肖力光，岳喜智

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

地鐵工程是一項(xiàng)百年工程，由于地鐵工程的主體結(jié)構(gòu)部分位于地下，對混凝土的力學(xué)及耐久性能有著較高的要求。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年的稻殼產(chǎn)量數(shù)以千萬噸。稻殼灰是稻殼經(jīng)過燃燒后得到的農(nóng)業(yè)廢料[1]，主要成分是無定形SiO2，其含量高達(dá)87%～97%，可以充分發(fā)揮其較高火山灰活性[2]，作為新型優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料使用[3]，制備綠色高性能混凝土[4]。

本文以吉林當(dāng)?shù)仉姀S焚燒所得的稻殼灰為原料，過濾球磨后，以等質(zhì)量替代水泥摻入混凝土中，利用正交實(shí)驗(yàn)探究了稻殼灰等礦物摻合料及玄武巖纖維對混凝土力學(xué)及抗?jié)B性能的影響[5-6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

P·O42.5普通硅酸鹽水泥(其主要的物理性能見表1)、Ⅱ級粉煤灰(FA)，均為吉林長春亞泰集團(tuán)生產(chǎn)；礦渣(S)，吉林通鋼集團(tuán)礦渣微粉；稻殼灰(RHA)，吉林電廠鍋爐焚燒產(chǎn)生的稻殼灰，以上摻合料化學(xué)組成見表2；人工碎石、天然河砂均取自吉林地區(qū)；液體聚羧酸高效減水劑(固含量為35.5%，減水率25%)；玄武巖纖維，吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司生產(chǎn)，性能參數(shù)見表3；水為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自來水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 水泥、粉煤灰、礦渣、稻殼灰化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of cement，fly ash，slag and rice husk ash

表3 玄武巖纖維的主要性能參數(shù)指標(biāo)Table 3 Main performance parameters of basalt fiber

HJW-60型單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)；SYMΦ500×500型行星球磨機(jī)；YES-3000型混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)；SBY-60型恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱；HP-4.0型數(shù)顯混凝土抗?jié)B儀；TM3030型掃描電子顯微鏡；Ultima IV型多晶粉末X-射線衍射儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稻殼灰、礦渣、稻殼灰經(jīng)機(jī)械球磨20 min進(jìn)行磨細(xì)處理。

粗集料，采用吉林地區(qū)人工碎石，級配連續(xù)，粒徑為5～25 mm。細(xì)集料為吉林地區(qū)天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.62的中砂，含泥量為 1.4%。減水劑采用液體聚羧酸高效減水劑，固含量為35.5%，減水率為 25%。纖維采用18 mm玄武巖纖維。

1.2.1 摻合料和砂率的最佳配比實(shí)驗(yàn) 研究經(jīng)機(jī)械球磨20 min的稻殼灰、粉煤灰、礦渣礦物摻合料等量替代水泥對混凝土性能的影響，設(shè)計(jì)稻殼灰、粉煤灰、礦渣、砂率作為4種影響因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，探究混凝土的力學(xué)性能，確定礦物摻合料和砂率的最佳配比。

1.2.2 玄武巖纖維摻量實(shí)驗(yàn) 在正交實(shí)驗(yàn)的最佳配比基礎(chǔ)上，研究玄武巖纖維摻量(采用外摻法，體積摻量0.05%，0.1%，0.15%，0.2%)對混凝土力學(xué)性能的影響。

1.2.3 混凝土抗?jié)B性能 通過滲水高度法研究空白基準(zhǔn)組、最佳配比組及摻玄武巖纖維最佳配比組對混凝土抗?jié)B性能的影響。

以上試件均在標(biāo)養(yǎng)28 d的環(huán)境條件下，測試試件的抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能。

1.3 性能測試

1.3.1 混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn) 按照 GB/T 50081《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件尺寸為 100 mm×100 mm×100 mm (強(qiáng)度值乘尺寸換算系數(shù)0.95)，進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后使用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)，3個(gè)為一組，取其平均值。

1.3.2 混凝土抗?jié)B透性能測試 按照GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗?jié)B實(shí)驗(yàn)。試件采用175 mm×185 mm× 150 mm 的圓臺(tái)體通過滲水高度法進(jìn)行抗?jié)B實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用數(shù)顯混凝土抗?jié)B儀。

1.3.3 微觀分析 采用臺(tái)式掃描電子顯微鏡(SEM)對混凝土試塊進(jìn)行微觀分析。采用多晶粉末X-射線衍射儀進(jìn)行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻殼灰的表征

稻殼灰(RHA)的XRD見圖1、SEM見圖2。

圖1 稻殼灰XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of rice husk ash

由圖1可知，稻殼灰2θ=22.02，28.54，31.44，36.20°出現(xiàn)了顯著的SiO2的特征衍射峰 。通過JADE6.5軟件計(jì)算得出，稻殼灰中的晶態(tài)SiO2含量和非晶態(tài)SiO2含量為22.63%和51.35%，說明稻殼灰具有較高的活性。

圖2 稻殼灰微觀SEM圖Fig.2 SEM diagram of rice husk ash

由圖2可知，稻殼灰的微觀形貌是一種疏松多孔的狀態(tài)，為松散的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)含較多中空的孔洞。

2.2 配比正交實(shí)驗(yàn)

采用4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見表4，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 4 Level table of orthogonal test factors

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交實(shí)驗(yàn)組與空白組的比較Table 6 Comparison between the orthogonal test group and the blank group

由表5可知，影響地鐵混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的因素依次分別是C>D>A>B，即稻殼灰>砂率>礦渣∶粉煤灰>礦渣+粉煤灰。說明了稻殼灰對強(qiáng)度的影響最大。最佳組合為A2B1C2D3，即最佳配合比為稻殼灰取代率為10%，粉煤灰取代率10%，礦渣取代率10%，砂率40%，即4#實(shí)驗(yàn)，28 d的抗壓強(qiáng)度為64.6 MPa，相比較空白基準(zhǔn)組的28 d強(qiáng)度提升了21.89%。抗壓強(qiáng)度提升較為明顯，這是因?yàn)槿N礦物摻合料活性較高，其中稻殼灰的SiO2含量高達(dá)82.75%，三種摻合料相互拌合提高了SiO2含量，可以充分的發(fā)揮其火山灰活性。實(shí)驗(yàn)所使用的稻殼灰的煅燒溫度在500～700 ℃，也可以有效提高稻殼灰的活性[7]。同時(shí)各摻合料進(jìn)行了充分研磨，形成了良好的顆粒級配，能夠更加充分的填充混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土內(nèi)部更加致密，加上粉煤灰的玻璃微珠狀，稻殼灰的中空蜂窩狀，都可以更好地改善內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土內(nèi)部更為致密，從而有效地提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.3 纖維的摻量與摻合料共同作用下對抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為玄武巖纖維摻量對混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響。該實(shí)驗(yàn)是在正交實(shí)驗(yàn)最佳配合比基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

圖3 玄武巖纖維摻量對混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of basalt fiber content on 28 d compressive strength of concrete

由圖3可知，隨著玄武巖纖維的摻量增加，混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出了先增長后下降的趨勢，當(dāng)纖維摻量超過0.1%時(shí)，強(qiáng)度開始降低。當(dāng)玄武巖纖維的體積摻量為0.1%時(shí)強(qiáng)度最高，為66.6 MPa，相比于空白組強(qiáng)度增長了25.67%，相較于正交最佳配合比組增長了3.1%，同時(shí)4組強(qiáng)度均高于空白組。結(jié)果表明，摻入適量的玄武巖纖維可以增加混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是總體的影響并不明顯。

這是因?yàn)楫?dāng)纖維的摻量適中時(shí)，由于玄武巖纖維具有彈性模量高的特性，同時(shí)纖維對周圍的裂紋的擴(kuò)展有限制與延緩的作用[8]，在進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，纖維受力變形，消耗能量，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)纖維摻量過高時(shí)，由于纖維在混凝土內(nèi)部的亂向分布，同時(shí)過多的玄武巖纖維會(huì)使砂漿減少，起不到很好地包裹作用，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不致密，降低了混凝土的密實(shí)度，導(dǎo)致了強(qiáng)度的降低。

2.4 纖維摻量與摻合料共同作用下對抗?jié)B性能的影響

純水泥的空白組，正交實(shí)驗(yàn)得到的最佳配合比組(砂率40%，稻殼灰取代率10%，粉煤灰取代率10%，礦渣取代率10%)以及在最佳配比下加入體積摻量為0.1%玄武巖纖維組混凝土的抗?jié)B性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 抗?jié)B實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Anti-permeability test results

由表7可知，與空白組相比，其余兩組的抗?jié)B性能均有著可觀的提升，摻玄武巖纖維的一組抗?jié)B效果最優(yōu)，提升了55.67%。這說明活性摻合料的優(yōu)良級配使混凝土內(nèi)部更加致密，加上玄武巖纖維在混凝土中的分散性，當(dāng)纖維在混凝土中分散均勻，使之與混凝土有著很好的黏結(jié)性，從而大幅提高了混凝土的抗?jié)B性。

2.5 微觀分析

空白組、正交最佳配合比組、摻玄武巖纖維正交最佳配合比組混凝土的28 d微觀電鏡圖見圖4～圖6。

圖4 空白組混凝土SEM圖Fig.4 SEM of blank group concrete

圖5 正交最佳配比組混凝土SEM圖Fig.5 SEM diagram of orthogonal optimal ratio group of concrete

圖6 摻玄武巖纖維的最佳配合比組SEM圖Fig.6 SEM figure of the optimal mix ratio group of basalt fiber

由圖4可知，空白組28 d混凝土內(nèi)部存在著裂縫，這不利于混凝土強(qiáng)度的提升，同時(shí)在界面過渡區(qū)周圍存在著大量的片狀Ca(OH)2，不利于水化產(chǎn)物晶體之間的連接，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)疏松不致密，使混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能表現(xiàn)不利。

由圖5可知，正交實(shí)驗(yàn)摻入礦物摻合料混凝土，玻璃微珠狀的粉煤灰被很好地包裹在混凝土內(nèi)部，水化產(chǎn)物產(chǎn)生了針狀鈣礬石，減少了Ca(OH)2的結(jié)晶體，降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，同時(shí)這組混凝土的界面過渡期的結(jié)構(gòu)緊密，包裹性良好，對強(qiáng)度和抗?jié)B性能有著一定改善的作用。

由圖6可知，摻玄武巖纖維的最佳配合比組，玄武巖纖維在混凝土內(nèi)部分布，同時(shí)因?yàn)樾鋷r纖維具有的高彈性模量的特性，對周圍的裂縫起到延緩和限制的作用，使試件在受壓時(shí)可以消耗能量，提升混凝土的力學(xué)性能。同時(shí)，摻入的活性摻合料充分發(fā)揮了填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，使混凝土內(nèi)部較為致密，對試件的強(qiáng)度和抗?jié)B性能的提升是有利的。

3 結(jié)論

(1)稻殼灰、粉煤灰、礦渣礦物摻合料等量替代水泥的最佳組合為：砂率40%，稻殼灰取代率10%，粉煤灰取代率10%，礦渣取代率10%。該配合比下得到的抗壓強(qiáng)度為64.6 MPa，相較于空白組提升了21.89%。滲水高度為5.2 cm，相比基準(zhǔn)組抗?jié)B性能提升了46.39%。說明了礦物摻合料的加入可以有效提升混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能。

(2)玄武巖纖維摻量在0.1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，為66.6 MPa，同時(shí)混凝土的抗?jié)B性最優(yōu)，滲水高度為4.3 cm，較基準(zhǔn)組抗?jié)B性能提高了55.67%。這說明適量的纖維摻量可以提升混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能。