稻壳灰混凝土的力学性能和耐久性研究.pdf

2 0 1 5年第 1 1期 l 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 0 1 5 NO 1 l No v e mbe r 稻壳灰混凝土的力学性能和耐久性研究 张 霄 ( 中铁十八局集 团第 四工程有限公司， 天津 3 0 0 4 5 6 ) 摘 要 ： 将稻 壳灰等量部分替代 水泥加入到混凝 土 中制备稻 壳灰 混凝土 ， 并对稻 壳灰 混凝土进行 7 d和 2 8 d龄 期的力学性能 、 抗 冻性能 、 抗氯 离子渗 透性 能和抗 酸侵 蚀性能的测试 。 结果表明 ， 稻 壳灰的加入能够显著地改善 混凝 土的 内部 结构 ， 使其更加 密 实， 从 而增 强 了稻 壳灰混凝 土的力 学性 能、 抗 冻性能 、 抗氯 离子渗 透性能和抗 酸侵 蚀性 能。 当稻壳灰的掺量 为 2 0 时 ， 混凝 土的性 能最佳， 此 时稻 壳灰对混凝土 的增 强效果最好 关键词 ： 稻 壳灰 ； 混凝土 ； 办学性 能； 抗冻性能 ； 抗 氯 离子渗透性能 ； 抗酸侵蚀性能 Ab s t r a c t ：T h e r i c e h u s k a s h f o r s a me a mo u t i s a d d e d i n t o c o n c r e t e f o r p r e p a r i n g r i c e h u s k a s h c o n c r e t e T h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a t 7 d a n d 2 8 d ，f r o s t r e s i s t a n c e ，c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d a c i d r e s i s t a n c e p r o p e r t i e s o f ri c e h u s k a s h c o n c r e t e a r e i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t a d d i n g r i c e h u s k a s h c a n i mp r o v e t h e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e ， wh i c h c a n f i n a l l y e n h a n c e t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， f r o s t r e s i s t a n c e ，c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d a c i d r e s i s t a n c e p r o p e rt i e s T h e m a x m u m p r o p e rt i e s o f ri c e h u s k a s h c o n c r e t e i s o b t a i n e d w i t h t h e 2 0 d o s a g e o f ri c e h u s k a s h a t t h i s t i me ， t h e s t r e n g t h e n d i n g e f f e c t s o f ric e h u s k a s h o n c o n c r e t e i s b e s t Ke y wo r d s ：Ri c e h u s k a s h ；Co n c r e t e ；Me c h a n i c a l p r o p e rti e s ；F r o s t r e s i s t a n c e p r o p e rt y ；Ch l o rid e p e n e t r a t i o n r e s i s t a nc e pr o p e r t y ；Ac i d r e s i s t a n c e p r o pe rty 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 1 9 1 0 4 0前 言 稻壳 是 稻 米 加工 后 的 副 产 品 ， 稻 米 在加 工 过 程 中会产生约 2 0 的稻壳。我 国每年水稻总产量为 5 亿 t ， 会产生 1 亿 t 的稻壳 。 占世界总产量的 5 0 t 。 在农 村 ， 除了极 少一部分稻壳用于发酵 、 田间肥料 外 ， 绝 大部分扔作 为废弃物浪费 了， 将其作为燃料 不 仅 造 成 资源 的浪 费还 会 污 染 环境 。 因此 ， 如 何 利 用稻壳废弃物成为建设绿色地球的重要一步。 研究 发 现 稻壳 中约 含有 2 0 的无 定 型硅 主 要集中在稻壳外表面 。通过控制燃烧条件制备的稻 壳灰具有 良好 的火山灰活性和微集料填充效应 且 具有价格低 、 来源广等优势。稻壳灰 的化学成分 、 结 构与硅灰非常相似 ，可成为硅灰 的良好替代品 ， 从 而 解 决建 筑 行 业 中资 源 能 源 短 缺 问题 和 混凝 土 绿 色功能化问题D - 5 1 。欧 阳东 6 1 分析了稻壳灰 的微观结 构 ， 结果表明 ： 稻壳灰 内含有 大量有 S i 凝胶离子非 紧密黏聚而形成的纳米尺度的孔 隙 这也是稻壳灰 具 有 火 山灰 活 性 的 主 要 原 因 。M S I s ma i l 和 A M Wa l i u d d i n m 的研 究 表 明 ， 稻壳 灰 的 细 度 对 混 凝 土 的 坍落度和密度有影响 混凝 土的坍落度 和密度会随 着稻壳灰掺量的增加而降低。冯庆革_8 】 等对不 同龄 期下稻壳灰混凝 土的强度特性和孔结构进行 了研 究 ， 结果表 明： 随着稻壳灰掺量的增加 稻壳灰混凝 土的强度显著增加 ，稻壳灰部分等量替代水泥后 混凝土 的孔结构得到显著改善 孔 隙率 降低 ， 从而 增 强 了混凝 土 的性能 。P C h i n d a p r a s i r t N 的研 究 则表 明， 稻壳灰的加入能显著提高水泥砂浆的抗硫酸盐 侵蚀性能。 在研 究以不同掺量 的稻壳灰等量替代水泥加 入 到混凝土 中 ， 制备出稻壳灰混凝土 ， 并在养护龄 期达 到 2 8 d时对其力学性 能 、 抗冻性能 、 抗氯离子 渗透性能和抗酸侵蚀性能进行了测试 。 1 试验 1 1 原材 料 采用 P O 4 2 5 R水泥 ， 其物理力学性能见表 1 ： 粗骨料为级配 良好的花岗岩碎石 。其 中 5 1 0 mm粒 径 占 3 0 ， 1 0 2 0 ram粒径 占6 0 ；细骨料采用细度 模数为 3 0的河砂 ； 外加剂采用聚羧酸高效减水剂 ， 其减水率为 3 0 ； 稻壳灰 由湖南某公 司提供 ， 经过 球磨机球磨后经 8 0 mm过筛，稻壳灰 的物理化学性 能如表 2和表 3所示。 表 1 水泥的物理力学性 能 一 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 1 1 期 混 凝 土与水 泥 制 品 总第 2 3 5期 表 2稻壳灰 的物理性能 S i O2 A1 2 03 Ca O F e 2 03 Na 2 0 K2 03 Mg O 1 _ 3 7 7 9 41 0 8 2 9 5 4 0 81 0 0 09 3 45 1 2 试 件成 型 和测 试 混凝土配合 比见表 4 。 水胶 比 0 4 0 ， 砂 率 4 0 ， 聚羧酸减水剂掺量 0 5 。混凝土的制备过程如下 ： 将水泥 、 粗细骨料 、 稻壳灰 混合放人搅拌机 中干 拌 2 m i n ； 加水和聚羧酸减水剂混合液搅拌 2 ra i n ； 将拌合物倒入模具， 使用电动振动台使拌合物在 模具 中密实 。 2 4 h后拆模 ， 将试件置于标准环境下养 护 ， 养护温度为( 2 0 1 ) ， 相对湿度为 ( 5 0 5 ) 。 表 4 混凝土配合 比 样品水灰砂率水泥 石 砂 水 减水 稻壳 编号 比 k g k g k g k g 剂 灰 1 0_ 4 0 4 0 5 00 1 05 0 70 0 2 O0 0 5 0 2 0 4 0 4 0 4 5 0 1 0 5 0 7 0 0 2 0 0 0 5 1 0 3 040 40 4 25 1 05 0 70 0 2 00 0 5 1 5 4 0 4 0 4 0 4 0 0 1 0 5 0 7 0 0 2 0 0 0 5 2 0 5 0 4 0 4 0 3 75 05 0 70 0 2 00 0 5 25 根据 G B T 5 0 0 8 l 一2 0 0 2 普通混凝土力学性能 试验方法标准 ，使用 MT S 一 8 0 0型电液式万能试验 机 和 Y A W一 3 0 0 0型微 机 控 制 全 自动 混 凝 土 压 力 试 验 机分 别 测 试试 件 的 抗折 强 度 、 抗 压 强 度 和劈 裂 抗 拉强度 。根据 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝 土长期 性能和耐久性能试验方法标准 ，分别测试试件 的 2 8 d抗冻性能和抗氯离子渗透性能 。根据 国际标准 A S T M C 2 6 7测试稻壳灰混凝土的抗酸侵蚀性能 。 2试 验 结果 2 1 力学 性能 稻壳 灰 混凝 土 在 不 同龄 期 下 的抗 折 强 度 、 抗 压 强度和劈裂抗拉强度见表 5 。 由表 5可知 ， 7 d时稻 壳灰混凝土 的抗折强度 、 抗压强度 和劈裂抗拉强度 与 空 白混 凝 土试 件 大 致 相 同 ， 表 明稻 壳 灰 的加 入 对 表 5 稻 壳灰 混凝 土的力学性能 早 期 强度 影 响不 大 。2 8 d时 ，相较 于 空 白混 凝 土试 件 ， 稻壳灰混凝 土的抗折强度 、 抗压强度 和劈裂抗 拉强度均有较大幅度的提高 ， 表明稻壳灰 的加入 可 显著提高混凝土的后期强度 。 2 8 d龄期时 ， 随着稻壳灰掺量 的增加 ， 混凝土的 力 学性 能 不 断增 强 。当稻 壳灰 掺 量 达 到 2 0 时 ， 抗 折强度 、抗压强度和劈裂抗拉强度均达到最大值 ， 分别提高了 1 6 5 、 2 6 1 和 3 1 1 。表明当稻壳灰 的掺量 达 到 2 0 时 。 稻壳 灰 对 混凝 土 的增 强 效 果 达 到 最强 1 o - 1 1 。 2 2抗冻 性能 采用快冻法来测量稻壳灰混凝土的抗 冻性能 ， 冻融循环次数为 2 0 0次。养护龄期达到 2 4 d时将稻 壳灰混凝土试件取出， 置于 1 5 2 0 的水中浸泡。试 验前将试件从水中取出 ， 擦去表面水后测量 白振频 率 ， 并称取质量 ， 作为评定抗冻性的起始值。每冻融 循 环 一 次历 时 2 4 h 试 件 中心 温 度 控 制 在( 一 1 7 2 ) 和( 8 2 ) 。 每冻融 2 5次循环将试件取出 ， 测量 自振频率和质量 ，计算质量损失率 和相对 动弹模 量 。经 2 0 0次 冻 融 循环 后 ， 稻壳 灰 混 凝 土 的质 量 变 化 率 和相对 动 弹模量 变 化率 如 图 1 所 示 。 由图 1 可 知 ， 随 着 冻 融 循 环 次 数 的增 加 试 件 内部 结 构 遭 到 破 坏 ， 从 而 吸收 的水分 不 断 增加 。期 间存 在 质 量 变 化率减小 的情况 ， 主要是因为在冻融过程中试件表 面有脱落。相较于空 白混凝土试件 ， 稻壳灰混凝土 的质量变化率较低 ， 表 明稻壳灰 的加入改善了混凝 土 内部结构 ， 使结构更加密实完整 ， 从而有效抵抗 了冻融循环过程 中的破坏 。稻壳灰混凝土试件的相 对动弹模量变化情况与质量变化情况相似 随着冻 融循环次数的增加 稻壳灰混凝土试件的相对动弹 模量不断降低 。冻融次数达到 1 2 5次 时 ， 空 白混凝 土试件的相对动弹模量降低到 5 7 ， 表 明此时试件 已受 到 严重 破 坏 ： 而 稻壳 灰 混凝 土 的相 对 动 弹模 量 变化情况较小 。 在 2 0 0次冻融循环次数时基本能保 证相对动弹模量大于 6 0 ， 即 2 0 0次冻融循环未完 全破坏稻壳灰混凝土试件。表明稻壳灰的加入可有 效改善混凝土结构 ， 使其具备更好的抗冻性能l 12 - 1 3 1 。 2 - 3 抗 氯离 子渗透 性 能 一 9 2一 采用 电通量法对 稻壳灰混凝 土的 抗氯离子渗透性能进行测试 。2 8 d龄期 时 ， 将 制 备 的 01 0 0 m mx 5 O mm 圆柱 体 稻 壳 灰混凝 土试 件取 出进行 饱水 处理 。 2 4 h后将饱水处理的试件取出，安装至 测 试 槽 中 。 在 测 试 槽 两 端 分 别 加 入 3 0 N a C 1和 0 3 m o l L 的 N a O H 溶 液 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张霄 稻壳灰混凝土的力学性能和耐久性研究 褂 皑 冻融循环次数， 次 ( a ) 槲 珊 ll 赣 根 霞 l O 0 8 O 6 0 4 0 0 5 O 1 0 O 1 5 0 2 0 0 冻融循环次数， 次 ( b ) 图 1 混 凝 土 抗 冻 性 能 测 试 结 果 在外加 6 0 V的电场下持续通电 6 h ， 并计算混凝土电 通量 ， 试验结果见表 6 。空白混凝土试件 6 h的电通 量值为 2 4 7 0 C，表明空白混凝土试件的氯离子渗透 性能为中等 。稻壳灰加入混凝土 中后 ， 抗氯离子渗 透性 能 得 到显 著 的改 善 ，试 件 的 电通量 均 降 到 2 0 0 0 C以下。 当稻壳灰掺量为 2 0 时 ， 其电通量降至 9 8 0 C 。试验结果表明 ， 稻壳灰 的加入改善 了混凝土 的 内部 结 构 使 混 凝 土 结 构 更 加 密 从 而 有 效 地 提 高了混凝 土的抗氯离子渗透性能_ l 4 】 。 表 6 混凝土抗氯离子渗透性 能试 验结果 2 4 抗 酸 侵蚀 性能 根据 A S T M C 2 6 7标准 将稻壳灰混凝土试件进 行抗 酸侵蚀测试 。在室温下 ， 将稻壳灰混凝土试件 置于3 的硫酸溶液中进行浸泡 ， 硫酸溶液每隔 1 0 d 更换 ， 9 0 d后测试并计算抗压强度损失率 、 质量损失 率和厚度损失率 结果见表 7 。试验结果表明 ， 稻壳 灰的加入能有效增强混凝土 的抗酸侵蚀性能 ， 其抗 压强度损失率 、 质量损失率和厚度损失率均低 于空 白混凝土试件 。当稻壳灰的掺量 为 2 0 时 ， 其损失 率达到最低 ， 表明此时稻壳灰混凝土的抗 酸侵蚀性 能最 佳 5 1 。 表 7混凝土抗酸侵蚀性能试验结果 2 5 孔 隙表 征 对稻壳灰混凝 土的力学性能和 耐久性测试表明 。稻壳灰的加人能 有效增强混凝 土的力学性能和耐久 性性能。取样品 1和样 品 4 ， 用压汞 法进行基体的孔 隙情况表征 ，混凝 土的孔 隙情况 如图 2和表 8所示 。 随着混凝土空隙率 的增加 压人样 品 中汞 的量 不 断增 加 达 到 最 大值 后压人的汞量 随着孔 隙的增加而 降低 。由图 2可 见 ， 当稻壳灰加入到混凝土中后 ， 基体的孔隙降低 ， 压入的汞量逐渐降低 。 由表8可知 空 白混凝土试件 的孔隙率为 2 1 7 ， 平均孑 L 径为 4 8 7 n m。 当混凝 土 中加入 2 O 的稻壳灰后 ， 孔 隙率和平均孔径均得 到 显著 改 善 ，孔 隙 率 和平 均 孑 L 径 分别 为 l 5 8 和 2 6 0 n m。可 见稻壳 灰 的加入 显著 改善 了混 凝土 的孑 L 结构 ， 使混凝土结构更加密实完整 ， 从 而增 强了混 凝土 的各 项性 能【 1 6 1 。 O2 0 O0 1 0 0 1 0 0 0 孔 径 n m 图 2 混凝土 的孔隙情况 表 8 混凝土的孔隙情况 2 6 微 观表征 通 过 扫 描 电镜 的 方 式 对 稻 壳 灰 混 凝 土 试 件 和 空白混凝土试件的微观形貌进行观测 ， 扫描电镜照 片如图 3所示。由图 3可知 ， 空 白混凝土微结构疏 松 ， 有 明 显孔 隙 和裂 缝 存 在 ， 且 C a ( O H) ： 可 以 明显 观测 到 ： 稻壳灰混凝土 的微观形貌更加完整 ， 无缺 陷和裂缝存在 ， 且水化硅酸钙含量显著增加 。表明 稻壳灰的加入对水泥水化有促进作用 ， 生成更多的 水化硅酸钙 ， 同时结构更加致密完整 ， 因而 能够 明 显改善混凝土的性能 。 一 93 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m