稻壳灰对活性粉末混凝土强度的影响

何凌侠， 尹 健， 田冬梅， 刘玉莹， 任海波， 桑正辉

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院,湖南 长沙 410004)



稻壳灰对活性粉末混凝土强度的影响

何凌侠， 尹 健*， 田冬梅， 刘玉莹， 任海波， 桑正辉

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院,湖南 长沙 410004)

研究了不同掺量、高低温稻壳灰等量替代硅灰后对RPC试件的抗压强度、抗折强度及折压比的影响，并通过不同的养护制度(即热水养护及蒸汽养护)测试绿色环保型RPC力学性能的发展规律.研究结果表明：低温稻壳灰与硅灰在复掺作用下比单掺硅灰更有利于RPC强度的增长，且能更好地改善RPC的脆性；采用100 ℃热水养护比蒸汽养护对RPC抗压强度更有利，然而养护制度对其抗折强度的影响并不明显.因此将稻壳灰作为绿色资源应用于RPC中，在获得超高性能的同时对降低成本与实现资源化再生利用均有指导性意义.

活性粉末混凝土；强度；稻壳灰；养护制度

活性粉末混凝土(简称RPC)具有极高的抗压、抗弯拉强度及优良的抗裂性能，因而成为土木工程技术人员关注的新型复合材料之一.其配制关键技术为：低水胶比、优质原材料、高活性超细矿物掺合料以及蒸压养护制度等，使得RPC材料内部孔隙与微裂缝等缺陷降到最低.活性粉末混凝土的诞生，解决了许多在环境因素作用下易开裂、耐久性能差等材料应用性能问题[1].在RPC配制技术上，目前所采用的矿物掺合料有硅灰、粉煤灰、磨细矿渣等，其中硅灰是主要的矿物掺合料之一[2,3]，但由于硅灰资源有限，寻找可替代硅灰的高活性超细的矿物掺合料已成为目前解决该问题的关键所在[4].

稻壳灰是一种潜在利用资源，稻壳在我国年产量超过4 000万吨，稻壳灰(简称RHA)是将稻谷壳在600 ℃以下控制焚烧，所得的低温稻壳灰的主要成分为SiO2，并且此种SiO290%以上为无定型状态[5].1938年，Martin研究表明，稻壳中含有15%～20%的无定型水合SiO2[6]，是水稻通过吸收少量的硅酸盐聚合成的活性SiO2，因此稻壳灰属于火山灰材料.国内外相关学者就RHA在高性能混凝土中的应用进行了试验研究，研究结果表明低温稻壳灰中含有大量纳米尺寸的SiO2及大量空隙，使其对混凝土有较强的增强改性作用[7]，这就使得低温稻壳灰有了成为一种优质矿物掺合料的潜能.基于目前稻壳灰应用活性粉末混凝土配制技术方面的文献报道较少，因此，为寻求取代硅灰的新型高活性矿物掺合料、降低活性粉末混凝土生产成本，开展稻壳灰在活性粉末混凝土配制技术以及其对RPC性能影响规律的研究意义重大，同时也符合我国资源节约型、环境友好型社会的发展方向.

1 试 验

1.1 原材料

水泥(C)：湖南湘乡南方水泥有限公司生产的PO 42.5普通硅酸盐水泥.粉煤灰：湖南湘潭电厂生产的粉煤灰.硅灰(SF)：比表面积为22 000 m3/kg，平均粒径0.1 μm左右，无定型SiO2的含量高达91%.砂：福建平潭生产的灌砂法专用砂.钢纤维：苏州龙宇钢纤维有限公司生产的直径0.2 mm，长约16 mm的镀铜微丝.外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率大于25%.高温、低温稻壳灰：凯迪电力绿色能源发电厂所生产，其化学成分见表1.表1的检测结果表明该稻壳灰的主要成分为SiO2，含量达到79.1%，其XRD测试图谱如图1(a)所示，图谱中无明显结晶特征峰，说明低温RHA中SiO2具有较高活性，低温稻壳灰由大量纳米尺寸的SiO2粒子非紧密粘聚而形成的纳米尺寸空隙[8]，导致其具有巨大的比表面积和超高火山灰活性，高温RHA的测试图谱虽然有弥散衍射峰，但仍有部分SiO2处于非晶状态.稻壳灰、硅灰的物理性能指标参照GB/T 18736-2002《高强高性能混凝土矿物外加剂》规范进行测试，测试结果见表2.

表1 稻壳灰的化学成分

表2 稻壳灰、硅灰物理性能

类别45μm筛余/%烧失量/%需水量比/%含水量/%活性指数/%28d高温RHA(≥800℃)34.33.896.40.1104低温RHA(≤600℃)26.53.697.30.6106硅灰1961000.1114

1.2 RPC配合比

活性粉末混凝土配合比见表3，水胶比为0.21，以不掺稻壳灰的活性粉末混凝土为基准组(S0、H0)，即稻壳灰替代率为0%；稻壳灰等量替代硅灰率分别为25%、33.3%、50%作为对比组(S1～S3、H1～H3).其中A代表低温稻壳灰，B代表高温稻壳灰；H表示热水养护，S表示蒸汽养护，如H0、H1、H2、H3分别表示热水养护制度下，稻壳灰的掺量为0%、25%、33.3%、50%.

表3 RPC拟定配合比

1.3 试件制备与养护制度

试件制备：首先将拌合物在20 L胶砂搅拌机中制作完成，然后将拌合物浇筑于40 mm×40 mm×160 mm三联胶砂试模中.搅拌工艺为：先将砂、水泥、粉煤灰、稻壳、硅灰等粉末材料倒入搅拌锅内，干拌1.5 min；再将钢纤维加入搅拌锅，干拌1 min；随后将混有减水剂的水倒入一半，搅拌2 min，再倒入最后一半水后搅拌2 min.在胶砂振动台上振动1 min，用塑料薄膜覆盖.

养护制度：采用100 ℃热水养护(H)及90 ℃蒸汽养护(S)两种养护制度.热水养护：RPC浇筑工艺完成后，将试件移入养护室(20±2)℃，养护24 h后拆模，放进热养水池，通过自制的温度控制系统，将水池温度控制在(90±5)℃，水池经4 h升温至(90±5)℃后，在热养水池中养护72 h，然后在(90±5)℃的热养水池中冷却至常温，养护至强度试验龄期.蒸汽养护法：将拆模后的试件置于设置自制温控系统的90 ℃蒸汽环境下进行养护，养护时间为72 h，待试件冷却至常温后置于标准养护室中养护至强度试验龄期.

2 试验结果及讨论

2.1 不同稻壳灰掺量对RPC抗压强度的影响

图2和表4分别为采取100 ℃的热水养护方式，稻壳灰以25%、33.3%、50%的比例等量替代硅灰时RPC的抗压强度试验结果和强度发展曲线图.图2(a)表明，各组掺低温稻壳灰RPC的抗压强度随硅灰被替代率的增大而增大，复掺作用下的各组RPC强度均高于单掺硅灰的H0组，且各组RPC的早期强度较高，均在45 MPa以上，而掺入50%稻壳灰的AH3组RPC试件虽然早期强度高于其他对比组13.5 MPa以上，而其28 d抗压强度与稻壳灰掺量为33.3%的AH2组RPC试件抗压强度基本相当.图2(b)为RPC中不同掺量高温RHA替代硅灰后对其强度的影响趋势,结果表明掺入33.3%高温稻壳灰的BH3组RPC的早期强度高于其他对比组，且呈现稳定的上升趋势.表明不论是低温稻壳灰还是活性较低的高温稻壳灰，两者与硅灰在复掺作用下更能充分发挥其填充效应与火山灰效应，对活性粉末混凝土的抗压强度起到增强作用.

表4 RPC抗压强度试验结果

2.2 高、低温稻壳灰对RPC强度的影响

不同品种稻壳灰掺入RPC中对其强度的影响规律如图3所示.由图3(a)可以看出，相同的养护制度下，同一龄期、相同掺量的低温稻壳灰AH2、AH3组RPC的28 d抗压强度大于所有掺高温稻壳灰的BH组RPC试件的抗压强度，表明煅烧温度过高的高温稻壳灰(≥800 ℃)，由于活性SiO2会转变成结晶型从而降低稻壳灰的火山灰活性，这与文献[8]的研究结论一致.而低温稻壳灰(≤600 ℃)在一定掺量范围内，其掺量越大对RPC抗压强度的增长效果越为明显.图3(b)中显示不同品种稻壳灰对RPC抗折强度的影响规律，稻壳灰替代率为50%的AH3组的抗折强度仍然高于所有BH组，然而AH1组的早期抗折强度略低于所有BH组，其28 d抗折强度却高于相同掺量的高温稻壳灰BH1，表明低温稻壳灰掺入量更低即硅灰掺量更高的RPC试件在早期水化速度过快，混凝土在热养条件下内部的微裂纹愈合与开裂交替进行现象更为严重，致使掺低温稻壳灰的RPC试件有早期抗折强度不高，而28 d抗折强度较高温稻壳灰增幅较明显的现象.

2.3 高、低温稻壳灰对RPC折压比的影响

图4为试验采取100 ℃的热水养护方式、不同品种稻壳灰以相同比例等量替代硅灰时RPC的折压比(抗折强度与抗压强度的比值)发展曲线图.从图4中可以看出，在热养条件下，掺低温稻壳灰的RPC试件28 d折压比，与基准的RPC的折压比0.194相比，均有不同程度的提高；而掺入高温RHA的RPC试件，其折压比普遍较基准混凝土的折压比更低，且均低于掺低温RHA的活性粉末混凝土试件.由此表明掺低温稻壳灰的RPC试件无论掺量为多少，其折压比均比未掺稻壳灰试件、掺高温稻壳灰试件有所提高，原因在于低温稻壳灰潜在的活性SiO2更多，其产生的火山灰效应可以消耗更多的氢氧化钙，改善混凝土的内部结构，强化RPC中骨料、钢纤维与水泥浆的界面过渡区，与高温稻壳灰相比，低温稻壳灰掺入RPC中能减小混凝土界面过渡区的孔隙率，具有更致密的结构，从而能更好地改善RPC的脆性.

2.4 养护制度对RPC强度的影响

图5、图6为低温、高温稻壳灰以不同比例替代硅灰掺入RPC试件后，分别采用100 ℃热水养护(H)及90 ℃蒸汽养护(S)两种热养方式3 d后RPC的抗压、抗折强度发展对比柱状图.

由表5、图5(a)可知，热养制度下RPC的抗压强度略高于蒸养制度下的RPC试件，如H0组在热养制度下较蒸养条件下强度增加了6.5 MPa；掺入RHA的RPC试件在热养制度下的28 d抗压强度均高于蒸养条件下的RPC试件，这表明同一配比条件下，热养环境可显著加速RPC试件中粉煤灰、矿渣、硅灰及稻壳灰的火山灰反应[9]，生成大量低碱性水化硅酸钙，并降低Ca(OH)2的含量，因此热养生成的水化产物数量大于蒸养试件，即热养条件下的试件强度要大于蒸养制度下的试件强度.由图5(b)可知，不论高温稻壳灰的掺量为多少，热养制度下的RPC试件的抗压强度亦高于蒸养下的RPC强度，表明活性较小的高温稻壳灰掺入RPC试件中，在其微集料反应起主导作用的情况下，热水养护更有助于其填充RPC试件的毛细空隙，改善其微结构.从图6中可以看出：不同的热养方式对掺入稻壳灰后RPC试件的抗折强度影响规律并不明显，表明热养方式可能对其抗折强度影响不大，这可能是热水养护与蒸汽养护的传热介质不同所致[10]，两种养护条件下的混凝土内部温度都较高，而后者是蒸汽，当其遇到冷混凝土表面时，会立刻凝结成水，释放大量热量，由于混凝土内外温差过大，会在混凝土内部产生一定的温度应力，在混凝土内部产生较多原始温度微裂缝，从而对混凝土强度发展产生一定的不利影响，相比之下，热水养护下的传热均匀，因此对混凝土内部破坏力较小.

表5 不同养护制度下、不同品种RHA对RPC抗压强度的试验结果

3 结 论

(1) 高温、低温稻壳灰与硅灰在复掺作用下更能充分发挥其填充效应与火山灰效应，对活性粉末混凝土的抗压强度起到增强作用.

(2) 与高温稻壳灰相比，低温稻壳灰具有更高活性SiO2，在RPC中可以充分发挥其优异的火山灰效应，更有利于混凝土强度的增长.

(3) 掺低温稻壳灰的RPC，其折压比均高于未掺稻壳灰试件及掺高温稻壳灰试件，因此低温稻壳灰能更好地改善RPC的脆性.

(4) 采用100 ℃热水养护比蒸汽养护更有助于活性矿物掺合料填充RPC的毛细空隙，改善其微结构，对混凝土的抗压、抗折强度增长效果更为明显，且养护制度对抗折强度的影响要小于抗压强度.

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责任编辑：罗 联

Effect of Rice Husk Ash on the Strength of Reactive Powder Concrete

HELing-xia,YINJian*,TIANDong-mei,LIUYu-ying,RENHai-bo,SANGZheng-hui

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004 China)

This article via experiment data studies the law of development of RPC’s mechanical property after RHA(rice husk ash) replaced the silica fume with RHA under low /high temperature and different volume. By means of experiment data tests the law of development of green-environmental RPC’s mechanical property during different curing systems(which are heat water curing and steam curing).The result shows that among the reactive powder concrete, under the mixed environment of RHA and silica fume, RPC gets higher intense,and can improve the brittleness of RPC better.The study also finds that compared with the environment of 90 ℃ steam curing system, the RPC test group shows the obvious compressive strength against the reactive powder concrete under the 100 ℃ heat water curing system, but little effect on folding strength. So it has a guiding significance,not only RHA is applied to RPC as a green resource but also it has high performance in the same time,which can reduce the cost and realize resource recycling.

reactive powder concrete；strength；rice husk ash；curing systems

2015-11-05

湖南省科技厅工业支撑计划项目(2011GK3093)

尹健(1970—)，男，湖南 洞口人，教授，博士生导师. E-mail:csuyj700930@csu.edu.cn

TU528.041

A

1000-5900(2016)02-0023-06