掺稻壳灰泡沫混凝土的制备与性能研究

张 巍，王浩杰

(1.吉林大学基建处，长春 130021；2.沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110168)

0 引 言

稻壳灰(Rha)是利用稻壳进行燃料燃烧或生物质发电而产生的一种工业废渣[1]，随着我国农业发展水平的提高，这种工业废渣的存量呈现逐年升高的趋势，而处理这些工业废渣不仅需要消耗极大的人力和物力，还会造成严重的污染，如何将这些工业废渣进行循环利用一直是科技工作者关注的重点[2]。在中国城镇化进程快速推进和建筑工业高速发展的时期，水泥作为建筑主要原料不仅会消耗大量自然资源,还会造成极大的污染，如果将稻壳灰部分取代水泥用于制备掺稻壳灰的混凝土[3]，将可以在减少环境污染的基础上达到节省资源和降低成本的目的。要想把稻壳灰应用于实际建筑工业的混凝土制备中去，其添加量等对混凝土试件物性指标的影响规律及作用机理需要进一步了解[4-5]，虽然稻壳灰添加对混凝土密度、吸水率方面的研究已有相关报道，但是碱激发泡沫混凝土中掺加稻壳灰及其对性能的影响方面的报道较少。本文探讨了稻壳灰含量和泡沫体积占比对泡沫混凝土干密度、湿密度、吸水率、抗压强度和导热系数的影响，结果将有助于稻壳灰固体废渣在建筑混凝土中的应用。

1 实 验

共制备了两种泡沫混凝土：(1)水泥泡沫混凝土；(2)碱激发泡沫混凝土。其中，稻壳灰取代率分别为0%和10%，水灰比设定为0.3，泡沫体积占比分别为57.5%、65%和72.5%，水胶比为0.3。所采用的原料包括P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积24.5 m2/g的稻壳灰，密度2.86 g/cm3的连续级配石子，密度2.88 g/cm3的天然砂，OCBT-11型聚羧酸减水和AES发泡剂，碱性激发剂为模数1.2的水玻璃+氢氧化钠。

水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土试件的规格设计为10 cm×10 cm×10 cm，掺稻壳灰的水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土试件配合比见表1和表2。主要制备流程包括[6]：(1)将水泥/(矿粉+碱激发剂)、稻壳灰、减水剂和拌合水搅拌均匀得到净浆；(2)将发泡剂和水进行充分发泡得到泡沫，然后称取符合配合比的泡沫；(3)将净浆与泡沫进行低速搅拌并制备泡沫混凝土。

表1 掺稻壳灰的水泥泡沫混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of cement foam concrete mixed with rice husk ash

表2 掺稻壳灰的碱激发泡沫混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of alkali-activated foam concrete mixed with rice husk ash

在YES-2000型混凝土抗压强度试验机上，参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[7]进行抗压强度测试，加载速率为0.15 MPa/s；宏观形貌观察采用华为P30手机进行拍摄；根据JG/T 266—2011《泡沫混凝土》[8]标准进行干密度、吸水率测试；根据GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》标准进行导热系数测定[9]。

2 结果与讨论

表3为水泥泡沫混凝土的密度和吸水率测试结果。当稻壳灰含量为0%时，水泥泡沫混凝土的干密度和湿密度都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，而吸水率则随着泡沫体积比的增大而逐渐增加；当稻壳灰含量为10%时，水泥泡沫混凝土的干密度和湿密度同样都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，而吸水率则随着泡沫体积比的增大而逐渐增加。对比分析可知，掺稻壳灰并没有影响水泥泡沫混凝土的密度和吸水率变化规律[10]，且相同泡沫体积占比条件下，掺10%稻壳灰的水泥泡沫混凝土的干密度、湿密度和吸水率都相对更小。

图1为水泥泡沫混凝土的宏观形貌。可见，在不同的泡沫体积占比下，掺10%稻壳灰的水泥泡沫混凝土都较为致密，未见明显气孔等缺陷存在，结合表3的密度和吸水率测试结果可知，稻壳灰的添加有助于水泥泡沫混凝土中的孔隙封闭，并在一定程度上降低吸水率。

表3 水泥泡沫混凝土的密度和吸水率Table 3 Density and water absorption of cement foam concrete

图1 水泥泡沫混凝土的宏观形貌Fig.1 Macroscopic appearance of cement foam concrete

表4为碱激发泡沫混凝土的密度和吸水率测试结果。当稻壳灰含量为0%时，碱激发泡沫混凝土的干密度和湿密度都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，而吸水率则随着泡沫体积比的增大而逐渐增加；当稻壳灰含量为10%时，碱激发泡沫混凝土的干密度和湿密度同样都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，而吸水率则随着泡沫体积比的增大而逐渐增加。对比分析可知，掺稻壳灰并没有影响碱激发泡沫混凝土的密度和吸水率变化规律，且相同泡沫体积占比条件下，掺10%稻壳灰的碱激发泡沫混凝土的干密度、湿密度和吸水率都相对更小。此外，对比相同稻壳灰掺量的水泥泡沫混凝土可知，相同泡沫体积占比的的碱激发泡沫混凝土的干密度、湿密度和吸水率都相对更小。

表4 碱激发泡沫混凝土的密度和吸水率Table 4 Density and water absorption of alkali-activated foam concrete

图2为碱激发泡沫混凝土的宏观形貌。可见，在不同的泡沫体积占比下，掺10%稻壳灰的碱激发泡沫混凝土都较为致密，同样未见明显气孔等缺陷存在，结合表4的密度和吸水率测试结果可知，稻壳灰的添加同样有助于碱激发泡沫混凝土中的孔隙封闭[11]，并在一定程度上降低吸水率[12]。无论是水泥泡沫混凝土还是碱激发泡沫混凝土，稻壳灰的添加都不会降低混凝土致密度。

图2 碱激发泡沫混凝土的宏观形貌Fig.2 Macroscopic appearance of alkali-activated foam concrete

表5为水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土的抗压强度测试结果。当稻壳灰含量为0%时，水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，且相同泡沫体积占比下碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都更大；当稻壳灰含量为10%时，水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，且相同泡沫体积占比下碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都更大。可见，相同稻壳灰含量下，碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都要高于水泥泡沫混凝土。泡沫混凝土的抗压强度降低的主要原因在于泡沫混凝土中掺入泡沫而产生了孔隙，而碱激发泡沫混凝土中稻壳灰的掺加有助于提升抗压强度。

表5 水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土的抗压强度Table 5 Compressive strength of cement foam concrete and alkali-activated foam concrete

表6为水泥泡沫混凝土的干密度和导热系数测试结果，表中同时列出了导热系数标准值。当稻壳灰含量为0%时，水泥泡沫混凝土的导热系数随着泡沫体积比的增大而逐渐减小；当稻壳灰含量为10%时，水泥泡沫混凝土的导热系数同样随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，且相同泡沫体积占比条件下，掺10%稻壳灰的水泥泡沫混凝土的导热系数更小。此外，无论是稻壳灰含量为0%还是10%，水泥泡沫混凝土的导热系数都不满足JGJ/T 341—2014泡沫混凝土应用技术规程要求。

表6 水泥泡沫混凝土的干密度与导热系数Table 6 Dry density and thermal conductivity of cement foam concrete

表7为碱激发泡沫混凝土的干密度和导热系数测试结果，表中同时列出了导热系数标准值。当稻壳灰含量为0%时，碱激发泡沫混凝土的导热系数随着泡沫体积比的增大而逐渐减小；当稻壳灰含量为10%时，碱激发泡沫混凝土的导热系数同样随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，且相同泡沫体积占比条件下，掺10%稻壳灰的碱激发泡沫混凝土的导热系数更小。相较于掺稻壳灰的水泥泡沫混凝土，相同泡沫体积占比的碱激发泡沫混凝土的导热系数都相对更小。此外，无论是稻壳灰含量为0%还是10%，碱激发泡沫混凝土的导热系数都满足规范标准要求[13]。

表7 碱激发泡沫混凝土的干密度与导热系数Table 7 Dry density and thermal conductivity of alkali-activated foam concrete

3 结 论

(1)水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土的干密度和湿密度都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，而吸水率则随着泡沫体积比的增大而逐渐增加。对比相同稻壳灰掺量的水泥泡沫混凝土可知，相同泡沫体积占比的碱激发泡沫混凝土的干密度、湿密度和吸水率都相对更小。

(2)水泥泡沫混凝土和碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，且相同泡沫体积占比下碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都更大，相同稻壳灰含量下，碱激发泡沫混凝土的7 d抗压强度和28 d抗压强度都要高于水泥泡沫混凝土。

(3)水泥泡沫混凝土的导热系数随着泡沫体积比的增大而逐渐减小，且相同泡沫体积占比条件下，掺10%稻壳灰的水泥泡沫混凝土的导热系数更小。相较于掺稻壳灰的水泥泡沫混凝土，相同泡沫体积占比的碱激发泡沫混凝土的导热系数都相对更小。无论是稻壳灰含量为0%还是10%，水泥泡沫混凝土的导热系数都不满足规范标准要求，而碱激发泡沫混凝土的导热系数都满足规范标准要求。