用基準水泥和標準砂。

試驗依據為 GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》和 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》中相關規定。

礦物摻合料的細度對其性能的發揮至關重要，將粉磨時間為 0min、20min、30min、40min 的稻殼灰統一等質量取代 15% 的水泥，對比分析粉磨時間對標準稠度用水量、凝結時間及抗壓強度的影響，編號記作D1、D2、D3、D4。

由于礦物摻合料自身不能發生水化反應，必須在有水泥熟料水化產生足夠數量的 Ca(OH)2條件下逐漸發揮其火山灰效應，所以，礦物摻合料替代水泥量是有一定限度的。為尋找稻殼灰的適宜取代范圍，將粉磨時間為 30min 的稻殼灰，等質量取代 10%、15%、20%、25%、30% 水泥，對比分析稻殼灰摻量對標準稠度用水量、凝結時間及抗壓強度的影響，編號記作 D5、D3、D6、D7、D8。

將粉煤灰按 10%、15%、20%、25%、30% 的摻量等質量取代水泥，并制備膠砂試件，與稻殼灰所制膠砂試件的強度作對比分析，編號記作 F1、F2、F3、F4、F5。

3 結果及分析

3.1 水泥物理性能試驗

稻殼灰對水泥標準稠度用水量和凝結時間的影響結果見表 7，為便于觀察分析，依據表 7 繪制出趨勢圖，見圖 2～5。

表7 稻殼灰對水泥物理性能的影響

圖2 粉磨時間與標稠用水量的關系

圖2 表明：（1）稻殼灰的加入，增大了水泥標準稠度用水量，其中未經粉磨的原狀灰對水泥標準稠度用水量的影響最大，比基準組增加 7%；（2）隨著粉磨時間的延長，水泥標準稠度用水量呈降低的趨勢；（3）粉磨 30min 與 40min 的稻殼灰水泥標準稠度用水量接近。

分析其原因，原狀灰顆粒大小不一，呈不規則形狀，其摻入增加了水泥的需水量；而粉磨過程在減小稻殼灰顆粒粒徑的同時改善了其顆粒表面形態，使其產生類似于粉煤灰的滾珠效應，從而逐漸降低水泥的標稠用水量；粉磨 30min 和粉磨 40min 所得稻殼灰的顆粒區別很小，所以對標稠用水量的影響也很接近。

圖3 粉磨時間與凝結時間的關系

圖3 表明：（1）隨著粉磨時間的延長，初凝時間呈先增加后降低趨勢，但變化較平緩；（2）隨著粉磨時間的延長，終凝時間呈降低的趨勢，變化比較明顯；（3）原狀灰與粉磨 20min 稻殼灰的影響效果較為明顯，其他粉磨時間的稻殼灰對水泥凝結時間影響不大。

分析其原因，稻殼灰的摻入增大了水泥標準稠度用水量，從而導致了凝結時間的延長；稻殼灰的火山灰效應在水泥水化反應中后期才會被激發，所以不同粉磨時間的稻殼灰對初凝時間影響區別不大；原狀灰和粉磨20min 稻殼灰因顆粒粒徑較大，活性較低，不能完全被激發參與水化反應，導致終凝時間延長較多。

圖4 稻殼灰摻量與標稠用水量的關系

圖4 表明：隨著稻殼灰摻量的增加，水泥標準稠度用水量呈增加的趨勢。

分析其原因，由于稻殼灰需水量高于水泥，所以隨著摻量的增長，需水量不斷增加。

圖5 表明：隨著稻殼灰摻量的增加，初凝與終凝時間均呈增長趨勢。

分析其原因，由于標準稠度用水量隨著稻殼灰摻量增加不斷增長，所以凝結時間被延長。

圖5 稻殼灰摻量與凝結時間的關系

表8 稻殼灰及粉煤灰對水泥膠砂強度的影響

圖6 和圖 7 表明：（1）原狀灰的摻入，使得水泥膠砂抗折和抗壓強度均大幅下降；（2）隨著粉磨時間的增加，水泥膠砂抗折和抗壓強度呈增長趨勢；（3）

3.2 膠砂強度試驗

稻殼灰對水泥膠砂強度的影響及粉煤灰對水泥膠砂強度的影響結果見表 8，為便于觀察分析，根據表 8 繪制出趨勢圖，見圖 6～9。粉磨 30min 稻殼灰與粉磨 40min 稻殼灰對水泥膠砂強度的影響接近。

分析其原因，未經粉磨的原狀灰活性很難被激發，無法補償所取代水泥的強度；隨著粉磨時間的增加，稻殼灰粒徑逐漸變小，活性增加，逐步參與到水化反應中，使得膠砂強度逐步增長；粉磨 30min 和粉磨 40min所得稻殼灰的顆粒區別很小，所以對膠砂強度的影響也很接近。

圖6 粉磨時間與抗折強度的關系

圖7 粉磨時間與抗壓強度的關系

圖8 不同摻量稻殼灰與粉煤灰的抗折強度對比

圖9 不同摻量稻殼灰與粉煤灰的抗壓強度對比

圖8 和圖 9 表明：（1）隨著稻殼灰摻量的增加，7d 抗折和抗壓強度呈下降趨勢；（2）隨著稻殼灰摻量的增加，28d 抗折和抗壓強度呈先增長后下降的趨勢；（3）在 15% 摻量時，28d 抗折和抗壓強度出現峰值。

分析其原因，由于稻殼灰的火山灰效應主要作用于后期水化反應，從而對早期強度貢獻較少，致使早期強度隨摻量增加而降低；在水化反應后期，稻殼灰中的SiO2在二次水化反應中能生成更多的 C-S-H 凝膠，并且也能更加密實的填充水泥砂漿內部的孔隙，使得膠砂強度增長；同時隨著稻殼灰摻量的增加，則是相對降低了水泥砂漿中的水泥含量，致使強度下降，這兩種強度變化趨勢隨著稻殼灰摻量的增加而交替處于主導地位，致使水泥膠砂后期強度出現先增大后減小的趨勢，并在15% 摻量時達到最大值。

由圖 8 和圖 9 還可以看出：隨著摻量的增加，摻稻殼灰和摻粉煤灰的膠砂試件強度接近，且變化趨勢相似。說明稻殼灰對水泥膠砂強度的影響與粉煤灰相近，可以替代粉煤灰用作混凝土摻合料。

4 結論

（1）稻殼灰取代部分水泥摻入后，會增加水泥的標準稠度用水量，延長凝結時間，其影響隨粉磨時間的增加而減小，隨稻殼灰摻量的增加而加大。

（2）稻殼灰取代部分水泥摻入后，其水泥膠砂強度隨粉磨時間的增加而增加，隨稻殼灰摻量增加呈先增大后減小趨勢。

（3）稻殼灰對水泥膠砂強度的影響與粉煤灰相近，可以替代粉煤灰用作混凝土摻合料。

（4）綜合考慮上述試驗結果，稻殼灰的最佳粉磨時間為 30min，最佳摻量為 15%。