电厂稻壳灰水泥砂浆流动度及力学性能研究

2020-03-15刘宜思庞建勇姜平伟

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年6期

刘宜思，庞建勇,2，姜平伟，苏强，张琴

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001)

稻壳中含有丰富的无定性SiO2，其经焚烧后得到的稻壳灰(Rice husk ash，RHA)富含纳米级SiO2[1]。纳米SiO2能与水泥的主要水化产生Ca(OH)2发生反应得到水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，提高水泥砂浆的力学性能，但纳米颗粒所具有较高的表面活性和火山灰效应，会降低水泥浆体的工作性能[2-4]。同时电厂汽化炉焚烧后的RHA作为一种生物质掺合料，并且是一种大量的可再生废弃资源。所以探究RHA在建筑材料上的合理应用，符合绿色建筑的发展理念。

文献[5]研究了稻壳在600℃条件下燃烧的产物，发现其中含有大量纳米级SiO2颗粒和蜂窝状孔隙，RHA具有高火山灰活性。文献[6]将低温RHA和矿物掺合料掺入水泥基材料，并对力学性能和微观结构进行了研究。文献[7]研究了水泥基在不同RHA掺量下的比表面积、凝结时间和力学性能，发现RHA的掺入会使水泥比表面积增加，降低其工作性能，延长凝结时间。文献[8]等研究了RHA混凝土的耐高温性能，发现掺入5%RHA的混凝土耐高温性能优于普通混凝土。

上述国内外学者主要研究了试验室控温条件下(低于600℃)焚烧获得的RHA在水泥基材料的微观形态以及强度等方面的应用，该环境下取得的RHA，焚化要求极高，且不易大量获取。所以本文特选取电厂(燃烧温度600～650℃)产RHA，以不同水灰比的水泥砂浆配合比为基准，用RHA代替部分水泥加入到水泥砂浆中。探究稻壳灰水泥砂浆(Rice husk ash cement mortar，RHA-CM)力学性能，为推动电厂RHA的应用，缓解RHA废弃物造成的环境压力提供试验基础。

1 试验设计

1.1 试验材料

RHA：湖北华电襄阳发电有限公司发电残余RHA，化学成分以SiO2(85.6%)为主，同时含有少量K2O(2.51%)CaO(2.44%)Fe2O3(0.56%)MgO(0.51%)。水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥；砂：标准砂；拌合水：自来水。

1.2 试验方法

1.2.1试验配合比设计试验

设定RHA掺量设置为凝胶材料(RHA+水泥)总质量的5%、10%、15%共3个梯度，并设置不掺RHA的空白组作为对照。同一RHA掺量试验组设置4个不同水灰比，分别为0.5、0.54、0.58、0.62。其他条件保持一致，计算所得配合比如表2所示。

表1 RHA-CM试验配比

表2 RHA-CM试验结果

1.2.2试件制作及测试方法

1)流动度的测量与需水量比的确定

将水泥砂浆搅拌，入模，然后利用捣棒从外向内均匀振捣10次；然后启动跳桌，以一次/s的频率跳动25次；跳动结束后，对水泥砂浆底面取最长直径及与之垂直的直径进行测量，计算其平均值(取整数)。所得结果即为水泥砂浆的流动度。

由于RHA在水泥砂浆中的吸水作用未知，故设计不同水灰比以观察不同稻壳灰掺量下的水泥砂浆流动度，以确定稻壳灰掺量与需水量比的关系。参照规范GB/T 18736-2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》中矿物掺合料需水量的实验方法，RHA-CM需水量比的确定方法为：以受检水泥砂浆流动度在基准水泥砂浆流动度±5mm范围内时所加入的拌和水量为用水量，即

(1)

式中：Rw表示受检水泥砂浆的需水量比，%；Wt表示受检水泥砂浆的用水量，g；225为基准水泥砂浆的用水量，g。

2)水泥砂浆试件的制备与养护

每一种配合比各制作6块40mm×40mm×100mm的试件用于测试其抗折强度，6块100mm×100mm×100mm用于测试其抗压强度。试块于20℃恒温条件下放入饱和Ca(OH)2溶液中养护，并在7d和28d的时测试其力学性能。

1.3 试验结果

2 试验结果分析

2.1 流动度分析

从图1可以看出，对同一RHA掺量的水泥砂浆，随着水灰比的增大，水泥砂浆的流动度也逐渐增加，而水灰比一定的水泥砂浆，随RHA掺量的增加，其流动度逐渐降低。这主要是由于RHA活性较高，掺入到水泥砂浆后会促进水泥水化反应的速率，消耗了较多RHA-CM中的自由水；同时RHA颗粒的巨大比表面积以及蜂窝状结构造成其较强的吸水性，减少了RHA-CM中的自由水含量。因而在较低水灰比环境下，RHA-CM的工作性能受到不利影响，流动度降低。

图1 不同RHA掺量下水灰比与流动度

同时在图1中发现，标准水泥砂浆(RHA掺量为0，水灰比0.5)的流动度为224mm。而N-1、A-2、B-3与C-4的流动度基本处于同一水平线上，即RHA掺量分别为5%、10%和15%时，水灰比分别为0.54、0.58和0.62可以使相应RHA掺量的水泥砂浆与标准配比的水泥砂浆流动度基本一致。

2.2 力学性能分析

1) 抗折分析

从图2(a)～(b)中可以看出，水灰比超过0.54时，随着RHA掺量的增加，RHA-CM的7d和28d的抗折性能均得到了明显的提高，且0.54的水灰比以及10%掺量的RHA对其抗折性能的提高最为显著，其7d和28d抗折性能的提高较标准砂浆分别可达到12.4%和15.3%。同时可以看到，水灰比为0.5时，RHA的掺入对水泥砂浆抗折强度的影响并不明显，这主要由于水灰比过小，RHA的吸水作用导致水泥砂浆和易性较差，流动度降低，致使RHA-CM的工作性能下降，RHA的增强作用不明显。而当水灰比大于0.54时，由于含水量过大，流动度过高，不利于RHA-CM的硬化，导致其抗折强度呈下降趋势。

图2(c)为RHA-CM7d抗折强度和28d抗折强度的比值(在本文中简称为β)。从图中可以看出，在RHA掺量相同的情况下，β的变化趋势与7d及28d抗折强度基本一致。而在同一水灰比的情况下，随着RHA掺量的增加，β的值越来越低。β的值越大，代表其抗折强度的增加过程越稳定。可见相同RHA掺量的情况下，28d抗折强度越大，β越大，抗折强度的增长过程越稳定。而相同水灰比条件下，RHA的掺量越高，β越小，说明RHA对水泥砂浆抗折强度的增强过程稳定性具有负面作用，RHA的掺量越高，水泥砂浆强度增加过程的稳定性越差。

(a)7d抗折强度

(b)28d抗折强度

由此表明RHA的掺量与水灰比对水泥砂浆抗折性能的影响是交互的，所以借助Matlab数值计算软件，选取f(x,y)为28d的RHA-CM抗折强度目标函数，其中x为水灰比，y为RHA掺量(%)。得到曲面如图3及拟合公式(2)，并且拟合度较高，R2为0.934。并可以得到曲面峰值出现在为水灰比0.54，RHA掺量为10%位置处，此时本试验条件下的RHA-CM的28d抗折性能最优。

图3 28d抗折强度与水灰比及RHA掺量关系曲面图

f(x,y)=6.878+0.1877*x+2.303*y-

0.1557*x2+0.162*x*y-0.4732*y2(R2=0.934)

(2)

2)抗压分析

从图4可以看出，相同条件下的RHA-CM的7d抗压强度与28d抗压强度与相应的抗折强度变化基本一致，可以得到RHA对水泥砂浆的抗折强度值与抗压强度值有相近的增强作用。在此不再多做描述。

(a)7d抗压强度

(b)28d抗压强度

应用数值计算软件对RHA-CM的28d抗压性能进行曲面拟合，如图5所示，拟合曲面公式见式(3)。同样的得到在为水灰比0.54，RHA掺量为10%位置处，此时本试验条件下RHA-CM的28d抗压性能最优。

图5 28d抗压强度与水灰比及RHA掺量关系曲面图

f(x,y)=27.95+1.54*x+15.02*y-

0.9194*x2+0.9964*x*y-3.257*y2(R2=0.9734)

(3)

式中：x为水灰比，y为RHA掺量(%)，f(x,y)为28d抗压强度，R2为决定系数。

3 微观分析

从图6(a)中可以看到，电厂RHA中的大量无定性纳米级SiO2，均匀分散于水泥浆体中具有“微集料作用”，即起到细微集料的作用，改善水泥砂浆级配，将有害孔转化为无害孔[9-10]。同时，无定性SiO2在水泥水化过程与其主要产物Ca(OH)2进一步的反应生成C-S-H凝胶[11-12]，并为接下来生成的水化产物提供了成核点，使得C-S-H凝胶等直接影响水泥砂浆强度的物质能更好的连接在一起，提高RHA-CM内部的密实度[13]，从而提高RHA-CM的抗折强度与抗压强度。另外，RHA中的K+、Fe2+离子能够提高RHA-CM中的电解质浓度，加速硅酸盐组分的水化过程，有利于C-S-H凝胶的产生[14]，两种作用共同作用，使得水泥砂浆具有更好的力学性能。

(a)二次水化C-S-H凝胶 (b)15%RHA掺量图6 RHA-CM基体电镜照片

而当RHA掺量提高到15%及以上时，由于水化产物的总量限制，RHA的微集料作用无法很好的体现；相反的，大量RHA颗粒未发生水化反应，导致水泥砂浆之中存在较多的孔洞如图6(b)所示，进而导致水泥砂浆的力学性能下降。而从水灰比的角度看，当RHA掺量在5%～10%时，由于RHA蜂窝状的结构特点，导致其较强的吸水作用[15]，并且C-S-H凝胶也会增加RHA-CM的粘稠度。故而使得水灰比为0.5的RHA-CM流动度降低，和易性较差，进而造成力学性能的降低。而当水灰比大于0.54时，又会因为水灰比过大导致离析等不利影响，同样会降低RHA-CM的力学强度。因此，能使RHA在RHA-CM充分发挥增强作用的掺量应为10%，水灰比应为0.54。