張思雨,丁麗芳,姚雪濤
(河北建設集團股份有限公司混凝土分公司,河北 保定 071000)
我國水稻每年總產(chǎn)量為 2億多噸,占世界總產(chǎn)量的30%。而稻谷在加工過程中會產(chǎn)生約 20% 的稻殼,我國每年會產(chǎn)生 4000 萬噸以上的稻殼。大部分稻殼作為農(nóng)業(yè)廢棄物堆積或者在野外焚燒,對道路交通安全和生態(tài)環(huán)境造成極大的不良影響。因此,如何更加有效地利用稻殼,對解決上述問題都具有重要的意義。
隨著建筑行業(yè)的繁榮發(fā)展,混凝土需求和產(chǎn)量不斷增大,需要的礦物摻合料越來越多,傳統(tǒng)的粉煤灰、礦渣粉資源變得緊張,這些傳統(tǒng)的廢棄物也已變成稀缺資源,價格不斷飆升,尋求新的質(zhì)優(yōu)價廉的礦物摻合料勢在必行。
稻殼灰是一種性能非常好的火山灰活性材料,將稻殼灰作為混凝土摻合料進行利用,不僅可以節(jié)約熟料水泥,減少生產(chǎn)水泥時的 CO2排放量,還可避免稻殼堆積對環(huán)境的影響,節(jié)約耕地,改善環(huán)境。使用稻殼灰替代水泥在國內(nèi)已經(jīng)成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個研究方向,綠色環(huán)?;炷潦俏磥砘炷敛牧习l(fā)展的必然趨勢,研究稻殼灰代替水泥配制混凝土更是具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
本研究采用稻殼灰以不同細度和摻量取代部分水泥,通過水泥物理性能和水泥膠砂強度對比試驗,分析了稻殼灰取代水泥的可行性,為稻殼灰混凝土的研究提供參考依據(jù)。
2.1.1 試樣制備
因市售稻殼灰多為未經(jīng)處理的不均勻顆粒狀態(tài),故在試驗前要對稻殼灰進行粉磨均化處理,才能得到真正意義上可用于混凝土的稻殼灰。處理前后的對比照片詳見圖 1。
本項目采用米淇行星式球磨機對稻殼灰進行粉磨。行星式球磨機是針對粉碎、研磨粉體進行設計的,研磨產(chǎn)品最小粒度可至 0.1μm。其工作原理是利用磨料與試料在研磨罐內(nèi)高速翻滾,對物料產(chǎn)生強力剪切、沖擊、碾壓達到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。
圖1 原狀稻殼灰和粉磨之后的稻殼灰
通過激光粒度測試及 45μm 篩余來評價稻殼灰細度及粉磨時間對稻殼灰細度的影響,試驗結(jié)果見表 1。
表1 不同粉磨時間對稻殼灰細度的影響
由表 1 可以看出,隨著稻殼灰粉磨時間的延長,稻殼灰 D50 粒徑和 45μm 篩余均逐漸降低,稻殼灰越來越細,粉磨 20min 稻殼灰比原灰明顯細得多,但粉磨40min 的稻殼灰比粉磨 30min 的稻殼灰 45μm 篩余只下降 0.3%,也就是說粉磨達到一定時間,稻殼灰的細度很難再增加。從激光粒度分析和篩余結(jié)果來看,稻殼灰粉磨時間不宜超過 30min,粉磨時間過長只會造成能源浪費。
2.1.2 化學分析
通過 XRD 試驗可知該稻殼灰試樣的主要化學組成是 SiO2、低溫鈉長石、KCl,不含有對人體有害的組分,具體化學組成見表 2。
由表 2 可知,稻殼灰中的 SiO2含量在 70% 以上,理論上應具有良好的活性效應,結(jié)合 45μm 篩余結(jié)果與粉煤灰接近,可作為礦物摻合料替代粉煤灰,用于混凝土生產(chǎn),可以改善混凝土的性能。
表2 稻殼灰的主要化學組分 %
(1)水泥:選用河北京蘭 P·O42.5 水泥,主要性能指標見表 3、表 4。
表3 水泥的主要性能指標
表4 水泥的主要化學組分 %
(2)粉煤灰:選用保定大唐Ⅱ級粉煤灰,主要性能指標見表 5。
表5 粉煤灰的主要性能指標 %
(3)砂:保定滿城中砂,細度模數(shù) 2.6,屬于 Ⅱ區(qū)中砂,級配良好,其他性能指標見表 6。
表6 砂的主要性能指標
(4)水:飲用水。
本研究中膠砂試驗的目的是為稻殼灰混凝土研究提供參考,所以膠砂試驗所使用的原材料為常規(guī)混凝土所用品種,并未選用基準水泥和標準砂。
試驗依據(jù)為 GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》和 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》中相關規(guī)定。
礦物摻合料的細度對其性能的發(fā)揮至關重要,將粉磨時間為 0min、20min、30min、40min 的稻殼灰統(tǒng)一等質(zhì)量取代 15% 的水泥,對比分析粉磨時間對標準稠度用水量、凝結(jié)時間及抗壓強度的影響,編號記作D1、D2、D3、D4。
由于礦物摻合料自身不能發(fā)生水化反應,必須在有水泥熟料水化產(chǎn)生足夠數(shù)量的 Ca(OH)2條件下逐漸發(fā)揮其火山灰效應,所以,礦物摻合料替代水泥量是有一定限度的。為尋找稻殼灰的適宜取代范圍,將粉磨時間為 30min 的稻殼灰,等質(zhì)量取代 10%、15%、20%、25%、30% 水泥,對比分析稻殼灰摻量對標準稠度用水量、凝結(jié)時間及抗壓強度的影響,編號記作 D5、D3、D6、D7、D8。
將粉煤灰按 10%、15%、20%、25%、30% 的摻量等質(zhì)量取代水泥,并制備膠砂試件,與稻殼灰所制膠砂試件的強度作對比分析,編號記作 F1、F2、F3、F4、F5。
稻殼灰對水泥標準稠度用水量和凝結(jié)時間的影響結(jié)果見表 7,為便于觀察分析,依據(jù)表 7 繪制出趨勢圖,見圖 2~5。
表7 稻殼灰對水泥物理性能的影響
圖2 粉磨時間與標稠用水量的關系
圖2 表明:(1)稻殼灰的加入,增大了水泥標準稠度用水量,其中未經(jīng)粉磨的原狀灰對水泥標準稠度用水量的影響最大,比基準組增加 7%;(2)隨著粉磨時間的延長,水泥標準稠度用水量呈降低的趨勢;(3)粉磨 30min 與 40min 的稻殼灰水泥標準稠度用水量接近。
分析其原因,原狀灰顆粒大小不一,呈不規(guī)則形狀,其摻入增加了水泥的需水量;而粉磨過程在減小稻殼灰顆粒粒徑的同時改善了其顆粒表面形態(tài),使其產(chǎn)生類似于粉煤灰的滾珠效應,從而逐漸降低水泥的標稠用水量;粉磨 30min 和粉磨 40min 所得稻殼灰的顆粒區(qū)別很小,所以對標稠用水量的影響也很接近。
圖3 粉磨時間與凝結(jié)時間的關系
圖3 表明:(1)隨著粉磨時間的延長,初凝時間呈先增加后降低趨勢,但變化較平緩;(2)隨著粉磨時間的延長,終凝時間呈降低的趨勢,變化比較明顯;(3)原狀灰與粉磨 20min 稻殼灰的影響效果較為明顯,其他粉磨時間的稻殼灰對水泥凝結(jié)時間影響不大。
分析其原因,稻殼灰的摻入增大了水泥標準稠度用水量,從而導致了凝結(jié)時間的延長;稻殼灰的火山灰效應在水泥水化反應中后期才會被激發(fā),所以不同粉磨時間的稻殼灰對初凝時間影響區(qū)別不大;原狀灰和粉磨20min 稻殼灰因顆粒粒徑較大,活性較低,不能完全被激發(fā)參與水化反應,導致終凝時間延長較多。
圖4 稻殼灰摻量與標稠用水量的關系
圖4 表明:隨著稻殼灰摻量的增加,水泥標準稠度用水量呈增加的趨勢。
分析其原因,由于稻殼灰需水量高于水泥,所以隨著摻量的增長,需水量不斷增加。
圖5 表明:隨著稻殼灰摻量的增加,初凝與終凝時間均呈增長趨勢。
分析其原因,由于標準稠度用水量隨著稻殼灰摻量增加不斷增長,所以凝結(jié)時間被延長。
圖5 稻殼灰摻量與凝結(jié)時間的關系
表8 稻殼灰及粉煤灰對水泥膠砂強度的影響
圖6 和圖 7 表明:(1)原狀灰的摻入,使得水泥膠砂抗折和抗壓強度均大幅下降;(2)隨著粉磨時間的增加,水泥膠砂抗折和抗壓強度呈增長趨勢;(3)
稻殼灰對水泥膠砂強度的影響及粉煤灰對水泥膠砂強度的影響結(jié)果見表 8,為便于觀察分析,根據(jù)表 8 繪制出趨勢圖,見圖 6~9。粉磨 30min 稻殼灰與粉磨 40min 稻殼灰對水泥膠砂強度的影響接近。
分析其原因,未經(jīng)粉磨的原狀灰活性很難被激發(fā),無法補償所取代水泥的強度;隨著粉磨時間的增加,稻殼灰粒徑逐漸變小,活性增加,逐步參與到水化反應中,使得膠砂強度逐步增長;粉磨 30min 和粉磨 40min所得稻殼灰的顆粒區(qū)別很小,所以對膠砂強度的影響也很接近。
圖6 粉磨時間與抗折強度的關系
圖7 粉磨時間與抗壓強度的關系
圖8 不同摻量稻殼灰與粉煤灰的抗折強度對比
圖9 不同摻量稻殼灰與粉煤灰的抗壓強度對比
圖8 和圖 9 表明:(1)隨著稻殼灰摻量的增加,7d 抗折和抗壓強度呈下降趨勢;(2)隨著稻殼灰摻量的增加,28d 抗折和抗壓強度呈先增長后下降的趨勢;(3)在 15% 摻量時,28d 抗折和抗壓強度出現(xiàn)峰值。
分析其原因,由于稻殼灰的火山灰效應主要作用于后期水化反應,從而對早期強度貢獻較少,致使早期強度隨摻量增加而降低;在水化反應后期,稻殼灰中的SiO2在二次水化反應中能生成更多的 C-S-H 凝膠,并且也能更加密實的填充水泥砂漿內(nèi)部的孔隙,使得膠砂強度增長;同時隨著稻殼灰摻量的增加,則是相對降低了水泥砂漿中的水泥含量,致使強度下降,這兩種強度變化趨勢隨著稻殼灰摻量的增加而交替處于主導地位,致使水泥膠砂后期強度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,并在15% 摻量時達到最大值。
由圖 8 和圖 9 還可以看出:隨著摻量的增加,摻稻殼灰和摻粉煤灰的膠砂試件強度接近,且變化趨勢相似。說明稻殼灰對水泥膠砂強度的影響與粉煤灰相近,可以替代粉煤灰用作混凝土摻合料。
(1)稻殼灰取代部分水泥摻入后,會增加水泥的標準稠度用水量,延長凝結(jié)時間,其影響隨粉磨時間的增加而減小,隨稻殼灰摻量的增加而加大。
(2)稻殼灰取代部分水泥摻入后,其水泥膠砂強度隨粉磨時間的增加而增加,隨稻殼灰摻量增加呈先增大后減小趨勢。
(3)稻殼灰對水泥膠砂強度的影響與粉煤灰相近,可以替代粉煤灰用作混凝土摻合料。
(4)綜合考慮上述試驗結(jié)果,稻殼灰的最佳粉磨時間為 30min,最佳摻量為 15%。