稻壳灰对硬化机制砂混凝土性能的影响

刘 春，何智海

(1.宁德师范学院建筑工程系，宁德 352000；2.绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000)



稻壳灰对硬化机制砂混凝土性能的影响

刘 春1，何智海2

(1.宁德师范学院建筑工程系，宁德 352000；2.绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000)

通过测试不同龄期机制砂混凝土抗压强度、干燥收缩、碳化深度和氯离子迁移系数，研究了稻壳灰掺量对硬化机制砂混凝土性能的影响，并分析了影响机理。结果表明：稻壳灰降低了机制砂混凝土早期抗压强度，但提高了后期强度，其掺量为15%时，达到最大值；稻壳灰提高了机制砂混凝土抗碳化性能，其中以掺量为15%改善效果最好；稻壳灰降低了机制砂混凝土干燥收缩，提高了机制砂混凝土抗氯离子渗透性能，且随着其掺量地增加，改善效果越来越好。

稻壳灰； 机制砂混凝土； 抗压强度； 干燥收缩； 碳化； 氯离子

1 引 言

稻壳灰是农业副产品稻壳煅烧后的残留物，其中每煅烧1 t稻壳可得到近0.2 t的稻壳灰。稻壳灰以生物矿化的方式，将无定形的SiO2富集起来，可以提供大量非晶态的SiO2，稻壳中SiO2的含量一般在20%左右。而稻壳的煅烧制度对稻壳灰的化学活性等性能有着较大的影响，其中的煅烧温度是影响稻壳灰活性的关键因素[1]。一般认为，煅烧高活性的稻壳灰的最佳温度为500～600 ℃左右。当煅烧温度超过600 ℃时，稻壳灰中含有的无定形SiO2将转变为晶态SiO2，其化学活性将大幅度降低，而煅烧温度低于500 ℃时，由于煅烧不完全，将产生大量的残留碳，也会对稻壳灰的化学活性产生不利影响[2]。低温控制煅烧得到的稻壳灰中无定形SiO2含量高达90%以上，基本都为纳米级活性SiO2凝胶粒子，且含有大量微米尺度的孔隙，具有巨大的比表面积，使得稻壳灰具有与硅灰相似的高化学活性，这为稻壳灰在水泥基材料中的应用提供了很好的技术保障[3]。

为较好地在混凝土中使用稻壳灰，国内外相关行业对此开展了大量研究，取得了很多有益的研究和应用成果。Ganesan等[4]认为，在相同配合比情况下，混凝土坍落度随稻壳灰掺量地增加而不断减少，且减少速度较快，这应该归因于稻壳灰的高比表面积和吸湿性所致；余其俊等[5]通过试验研究发现，掺加稻壳灰可以提高混凝土强度，且对于高水胶比强度提高更大，而混凝土的抗盐酸溶液的侵蚀能力、抗渗和抗碳化性能也得到了明显改善，究其机理主要在于掺加稻壳灰降低了混凝土的实际水胶比，促进了水泥的后期水化，其火山灰活性效应产生了更多的C-S-H凝胶，有效改善了其内部孔结构；梁世庆等[6]系统研究了稻壳灰对混凝土强度的影响，结果表明，随着稻壳灰掺量地增加，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度都相应地降低了；万惠文等[7]将稻壳灰作为矿物掺合料配制出C40自密实混凝土，同时发现该混凝土体积稳定性较好，这一结果拓展了稻壳灰在混凝土中的应用范围；Gemma等[8]的研究表明，稻壳灰可以有效降低混凝土的自收缩，叶光等[9]也得到了相似的结论。

从上可以看出，关于稻壳灰对混凝土性能的研究，其中有些结论存在一定的差别，更为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种混凝土如自密实混凝土等。而当前随着天然河砂资源的日益紧缺，为保证混凝土的持续浇筑和工程质量，各省市相关行业部门越来越多地在推广使用机制砂混凝土，那么稻壳灰对机制砂混凝土的性能影响如何，至今仍鲜见报道。为此，本文以使用量最大，使用面最广的C30机制砂混凝土为研究对象，较为系统地研究了低温控制煅烧得到的稻壳灰掺量，对硬化机制砂混凝土不同龄期抗压强度、干燥收缩、抗碳化性能和抗氯离子渗透性能等的影响，为稻壳灰在机制砂混凝土中的推广应用提供相应的技术指导。

2 试 验

2.1 试验原材料

水泥为P·Ⅱ42.5级水泥，比表面积为355 m2/kg；稻壳灰是低温控制煅烧稻壳得到的，SiO2含量为90.2%，比表面积为62000 m2/kg，平均粒径为5.7 μm；水泥和稻壳灰的化学组成，如表1所示。所使用的机制砂，细度模数为2.5，中砂，颗粒级配区间为Ⅲ区；碎石为同一石灰石资源破碎过筛而成，其颗粒粒径为5～25 mm，表观密度为2650 kg/m3；减水剂为聚羧酸高效减水剂，其减水率为26%；水为自来水。

表1 水泥和稻壳灰的化学组成Tab.1 Chemical compositions of cement and rice husk ash /wt%

2.2 试验方案

本文以C30机制砂混凝土为研究对象，固定水胶比(0.41)、砂率(43%)和单位用水量不变，掺加稻壳灰等量取代水泥，其掺量分别为10%、15%和20%，同时成型不掺加稻壳灰的基准机制砂混凝土试件，以得到稻壳灰掺量对机制砂混凝土性能的影响，通过改变聚羧酸高效减水剂用量，保证混凝土坍落度在150～180 mm范围，以实现其泵送施工要求，其配合比如表2所示。从表2中可以看出，为使工作性达到泵送要求，随着稻壳灰掺量地增加，需不断增加高效减水剂用量，这与稻壳灰巨大的比表面积和吸水性有关。

表2 掺加稻壳灰的机制砂混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of concrete with manufactured-sand and rice husk ash /kg·m-3

机制砂混凝土不同龄期的抗压强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，其试验步骤参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[10]进行。干燥收缩试验试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，采用架设千分表的形式进行测试，并保持恒温恒湿环境，温度保持在(20±2) ℃，相对湿度保持在(60%±5%)，试件在3 d龄期时从标准养护室取出，立即移入恒温恒湿室测定其初始长度，并在相应的龄期测试其变形(从移入恒温恒湿室内计时)；碳化试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试件标准养护28 d后进行碳化试验，其碳化时间分别为7 d、14 d和28 d；抗氯离子渗透性能采用RCM法进行测试；试件干燥收缩、碳化和抗氯离子渗透性能的其它试验步骤，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)[11]进行。

3 结果与讨论

3.1 抗压强度

通过测试7 d、28 d和60 d掺加不同掺量稻壳灰的机制砂混凝土的抗压强度，得到了稻壳灰对机制砂混凝土抗压强度的影响，如图1所示。

图1 稻壳灰对机制砂混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of rice husk ash on compressive strengths of concrete with manufactured-sand

从图1可以看出，在7 d龄期，稻壳灰降低了机制砂混凝土抗压强度，且随着其掺量地增加，降低幅度越来越大；至28 d龄期时，稻壳灰增加了机制砂混凝土抗压强度，其掺量增加至15%时，机制砂混凝土抗压强度达到最大值，继续增加稻壳灰掺量，机制砂混凝土强度反而有所降低；60 d龄期时，稻壳灰对机制砂混凝土抗压强度的影响规律与28 d龄期相同。由此可见，稻壳灰降低了机制砂混凝土早期抗压强度，且随着其掺量增加，混凝土强度越来越低，但稻壳灰可以增加机制砂混凝土后期强度，其掺量为15%时，混凝土28 d和60 d强度达到最大值。

虽然稻壳灰具有较强的化学活性，但其二次水化反应需要水泥水化反应产生的Ca(OH)2，因此早期稻壳灰反应程度有限，主要依靠其微集料效应对机制砂混凝土强度产生有利影响，而稻壳灰内在的大量微孔可以吸收储存部分水分，降低了实际水胶比，降低了胶凝材料的水化反应速度，从而影响了机制砂早期抗压强度的发展[12]；及至水化后期，稻壳灰的二次水化反应产生的C-S-H有效改善了机制砂混凝土的内部孔结构，并降低了富集的Ca(OH)2，再者随着水化反应的不断进行，稻壳灰慢慢释放储存在其微孔中的水分，有利地促进了后期胶凝材料水化反应，从而有效提高了其后期抗压强度发展[13]，但如其掺量过大的话，致使水泥用量较少，从而产生较少的Ca(OH)2，反而影响了稻壳灰化学活性的发挥。

3.2 干燥收缩

通过测试不同龄期掺加不同掺量稻壳灰的机制砂混凝土的干燥收缩，得到了稻壳灰对机制砂混凝土干燥收缩的影响，如图2所示。

图2 稻壳灰对机制砂混凝土干燥收缩的影响Fig.2 Effect of rice husk ash on drying shrinkage of concrete with manufactured-sand

从图2可以看出，稻壳灰对机制砂混凝土干燥收缩影响较大，机制砂混凝土干燥收缩发展速度较快，60 d后慢慢趋于稳定，基本达到250 d干燥收缩的80%以上；相比于不掺稻壳灰的基准机制砂混凝土干燥收缩，稻壳灰降低了机制砂混凝土的干燥收缩，且随着其掺量地增加，其降低幅度越来越大，10%、15%和20%掺量稻壳灰制备的机制砂混凝土趋于稳定干燥收缩分别降低了14%、21%和24%。由此可见，稻壳灰有利于降低机制砂混凝土干燥收缩，且随着其掺量地增加，其降低效果越来越好。

稻壳灰掺加到机制砂混凝土中，由于其内在的微孔可以吸收保留部分水分，从而起到内养护的作用，极大地延缓了机制砂混凝土内部水分的散失[14]，从而有效降低了干燥收缩，且随着其掺量地增加，相当于进一步增加了可以储存水分的微孔，因此降低干燥收缩的效果越来越好。

3.3 抗碳化性能

机制砂混凝土标准养护28 d后，测试碳化时间分别为7 d、14 d和28 d的，掺加不同掺量稻壳灰的机制砂混凝土的碳化深度，得到了稻壳灰对机制砂混凝土抗碳化性能的影响，如图3所示。

从图3可以看出，稻壳灰对机制砂混凝土抗碳化性能的影响较大，稻壳灰降低了各龄期机制砂混凝土碳化深度，换言之，稻壳灰增加了机制砂混凝土各龄期抗碳化性能，其中掺加15%稻壳灰的机制砂混凝土抗碳化性能最好，各龄期机制砂混凝土试件碳化深度大小关系为：试件C>试件(C-10RHA)>试件(C-20RHA)>试件(C-15RHA)。由此可见，稻壳灰可以提高机制砂混凝土抗碳化性能，其中以掺加15%稻壳灰效果最好。

由于稻壳灰颗粒比水泥颗粒小，在机制砂混凝土中可以起到微集料效应，改善了孔结构，其二次水化反应可以产生C-S-H，进一步改善了机制砂混凝土内部结构[5]，从而提高了机制砂混凝土抗碳化性能，但如稻壳灰掺量过大的话，机制砂混凝土中水泥用量较少，从而产生较少的Ca(OH)2，减少了碱性储备，反而影响了机制砂混凝土抗碳化性能地提高。

图3 稻壳灰对机制砂混凝土抗碳化性能的影响Fig.3 Effect of rice husk ash on the resistance to carbonation of concrete with manufactured-sand

图4 稻壳灰对机制砂混凝土抗氯离子渗透性能的影响Fig.4 Effect of rice husk ash on the resistance to chloride ion penetration of concrete with manufactured-sand

3.4 抗氯离子渗透性能

通过测试28 d掺加不同掺量稻壳灰的机制砂混凝土的氯离子迁移系数，得到了稻壳灰对机制砂混凝土抗氯离子渗透性能的影响，如图4所示。

从图4可以看出，稻壳灰对机制砂混凝土抗氯离子渗透性能的影响较大，稻壳灰明显降低了28 d机制砂混凝土氯离子迁移系数，且随着其掺量地增加，机制砂混凝土氯离子迁移系数越来越小。由此可见，稻壳灰提高了机制砂混凝土抗氯离子渗透性能，且随着其掺量地增加，改善效果越来越好。

稻壳灰的微集料效应和活性效应可以有效改善机制砂混凝土的内部孔结构，同时稻壳灰增加了吸附固化氯离子水化产物的数量[5,12-14]，从而提高了机制砂混凝土抗氯离子渗透性能。

4 结 论

(1)稻壳灰降低了机制砂混凝土早期抗压强度，且随着其掺量地增加，混凝土强度越来越低，但稻壳灰增加了机制砂混凝土后期强度，其掺量为15%时，强度达到最大值。

(2)稻壳灰降低了机制砂混凝土干燥收缩，提高了机制砂混凝土抗氯离子渗透性能，且随着其掺量地增加，改善效果越来越好。

(3)稻壳灰提高了机制砂混凝土抗碳化性能，其中以掺加15%稻壳灰的改善效果最好。

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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

湖南省科技计划发展项目(2006sk4017);宁德师范学院科研资助项目(2015Y06)

刘 春(1972-)，男，博士,副教授.主要从事岩土工程和土木工程材料方面的研究.

何智海，博士，讲师.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2543-05