稻壳灰对高强混凝土力学性能和耐久性影响评价

刘 铖 蓝志宇

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

稻壳灰是稻壳燃烧过程产生的植物灰。其SiO2含量非常高，具有非常好的火山灰活性，是建筑工程中有效的矿物掺合料，可用以改善混凝土的性能[1]。粉煤灰虽然价格较低，但影响混凝土早期强度；硅灰能够大大改善混凝土性能，但其价格较高，大大增加了混凝土的成本。相比较粉煤灰和硅灰等矿物掺合料，稻壳灰兼顾着经济性和有效活性的优点，具有不错的工程应用前景。

基此，针对稻壳灰作为混凝土掺合料，国内外学者进行了大量研究。郑传宝等[2]通过研究得出，稻壳灰会增加水泥的标准稠度用水量以及凝结时间。掺入10%～20%稻壳灰对混凝土的抗压强度最有利，尤其是混凝土的后期抗压强度。王凯英等[3]、王维红等[4]试验结果表明同时掺入硅灰和粉煤灰，可以改善稻壳混凝土的黏聚性、保水性和力学性能，比单掺粉煤灰效果更好。张继华等[5]、张颖等[6]将稻壳灰分别掺入至活性粉末混凝土和再生细骨料混凝土，亦取得了不错的改善效果。Chindaprasirt等[7]研究结果表明，稻壳灰能够明显改善水泥混凝土的耐久性。Chopra等[8]研究认为，稻壳灰能够显著改善混凝土的抗压强度，但会降低混凝土的抗氯离子渗透能力。

本文探讨并试验研究了不同稻壳灰掺合比例对高强混凝土力学性能及耐久性的影响。其中，稻壳灰掺合水平为总胶凝材料的质量百分比0%～25%。

1 试验概况

1.1 混凝土原材料

本试验的高强混凝土，采用以下材料制成：水泥、稻壳灰、硅灰、粗集料、细集料、水和减水剂。主要胶凝材料为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。掺入少量硅灰作为高强混凝土中填料，以有利于改善界面过渡区，形成更为致密的微观结构。采用10%～15%硅灰置换胶凝材料中的水泥组分，以利于提高混凝土的力学性能及耐久性。粗集料为天然碎石，粒径范围为4.75～9 mm，比重为2.678。细集料为砂，粒径范围为0～4.75 mm，比重为2.530。此外，选用液态聚羧酸高效减水剂参与试验。

稻壳灰一般指在控制温度低于800°C的情况下燃烧稻壳产生的植物灰。这个过程产生约25%的灰，含有80%～90%的SiO2和约5%的Al2O3，这使稻壳灰的火山灰含量很高。由于多孔RHA颗粒的吸收特性，掺有稻壳灰的混凝土在给定的稠度下需要更多的水，所以，本试验稻壳的最佳燃烧时间和温度分别控制为6h和660℃，试验结果表明，SiO2含量为84%。

1.2 配合比设计

在常规的水泥-硅灰二元胶凝体系基础上，用稻壳灰替代部分水泥，形成了水泥-硅灰-稻壳灰三元胶凝材料体系。本试验准备了6组高强混凝土配合比，水灰比控制为0.40，如表1所示。每组配合比工况下，控制其总胶凝材料、集料、水、减水剂质量分数一致。硅灰占对照组胶凝材料的10%，而稻壳灰占对照组胶凝材料的质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%和25%(表1中标注RHA代表稻壳灰质量分数)。

1.3 试样制备及养护

按设计混凝土配合比进行称量取料后，使用实验室小型混凝土搅拌机进行搅拌。搅拌时，先将水泥、硅灰、稻壳灰、集料等干料掺在一起搅拌2min，使混合物干料搅拌均匀；然后加减水剂和约75%水搅拌5min，再加剩余的25%的水搅拌3min，直至获得均匀的混凝土拌合物。

1.4 试验方法

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定硬化状态的混凝土7d和28d抗压强度；试件尺寸为100mm×100mm×100mm立方体，每组6个试样。此外，对于每种混凝土配比，准备了3个150mm×300mm的圆柱体试样来测定其28d弹性模量及劈裂抗拉强度(巴西试验)，每组3个试样。

取100mm×100mm×100mm的立方体试件经饱和水养护后，评估其单位重量。将试件于烘箱烘干燥24h后，放置于水中，进行短期吸水性试验，即15min混凝土试件的吸水量。每组3个试验，试验结果取其平均值。

快速氯离子渗透试验(RCPT)是评估混凝土在符合ASTM C1202标准的氯离子侵蚀下渗透的常用方法之一。它是目前国内常用的混凝土质量控制方法之一。即将试样按照标准方法储存在真空泵(混凝土饱水仪)中，保证标本的完全饱和。该方法通过将混凝土试样两端分别浸泡在NaCl与NaOH溶液内，并施加60V电压驱动电子运动，实时测量通过试样电流I，最终获得6h内通过厚度为50mm混凝土电荷量C。同样，每组混凝土配合比有3个试样，试验结果取其平均值。

表1 高强混凝土配合比设计

2 试验结果及分析

2.1 比重、抗压强度和弹性模量

试验分别测定了高强混凝土试块7d和28d的抗压强度，其结果如图1所示。由图1可以看出，稻壳灰含量为0%、5%、10%、15%、20%时，其抗压强度随稻壳灰含量的增加逐渐增大，但稻壳灰含量为25%时，其抗压强度反而较20%时减少。在相同的稻壳灰含量条件下，28d的抗压强度均明显大于7d，7d的抗压强度约为28d抗压强度的70%。从图2中可以看出，随着稻壳灰含量的增加，高强混凝土试块养护7d的弹性模量的变化趋势与抗压强度一致，也是随着稻壳灰含量的增加先增大后减少，但变化幅度较小。由此可知，稻壳灰含量为20%时为最佳值。而从图3中可以看出，随着稻壳灰含量的增加，高强混凝土试块的单位重量却逐渐减少。

图1 抗压强度试验结果

图2 弹性模量试验结果

图3 比重试验结果

2.2 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉强度是评价混凝土抗裂性能重要的力学指标。由不同稻壳灰含量对应的高强混凝土劈裂抗拉强度数据(图4)分析可知，随着稻壳灰含量的增加，其28d劈裂抗拉强度先增大后降低；当稻壳灰含量为20%时，劈裂抗裂强度达到最大；当稻壳灰含量进一步增加时，混凝土劈裂强度有降低的趋势。稻壳灰含量对高强混凝土影响趋势和对抗压强度及弹性模量表现一致。

图4 劈裂抗拉强度试验结果

2.3 短期吸水试验

稻壳灰含量对高强混凝土的短期吸水特征的影响如图5所示。由图5可以看出，随着稻壳灰含量的增加，其7d和28d的饱和吸水率逐渐降低，这可能是由于混凝土持续水化而导致的内部微观结构变得更为紧密；在相同稻壳灰含量条件下，7d的饱和吸水率明显大于28d的饱和吸水率。可见，随着龄期的增大，其饱和吸水率降低。

图5 吸水试验结果

2.4 快速冻融循环试验

不同稻壳灰含量的高强混凝土快速冻融循环试验结果如图6所示。据图6可知，随着稻壳灰含量的增加，其耐久性系数显著增大。当稻壳灰含量为15～20%时，其增大幅度较小。由此可见，稻壳灰的掺入，会大大改善高强混凝土在寒冷地区的冻融耐久性。

图6 快速冻融循环试验结果

2.5 快速氯离子渗透

氯离子的存在是引起结构内部钢筋腐蚀的最主要因素。氯离子一般从污染物质或外部来源(如海水)转移到混凝土中。混凝土中游离氯的含量取决于混凝土的物理和化学结构。稻壳灰含量对高强混凝土的抗氯离子渗透性能的影响如图7所示。从图7可以看出，随着稻壳灰含量的增加，其总电通量逐渐减少。由此可见，掺入稻壳灰会大大改善高强混凝土氯离子侵蚀能力。

图7 快速氯离子渗透试验结果

3 结论

基于稻壳灰作为高强混凝土的活性矿物掺合料，能兼顾着经济性和有效活性的优点，具有不错的工程应用前景和潜力，本文重点分析了稻壳灰的添加对高强混凝土的力学性能及耐久性的影响，结论如下：

(1)当稻壳灰含量在20%以内，稻壳灰含量增加能提高高强混凝土的抗压强度、弹性模量，但会降低其比重。

(2)当稻壳灰含量在20%以内，其含量增加能提高高强混凝土的劈裂抗拉强度。

(3)随着稻壳灰含量的增加，高强混凝土的饱和吸水率逐渐降低。

(4)稻壳灰有利于提高高强混凝土的抗冻融破坏能力，即耐久性系数明显增大。

(5)随着稻壳灰含量的增加，混凝土的电通量逐渐减少，表明其抗氯离子渗透能力大幅增强。