不同细度稻壳灰对混凝土强度及自收缩的影响袁继峰;刘彬;董晓进【摘要】研究4种细度的稻壳灰在5％～30％的掺量下对混凝士的强度和早期自收缩的影响.结果表明,混凝土的28d抗压强度与保证混凝土抗压强度比不小于1oo％的最大掺量均随稻壳灰的特征粒径D50的减小而增大;稻壳灰孔结构的吸水性可对混凝土的强度发展和早期自收缩产生影响,且D50越大影响越明显;D50在2.96～21.06 μm时,稻壳灰可不同程度地抑制混凝土的早期自收缩,且其抑制程度随D50和掺量的增大而增大.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2015(041)006【总页数】5页(P143-147)【关键词】混凝土;稻壳灰;自收缩;抗压强度【作者】袁继峰;刘彬;董晓进【作者单位】南京理工大学泰州科技学院土木工程学院,江苏泰州225300;中建三局技术中心,湖北武汉430000;南京理工大学泰州科技学院土木工程学院,江苏泰州225300【正文语种】中文【中图分类】TU528.01随着煤炭、石油、天然气等资源的日渐枯竭,越来越多的生态电厂开始使用稻壳作为燃料进行发电.稻壳燃烧后产生的稻壳灰已经成为了国内外研究的热点.稻壳灰含有大量的活性SiO2[1],是一种理想的混凝土掺合料,其在水泥基材料中的应用研究已经相当广泛.欧阳东等[2-3]研究表明,稻壳灰的活性与烧结温度有关,低烧稻壳灰的SiO2活性不亚于硅灰的反应活性.稻壳灰对水泥基胶凝体系的增强作用极大地推动了稻壳灰在混凝土中的应用研究,相关研究[4-6]表明,稻壳灰可以改善新拌混凝土的和易性,增强硬化混凝土的力学性能和耐久性.Zhang,Malhotra[7]的研究表明,在混凝土中掺入30%的稻壳灰,混凝土的7、14、28、90 d的抗压强度都高于基准混凝土.Bhanumathidas等[8]将稻壳灰掺量提高到40%,结果表明稻壳灰混凝土90 d强度仍然比基准混凝土高.多篇文献也报道了稻壳灰的不足.I. K. Pong等[9]研究了稻壳灰对不同强度等级混凝土工作性能的影响,结果表明在达到相同工作性能时,掺入稻壳灰的混凝土需要更多的水,混凝土设计强度提高,稻壳灰混凝土的需水量也提高.Gemma Rodriguez de Sensale等[10]也认为,稻壳灰会影响混凝土的工作性能,要达到与基准混凝土相同的流动性,必须多添加0.3%～0.4%的高效减水剂.还有部分研究表明,稻壳灰对混凝土自收缩具有一定的抑制作用.Gemma Rodríguez de Sensale[11]等采用5%和10%的稻壳灰取代水泥,研究表明稻壳灰降低水泥浆体自收缩.叶光和V.T.Nguyen[12]的研究表明,添加20%平均粒径为5.6 μm的RHA可以抵消水化15 d后的超高性能混凝土的自收缩.虽已有大量稻壳灰在混凝土中的应用研究,但相关研究仍缺乏系统性和全面性,尤其是不同细度的稻壳灰对混凝土性能影响的规律仍需要进一步的研究.本文研究主要针对不同细度的稻壳灰,研究其在不同掺量时对混凝土的抗压强度和早期自收缩的影响规律,为稻壳灰的研究及应用提供一定的参考.水泥采用亚东水泥厂生产的P·O 42.5水泥,稻壳灰由试验室经580 ℃烧制而成,其化学组成如表1所示.将烧制的稻壳灰磨制成4种细度的磨细稻壳灰R1、R2、R3、R4,其粒度分布如图1所示,其平均粒径D50分别为21.06、12.84、7.13、2.96μm.1.2.1 胶砂试验按照GB/ T17671—1999 《水泥胶砂强度检验方法》进行水泥胶砂试验,并将磨细稻壳灰R1、R2、R3、R4均按照5%、10%、15%、20%、25%和30%的质量百分比取代水泥,检测其7 d和28 d的抗压强度.1.2.2 混凝土配制试验采用如表2所示的基准配合比,将磨细稻壳灰R1、R2、R3、R4均按照5%、10%、15%、20%、25%和30%的质量百分比取代水泥,检测混凝土拌合物的初始扩展度.混凝土试块成型规格为100 mm×100 mm×100 mm,检测其7 d和28 d 的抗压强度.1.2.3 混凝土自收缩测定采用由中国建筑科学研究院和舟山市博远科技开发有限公司开发的CABR-NES型非接触式混凝土收缩变形测定仪测定混凝土的早期自收缩,测试方法依据GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行,试验测定时间从混凝土初凝开始.测试过程中,混凝土表面由塑料薄膜密封,具体分为如下2套试验方案.1) 按照表2中的基准配合比,进行混凝土自收缩对比试验,其中,R1、R2、R3、R4均按照15%的质量百分比取代水泥,分2次进行测定,分别为：基准1、R1、R2；基准2、R3、R4.2) 按照表3所示的配合比进行试验,对比R2与矿粉(S95级,密度2.87 g/cm3,勃氏比表面积为4 500 cm2/g)、粉煤灰(Ⅰ级,密度2.51 g/cm3,45 μm筛余2.8%)对混凝土自收缩影响的差异,其中,稻壳灰与粉煤灰按照20%的质量百分比取代水泥.1.2.4 稻壳灰微观结构使用JSM-5610LV型扫描电子显微镜对未经粉磨的稻壳灰与粉磨后磨细稻壳灰进行微观形貌分析.为便于准确表征不同细度稻壳灰对混凝土抗压强度的影响规律,同时进行与混凝土试验相平行的胶砂的流动度和抗压强度试验.图2a、图2b分别为稻壳灰胶砂的7 d抗压强度比和28 d抗压强度比；图2c、图2d分别为稻壳灰混凝土的7 d抗压强度比和28 d抗压强度比.由图2可见,磨细稻壳灰对胶砂抗压强度比的影响与其对混凝土抗压强度比的影响规律基本一致.以磨细稻壳灰掺量为变量,抗压强度比曲线呈类抛物线形状,在水化28 d时磨细稻壳灰对抗压强度比的影响较为显著.由图2a可以看出,R1、R2、R3、R4的类抛物线顶点分别出现在掺量为20%、15%、10%、5%,而图2b反映出的混凝土28 d抗压强度比曲线的顶点分别出现在20%、15%、10%、10%,两者规律性基本一致.以上规律说明,保持抗压强度比不小于100%的情况下,磨细稻壳灰取代水泥的用量,根据其不同的细度,具有不同的最大取代量.由于R4的平均粒径较小,其取代量从5%~20%增加时,28 d混凝土抗压强度比呈逐渐增大的趋势;取代量达到30%时,其抗压强度比仍大于100%.R1和R2的平均粒径较大,其取代量大于10%时,随着掺量的增加,抗压强度比逐渐减小.因此,稻壳灰的掺量和细度是影响稻壳灰混凝土强度发展的重要因素.由图2a和图2c可见,在7 d龄期时,磨细稻壳灰掺量大于15%时,不同细度磨细稻壳灰的胶砂和混凝土抗压强度比,由大到小依次为R4、R3、R2、R1.由图2b和图2d可见,在28 d龄期、磨细稻壳灰掺量大于10%时,也表现出了同样的规律.说明磨细稻壳灰越细,其化学反应活性越高,对胶凝体系强度的提高程度越大；反之,当磨细稻壳灰的平均粒径较大时,甚至会降低胶凝体系的强度.由图2c可见,当磨细稻壳灰掺量为10%时,其7 d抗压强度比由大到小依次为R1、R2、R3、R4,与其掺量大于15%时的规律完全相反.原因分析：由稻壳灰粉磨前的微观形貌和粉磨后的微观形貌(图3)可以看出,稻壳灰在粉磨前,具有大量的孔结构,但经过机械粉磨后,大量孔结构被破坏.稻壳灰平均粒径越小,孔结构破坏越严重,即4种磨细稻壳灰的内部孔结构含量由大到小依次为R1、R2、R3、R4.稻壳灰的孔结构能够吸收浆体中的水分,导致浆体的有效水胶比降低,从而混凝土的工作性能和强度发展受到影响.由表4的数据可以看出,4种细度的磨细稻壳灰随着掺量的增大,混凝土的工作性能逐渐变差.磨细稻壳灰的平均粒径越小,其对混凝土工作性的影响就越小;反之,磨细稻壳灰的平均粒径越大,其对混凝土工作性的影响就越大.说明较粗的稻壳灰对水分的吸收较大,减少了拌合初期浆体中自由水的含量,降低了浆体的有效水胶比.因此,在水化7 d内,磨细稻壳灰的化学活性发挥程度尚较小,在磨细稻壳灰掺量较小时,有效水胶比起到了影响混凝土强度的主要作用.图2中胶砂强度比在磨细稻壳灰掺量为5%时也表现出了相同的规律.平均粒径较小的磨细稻壳灰的填充效果较好,有利于改善胶凝体系的密实度,因此,在水化7 d内,当磨细稻壳灰的掺量增加至15%以上时,浆体的密实度逐渐成为影响混凝土强度的主要因素,磨细稻壳灰对抗压强度比的影响规律也随之发生变化.综上分析可知,随着磨细稻壳灰细度、掺量以及混凝土养护龄期的变化,磨细稻壳灰对混凝土强度发展的影响也发生变化,甚至会出现规律性的颠倒.磨细稻壳灰对混凝土强度的影响机理主要有3个方面：磨细稻壳灰自身的化学活性、不同细度的填充性能和降低浆体有效水胶比.图4a为基准混凝土与掺加4种细度稻壳灰的混凝土在28 d龄期内的自收缩,其中,2个基准为2次测量的结果.图4b为单掺稻壳灰(R2)、矿粉和粉煤灰20%时混凝土早期自收缩的对比图.由图4a可以看出,掺加15%磨细稻壳灰的混凝土的早期自收缩均低于基准混凝土,说明D50在2.96~21.06 μm的磨细稻壳灰均可抑制混凝土的早期自收缩.掺加4种磨细稻壳灰的混凝土早期自收缩大小与其细度大小顺序一致,平均粒径越大,自收缩越小.原因分析：如2.1节中的分析,磨细稻壳灰平均粒径越大,其内部孔结构越多,稻壳灰的孔隙可将浆体中的部分水分吸收.在混凝土养护过程中,浆体中的水分逐渐被消耗,稻壳灰中储存的水分逐渐被释放,有效地降低了混凝土内部自干燥的速率和程度,从而有效地降低了混凝土的早期自收缩.R1的平均粒径最大,内部孔结构最多,因此其较R2、R3、R4储存的水分多,对混凝土内部自干燥的缓解较好,使混凝土早期自收缩较小;反之,R4的平均粒径最小,其早期自收缩最大.由图4中R2曲线对比可知,磨细稻壳灰R2掺量为20%时的混凝土早期自收缩较其掺量为15%时的早期自收缩小,说明增加磨细稻壳灰的掺量可降低混凝土的早期自收缩.由图4b可见,当取代水泥量为20%时,R2和粉煤灰对混凝土的早期自收缩均有抑制作用,且掺加R2的混凝土早期自收缩较掺加粉煤灰的小;但通过图4曲线对比可知,当R3和R4的掺量为15%时,其对混凝土早期自收缩的抑制程度较粉煤灰掺量为20%时的小.1) 混凝土28 d强度随磨细稻壳灰的特征粒径D50的减小而增大,并且以磨细稻壳灰掺量为变量,抗压强度比曲线呈类抛物线形状.在抗压强度比不小于100%的情况下,磨细稻壳灰越细,其最大掺量越大.2) 磨细稻壳灰的孔结构可吸收浆体中的水分,降低浆体有效水胶比,对混凝土的强度发展和早期自收缩产生影响;且D50越大,影响越明显.3) 磨细稻壳灰的特征粒径D50在2.96~21.06 μm时,可不同程度地抑制混凝土的早期自收缩,抑制效果与其细度和掺量有关.磨细稻壳灰越粗、掺量越大,对混凝土早期自收缩的抑制效果越明显.磨细稻壳灰D50>12.84 μm时,其对混凝土早期自收缩的抑制效果优于粉煤灰.【相关文献】[1] 欧阳东.稻壳新出路：制备混凝土用纳米SiO2 [J].中国农业科技导报,2003,5(5):62-65.[2] 欧阳东.纳米SiO2低温稻壳灰用于混凝土的研究 [J].新型建筑材料,2003,30(8):7-9.[3] FENG Qingge,YAMAMICHI H,SHOYA M,et al.Study on the pozzolanic properties of rice husk ash by hydrochloric acid pretreatment [J].Journal of Colloid and Interface Science,2004,34(3):521-526.[4] UZAL B,TURANLI L,YUCEL H,et al.Pozzolanic activity of clinoptilolite:A comparative study with silica fume,fly ash and non-zeolitic natural puzzling [J].Cement and Concrete Research,2010,40(3):398-404.[5] RAO G A.Development of strength with age of mortars containing silica fume [J].Cement and Concrete Research,2001,31(8):1141-1146.[6] 韩建国,阎培渝.凝聚态硅灰对低工作性混凝土强度发展历程的影响 [J].混凝土,2008(2):74-76.[7] ZHANG M H,MALHOTRA V M.High-Performance concrete incorporating rice husk ash as supplementary cementing material [J].ACI Matter J,1996,93(6):629-636.[8] BHANUMATHIDAS N,MEHTA P K.Concrete mixtures made with ternary blended cements containing fly ash and rice husk ash [C]//MALHOTRA V M.International conference proceeding seventh CANMENT.Chennai,India:CANMENT,2004:379-391. 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