雙摻油菜秸稈灰分和硅粉對(duì)混凝土性能的影響

張強(qiáng)，劉保華,2*，劉巧玲，劉芳，黃偉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

雙摻油菜秸稈灰分和硅粉對(duì)混凝土性能的影響

張強(qiáng)1，劉保華1,2*，劉巧玲1，劉芳1，黃偉1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

針對(duì)油菜秸稈灰分混凝土早期強(qiáng)度較低的缺陷，利用硅粉的高火山灰活性和填充效應(yīng)，在普通混凝土中摻加油菜秸稈灰分的基礎(chǔ)上復(fù)摻硅粉，測(cè)試雙摻混凝土的力學(xué)性能和工作性能。結(jié)果表明：當(dāng)秸稈灰分的基準(zhǔn)摻量為20%時(shí)，隨著硅粉摻量增加，混凝土的黏聚性和保水性變優(yōu)；當(dāng)硅粉摻量為10%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到17.2 MPa，強(qiáng)度增加24%；當(dāng)秸稈灰分為20%、硅粉摻量為6%時(shí)，雙摻混凝土水膠比的最適范圍為0.5~0.6。關(guān) 鍵 詞：油菜；秸稈灰分；硅粉；混凝土；力學(xué)性能

長江流域的油菜生產(chǎn)面積和產(chǎn)量約占世界油菜種植面積和總產(chǎn)量的25%[1]。但大量秸稈資源被荒廢或者就地焚燒，秸稈有效利用率較低，造成資源的浪費(fèi)，并污染環(huán)境。有研究[2–3]表明，植物可以將土壤中稀薄的無定形的二氧化硅，通過生物礦化的方式，集中到植物秸稈中，且能通過一定處理方式，獲得活性二氧化硅。H. Biricik等[2]發(fā)現(xiàn)，將小麥秸稈置于570~670 ℃煅燒5 h后所得灰分，其二氧化硅含量可達(dá)73%，并具有一定火山灰活性，能夠改善混凝土性能。歐陽東等[3]研究發(fā)現(xiàn)，將稻殼置于600 ℃下焚燒，其灰分的二氧化硅含量可達(dá)91.7%，火山灰活性較高，對(duì)混凝土強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)作用，適于配制高強(qiáng)度混凝土。劉巧玲等[4]研究發(fā)現(xiàn)，油菜秸稈經(jīng)水洗處理后，在500 ℃煅燒5 h后所得灰樣，SiO2含量達(dá)到61.76%，與小麥稈、稻稈灰分的SiO2含量接近，具有一定水硬性活性。余其俊等[5]通過研究稻殼灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)摻加稻殼灰對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定的提高，當(dāng)?shù)練せ业膹?fù)摻量為20%時(shí)，混凝土強(qiáng)度值最高。

有研究[6–8]表明，當(dāng)混凝土摻加硅粉后，高活性硅粉與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成致密水化硅酸鈣凝膠，可提高混凝土早期強(qiáng)度。硅粉的填充效應(yīng)能提高水泥石的密實(shí)度，增加阻水作用，改善混凝土防滲性，提高混凝土的電阻率，減少鋼筋銹蝕。

筆者在利用油菜秸稈灰分替代部分水泥作為摻合料的基礎(chǔ)上，復(fù)摻硅粉，制備混凝土，分析復(fù)摻灰分和硅粉對(duì)混凝土工作性能、表觀密度、抗壓性能、劈裂抗拉性能及pH值的影響，探索硅粉的最佳摻量，研究水膠比對(duì)雙摻混凝土的影響，旨在為秸稈混凝土的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

油菜秸稈取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地，油菜品種為湘雜油1613，收獲后經(jīng)過細(xì)化和水洗，在電磁爐內(nèi)500 ℃煅燒5 h，得到秸稈成灰。油菜秸稈灰分的表觀密度2.98 g/cm3，SiO2含量61.76%。

硅粉為長沙博爾特建筑工程材料有限公司產(chǎn)品，SiO2含量為90%。

長沙坪塘牌P·C32.5級(jí)水泥。天然河沙，中砂。卵石，最大粒徑為20 mm，連續(xù)級(jí)配。

1.2 方 法

沿用課題組前期研究成果，即當(dāng)油菜秸稈灰分內(nèi)摻達(dá)到20%時(shí)，混凝土性能最優(yōu)[9]。以此作為秸稈灰分摻量基準(zhǔn)，分別進(jìn)行復(fù)摻硅粉和以水膠比為變量的2項(xiàng)試驗(yàn)。

1) 確定混凝土水灰比為0.5，砂率為0.32，采用以 20%秸稈灰分等量替代水泥，在此基礎(chǔ)上分別復(fù)摻硅粉0、4%、6%、8%、10%，考察混凝土工作性能，測(cè)定表觀密度和抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。

2) 確定混凝土砂率為 0.32，秸稈灰分內(nèi)摻量為20%，硅粉復(fù)摻量為 6%，通過調(diào)整水的用量，考察水膠比對(duì)秸稈混凝土性能的影響。鑒于油菜秸稈灰分和硅粉吸水性極強(qiáng)，為了保證混凝土的和易性，考慮調(diào)大水膠比范圍，設(shè)計(jì)水膠比分別為0.5、0.55、0.6、0.65、0.7，考察混凝土的抗壓性能和劈裂抗拉性能。

混凝土配合比依據(jù)JGJ55—2002[10]；混凝土拌合物性能按GB/T 50080—2002[11]進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2002[12]規(guī)定測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙摻對(duì)混凝土工作性能和表觀密度的影響

雙摻混凝土工作性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土工作性能和表觀密度Table 1 Work performance and density of the double-mixed concrete

由表1可以看出，在油菜秸稈灰分摻量一定時(shí)，混凝土的坍落度隨著硅粉摻量的逐步增加先上升后降低，當(dāng)硅粉摻量為6%時(shí)，相比摻量為0、4%時(shí)坍落度分別增加了11和2 mm；當(dāng)硅粉摻量達(dá)到10%時(shí)，相比于6%時(shí)坍落度又減少了7 mm。基準(zhǔn)混凝土比無摻合料混凝土，黏聚性和保水性都得到了一定的改善。這是因?yàn)橛筒私斩捇曳治看?，在一定程度上約束了內(nèi)部水分。隨著硅粉用量的增加，混凝土的保水性和黏聚性有明顯的改善，這是因?yàn)楣璺鄣谋缺砻娣e大[6–9]，拌合過程中需水量較大，且混凝土大部分自由水分被硅粉顆粒約束，另外，硅粉的比表面積大于河沙，這就決定了混凝土在拌合過程中所需包裹硅粉的用水量遠(yuǎn)高于無摻合料混凝土，因而雙摻混凝土的流動(dòng)性減小。

由于油菜秸稈灰分密度與水泥密度相當(dāng)，所以無摻料混凝土與基準(zhǔn)混凝土表觀密度相差不大。隨著硅粉的增加，密度較基準(zhǔn)混凝土分別增加了18、23、30、42 kg/m3。這是因?yàn)楣璺劬哂刑畛湫?yīng)[9–13]，增強(qiáng)了混凝土的致密性，隨著硅粉的摻入，混凝土的表觀密度也隨之增大。

2.2 雙摻對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

雙摻混凝土力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示?；鶞?zhǔn)混凝土中內(nèi)摻硅粉7、28 d后，抗壓強(qiáng)度隨著硅粉摻量增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)硅粉摻量為 10%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值，較基準(zhǔn)混凝土7、28 d分別提高了32%和24%。硅粉有較強(qiáng)的火山灰活性，能夠與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成高強(qiáng)度的硅酸鈣 C—S—H凝膠，同時(shí)，硅粉比表面積大，在微集料效應(yīng)下，填充混凝土內(nèi)部孔隙，其二次水化產(chǎn)物也能填補(bǔ)混凝土凝膠體中的有害孔隙，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)[13–14]。另外，油菜秸稈灰分中的活性SiO2，能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，生成水硬性凝膠體，增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度。

表2 雙摻混凝土的力學(xué)性能Table 2 Mechanical performance of the double-mixed concrete MPa

在基準(zhǔn)混凝土中復(fù)摻硅粉，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著硅粉摻量的增大而呈上升趨勢(shì)?？赡苁怯捎诮斩捇曳?、硅粉等比表面積大，能提高混凝土的致密性，減少混凝土界面孔隙，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但是貢獻(xiàn)度較小[14–15]。

隨著硅粉摻量不斷增加，混凝土凈漿的pH值不斷下降。這是由于秸稈灰分和硅粉有一定的活性，發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗水化產(chǎn)物Ca(OH)2，進(jìn)而降低了混凝土的pH值。

2.3 水膠比對(duì)雙摻混凝土力學(xué)性能的影響

表3結(jié)果表明，雙以水膠比0.5的混凝土作為基準(zhǔn)，摻混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉性能隨著水膠比的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為 0.65和 0.70時(shí)，混凝土強(qiáng)度增幅較小。即雙摻混凝土水膠比的最適區(qū)域?yàn)?.5~0.6，當(dāng)水膠比超過0.6時(shí)，混凝土力學(xué)性能較差。這是由于用水量過大，水化作用時(shí)間增加，造成水化物固相填充的孔隙較多；當(dāng)水泥用量較少時(shí)，水化生成的氫氧化鈣含量減少，使得摻合物與之發(fā)生的反應(yīng)不完全，影響混凝土凝膠強(qiáng)度生成，進(jìn)而造成秸稈混凝土力學(xué)性能較差。

表3 不同水膠比下混凝土力學(xué)性能Table 3 Mechanical performance of the double-mixed concrete with different water-cementitious material ratios MPa

3 結(jié) 論

混凝土坍落度隨著硅粉摻量的增加呈先上升后下降的的趨勢(shì)，硅粉的增加，改善了混凝土的粘聚性和保水性，混凝土表觀密度也得到提高。

在摻加秸稈灰分基準(zhǔn)上復(fù)摻硅粉，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯增大，但劈裂抗拉強(qiáng)度增長不大，當(dāng)硅粉摻量超過 6%時(shí)，油菜秸稈混凝土能基本應(yīng)用于建筑墊層、農(nóng)業(yè)設(shè)施建筑及農(nóng)業(yè)保水溝渠等[16]。

雙摻混凝土最適水膠比范圍為0.5~0.6，當(dāng)水膠比超過0.6時(shí)，混凝土力學(xué)性能較差。

[1] 傅廷棟，周永明．油菜遺傳改良與生物柴油[J]．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(增刊)：25–28．

[2] Bricik H，Ak?z F，Berktay I，et al．Study of pozzolanic properties of wheat straw ash[J]．Cement and Concrete Research，1999，29：637–643．

[3] 歐陽東，陳楷．低溫焚燒稻草灰的顯微結(jié)構(gòu)及其化學(xué)活性[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2003，31(11)：1121–1124．

[4] 劉巧玲，劉保華，張強(qiáng)，等．灰化條件對(duì)油菜秸稈灰分特性的影響[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，39(1)：107–110．

[5] 余其俊，趙三銀，馮慶革，等．活性稻殼灰對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性能的影響[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(2)：15–19．

[6] Murat P，Erdogan O，Ahmet O．Appraisal of long-term effects of fly ash and silica fume on compressive strength of concrete by neural networks[J]．Construction and Building Materials，2007，21(2)：384–394．

[7] 李國柱．硅粉混凝土的性能研究[J]．水泥與水泥制品，1999(3)：19–21．

[8] 陳兵，姚武，李悅．微硅粉在混凝土工程中的應(yīng)用[J]．新型建筑材料，2000(11)：5–7．

[9] 劉巧玲．秸稈基混凝土的性能研究[D]．長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，2013．

[10] JGJ55—2000，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]．[11] GB/T 50080—2002，普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[12] GB/T 50081—2002，普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) [S]．

[13] 馮乃謙．高性能混凝土[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996：152–157．

[14] 李清富，孫振華，張海洋．粉煤灰和硅粉對(duì)混凝土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J]．混凝土，2011(5)：77–79．

[15] 王社良，于洋，張博，等．粉煤灰和硅粉對(duì)再生混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究[J]．混凝土，2011(12)：53–55．

[16] 劉巧玲，劉保華．秸稈基建材研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]．生物災(zāi)害科學(xué)，2013，36(4)：448–450．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Effect of rape straw ash and silica fume admixture on concrete performance

ZHANG Qiang1，LIU Bao-hua1,2*，LIU Qiao-ling1，LIU Fang1，HUANG Wei1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

Based on its high ash activity and filling effect, silica fume was added in ordinary concrete which was formerly added with rape straw ash to solve the problem of low early strength of the rape straw concrete, and the work and the mechanical performance of the double mixed concrete were investigated. The results showed when rape straw ash content was 20%, the cohesive properties and the water retention properties become better with increasing content of silica fume; when the silica fume content was 10%, the compressive strength of the concrete reached 17.2 MPa, which was increased by 24%; when the rape straw ash content was 20% and the silica fume content was 6%, the optimum range of water-cementitious material ratio of the double mixed concrete was 0.5–0.6.

rape; straw ash; silica fume; concrete; mechanical performance

TU528.041

A

1007?1032(2014)03?0334?03

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.022

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–10–28

湖南省政府重大專項(xiàng)(湘府閱[2012]35號(hào))

張強(qiáng)(1988—)， 男，湖南永州人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究，250259887@qq.com；*通信作者，liubaohua220 @sohu.com