稻壳灰混凝土的性能研究进展.pdf

0引言随着全球经济的快速发展和人口的不断增长袁人们对基础设施和建筑物的需求量也不断增多遥 然而袁基于经济尧环境保护等要求袁混凝土用天然原材料出现了供应紧张的问题袁将建筑垃圾尧农业废弃物等应用于混凝土中是解决这一问题的有效途径之一遥 我国是农业生产大国袁每年产生大量的农业废弃物袁如水稻秸秆尧稻壳尧麦秸秆尧玉米秸秆等遥 目前袁大量的农业废弃物仍被直接堆放或焚烧处置袁尤其是在农村地区袁这不仅占用土地资源袁而且污染环境袁同时还存在潜在的火灾隐患1遥 因此袁加大农业废弃物的资源化利用力度不仅有利于环境保护袁而且符合我国的可持续发展要求遥较多的国内外研究人员发现袁稻壳中含有大量的无定形硅袁将稻壳在适当条件下进行焚烧制备出的稻壳灰具有较好的微集料填充效应和火山灰活性袁可取代粉煤灰尧矿渣等应用于混凝土中2袁改善混凝土的性能遥 此外袁掺稻壳灰的混凝土具有一定的反射阳光浅色的能力袁这在一定程度上能够降低建筑能耗3遥 可见袁将稻壳灰应用于混凝土中是稻壳资源化利用的有效途径之一遥本文主要介绍稻壳灰的制备方法和基本性质袁总结稻壳灰对混凝土耐久性能尧 力学性能和工作性的影响袁并对稻壳灰混凝土的未来研究方向进行展望袁以期为相关研究提供参考遥1稻壳灰的制备及其基本性质1.1稻壳灰的制备目前袁稻壳灰的制备方法主要有煅烧尧研磨等遥已有研究结果表明袁不同的制备方法和工艺参数对稻壳灰的基本性质影响不同4-10遥FAPOHUNDA 等4研究结果表明袁煅烧工艺影响着稻壳灰的无定形 SiO2含量尧比表面积尧细度等性质袁从而对稻壳灰的火山灰活性产生影响遥 汪知文等5研究结果表明袁稻壳灰的火山灰活性与其煅烧工艺有关袁 并给出了稻壳灰的最佳煅烧工艺袁即第一阶段以 270耀280 益煅烧 2 h袁 第二阶段以 570耀580 益煅烧 4 h袁此煅烧工艺下制得的稻壳灰的火山灰活性较高遥HABEEB 等6先对稻壳进行煅烧处理渊煅烧温度不超过 700 益冤袁再用洛杉矶研磨机分别研磨 180尧270尧360 min袁 研究了研磨时间对稻壳灰细度的影响袁发现研磨时间越长袁稻壳灰的细度越大袁火山灰活性相对越高遥CORDEIRO 等7先以 600850 益的温度对稻壳进行煅烧处理袁再用德国某厂家生产的振稻壳灰混凝土的性能研究进展刘坤1袁刘华新1袁刘娜2渊1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院袁辽宁 锦州 121001曰2.安阳工学院 外国语学院袁河南 安阳 455000冤摘要院介绍了稻壳灰的制备方法及基本性质袁总结了稻壳灰对混凝土耐久性能尧力学性能和工作性的影响袁分析了稻壳灰对混凝土性能的作用机理袁并对稻壳灰混凝土的未来研究方向进行了展望遥关键词院稻壳灰曰混凝土曰耐久性能曰力学性能曰工作性曰展望中图分类号院TU528.041文献标识码院Adoi院10.19761/j.1000-4637.2023.09.100.05Research progress on properties of rice husk ash concreteLIU Kun1,LIU Huaxin1,LIU Na2(1.School of Civil and Architectural Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China;2.School ofForeign Languages,Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,China)Abstract:The preparation method and basic properties of rice husk ash are introduced,and the influence of rice huskash on the durability,mechanical properties and workability of concrete is summarized.The mechanism of rice husk ash onconcrete performance is analyzed,and the future research direction of rice husk ash concrete is prospected.Keywords:Rice husk ash;Concrete;Durability;Mechanical property;Workability;Prospect圆园23 年第 9 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园23 晕燥.99 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂September100-表 1稻壳灰的主要化学成分Table 1Main chemical compositions of rice husk ash%项目SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2OLoss文献7文献12文献13文献14文献15文献1682.6087.2289.6192.9591.3093.440.400.700.040.311.400.210.501.680.220.260.600.180.902.120.910.532.400.76要1.180.420.552.100.430.100.04要要要0.160.100.200.070.080.300.051.801.121.582.061.901.9811.91.065.911.97要1.2710075502500.11.010.0100.01 000.0粒径/滋m未处理研磨 8 min研磨 15 min研磨 30 min研磨 60 min研磨 120 min研磨 240 min图 1稻壳灰的粒径分布7Figure 1Particle size distribution of rice husk ash7图 2稻壳灰的微观结构7Figure 2Microstructure of rice husk ash7动研磨机研磨 8尧15尧30尧60尧120尧240 min袁结果表明袁随着研磨时间的增加袁稻壳灰的细度增大渊见图 1冤袁综合考虑能耗时袁最佳研磨时间为 120 min袁此时袁稻壳灰内部的微观结构均匀尧孔隙较少渊见图2冤袁火山灰活性相对较高遥 XU8等先将稻壳在 600 益的温度下煅烧 2 h袁再在球磨机中分别研磨 5尧10尧30尧60尧90尧120 min袁结果表明袁随着研磨时间的增加袁稻壳灰的细度先增大后减小袁最佳研磨时间为 30 min袁此时袁稻壳灰的填充效应和火山灰活性较好遥 综上袁使用不同设备制备稻壳灰所用的研磨时间有所差异袁实际应用中袁应根据设备类型确定合适的研磨时间遥1.2化学成分目前袁已有较多研究人员对稻壳灰的化学成分进行了分析袁以探索稻壳灰作为辅助胶凝材料在混凝土中应用的可行性遥 例如袁SANDHU 等11通过 X射线衍射方法表明袁 稻壳灰中含有大量无定形 SiO2和微量结晶成分渊如方石英尧钾盐冤遥 现有研究关于稻壳灰的主要化学成分测试结果见表 17袁12-16遥由表 1 可知袁稻壳灰的主要化学成分为 SiO2袁其含量超过 80%袁 同时还存在一定量的 Al2O3尧CaO 等氧化物遥 可见袁稻壳灰的化学成分与硅灰接近袁说明稻壳灰具备作为混凝土辅助胶凝材料的可行性遥2稻壳灰对混凝土耐久性能的影响2.1抗渗性能目前袁研究人员们普遍认为水的渗入对混凝土早期强度的发展有利袁但随着时间的延长袁混凝土内部的化学物质存在浸出风险袁进而造成混凝土的耐久性能下降袁服役寿命缩短遥 可见袁提高混凝土的抗渗性能对混凝土的长期耐久性能有利遥孔结构是影响混凝土抗渗性能的重要因素之一遥 田悦17研究了稻壳灰等质量替代部分水泥对 C30混凝土孔隙率的影响袁结果表明袁掺 5%10%稻壳灰混凝土的孔隙率比未掺稻壳灰的混凝土孔隙率小袁说明掺入适量稻壳灰对混凝土的抗渗性能有利袁稻壳灰的最佳掺量为 8%遥 VENKATANARAYANAN等18研究结果表明袁用适量稻壳灰等质量替代部分水泥可以降低混凝土的吸水率袁提高抗渗性能遥 余景良19研究发现袁随着稻壳灰掺量从 0 增至 30%袁混凝土的抗渗性能先提高后降低袁稻壳灰的最佳掺量为 20%遥 SARASWATHY 等14研究结果也表明袁在混凝土中掺入适量稻壳灰替代部分水泥袁可以降低混凝土的孔隙率袁从而提高混凝土的抗渗性能遥 综上可知袁在混凝土掺入适量稻壳灰能够提高混凝土的抗渗性能袁这主要归因于稻壳灰的火山灰活性和填充效应遥2.2抗碳化性能混凝土碳化是空气中的 CO2气体渗透到混凝土内部袁与混凝土中的碱性物质发生化学反应生成碳酸盐的过程遥 碳化是影响混凝土结构耐久性能的重要因素之一遥蒋浩20研究了稻壳灰等质量替代 0尧5%尧10%的水泥对混凝土抗碳化性能的影响袁结果表明袁随着稻壳灰掺量的增加袁混凝土的碳化深度减小袁抗碳化性能提高袁其中袁掺 10%稻壳灰试件的 28 d 碳稻壳灰混凝土的性能研究进展刘坤袁刘华新袁刘娜101-颗粒分散火山灰反应碱-硅反应Ca2+尧Na+尧OH-H2OSiO32-C-(Na袁K)-S-H水化产物Na+尧Ca2+尧OH-裂缝SiO32-火山灰反应边缘(Na袁K)-C-S-H水化产物Ca2+尧Na+尧OH-H2OSiO32-C-(Na袁K)-S-H水化产物Na+尧Ca2+尧OH-SiO32-火山灰反应边缘(Na袁K)-C-S-H水化产物图 3稻壳灰抑制碱-硅反应的机理31Figure 3Mechanism of rice husk ash inhibitingalkali-silica reaction31化深度较未掺稻壳灰的试件降低了 40.7%遥 余其俊等21研究了稻壳灰等质量替代 0尧10%尧30%的水泥对混凝土抗碳化性能的影响袁结果表明袁混凝土的碳化深度随着稻壳灰掺量的增加而降低袁说明掺入适 量 稻 壳 灰 能 够 提 高 混 凝 土 的 抗 碳 化 性 能 遥PRAVEENKUMAR 等22尧王刚23研究结果也表明袁在混凝土中掺入适量稻壳灰替代部分水泥能够提高混凝土的抗碳化性能遥2.3抗氯离子和抗硫酸盐侵蚀性能处于海水尧 盐碱等腐蚀环境中的混凝土结构袁尤其是钢筋混凝土结构袁其对氯盐尧硫酸盐的腐蚀作用较为敏感遥 已有研究结果表明袁提高混凝土的密实性能够有效改善其抗氯离子和抗硫酸盐侵蚀性能24-28遥对于抗氯离子侵蚀性能袁刘春等24用稻壳灰等质量替代 0尧10%尧15%尧20%的水泥袁 研究了稻壳灰掺量对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响袁 结果表明袁随着稻壳灰掺量的增加袁混凝土的氯离子迁移系数降低袁抗氯离子侵蚀性能提高袁这主要归因于稻壳灰的火山灰活性和填充效应遥 SALAS 等25研究结果表明袁稻壳灰具有火山灰活性袁其能够与水泥水化产物 Ca(OH)2发生二次水化反应袁生成 C-S-H凝胶和其他水化产物袁密实混凝土内部结构袁从而提高混凝土的抗氯离子侵蚀性能遥 RUMMAN 等26研究发现袁稻壳灰在混凝土基体中可以起到填充骨料间空隙的作用袁 从而提高混凝土基体的密实度袁进而 提 高 混 凝 土 的 抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 遥 此 外 袁SENSALE27研究结果也表明袁用适量稻壳灰等质量替代部分水泥能够提高混凝土的抗氯离子侵蚀性能袁稻壳灰的合适掺量为 10%20%遥对于抗硫酸盐侵蚀性能袁蒋浩20研究了稻壳灰等质量替代 0尧5%尧10%的水泥对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响袁结果表明袁随着稻壳灰掺量的增加袁试件的质量损失率减小袁说明抗硫酸盐侵蚀性能提高遥 CHINDAPRASIRT 等28研究结果表明袁用稻壳灰等质量替代 40%的水泥可以有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能遥2.4碱-硅反应碱-硅反应是混凝土结构中常见的危害之一袁主要指骨料中的活性硅成分与水泥中的碱金属离子发生反应袁生成具有膨胀性的凝胶类物质袁这类物质吸水膨胀后容易导致混凝土结构开裂袁从而降低混凝土结构的耐久性能遥GIVI 等29研究发现袁在混凝土中掺入 12%15%的稻壳灰渊等质量替代水泥冤可以有效抑制碱-硅反应引起的有害膨胀遥 ZERBINO 等30研究结果表明袁用稻壳灰替代 15%的水泥可以有效抑制混凝土中的碱-硅反应遥 LE 等31固定稻壳灰等质量取代水泥的比例为 20%袁研究了稻壳灰细度渊5.722.6 滋m冤对混凝土碱-硅反应的影响袁结果表明袁稻壳灰的细度越大袁对碱-硅反应的抑制作用越好袁建议稻壳灰细度至少控制在 5 滋m 以下遥 原因分析院混凝土孔溶液中的 Ca2+和 OH-与稻壳灰中的活性 SiO2反应生成的 C-S-H 凝胶能够沉淀在稻壳灰颗粒表面袁并吸收大量的Na+尧K+和 Al3+袁从而形成火山灰反应边缘袁随着时间的推移袁 火山灰反应边缘变厚袁 其允许Na+尧K+尧Ca2+和 OH-渗透31袁但不允许碱-硅反应凝胶泄露遥 而与较细的稻壳灰相比袁较粗稻壳灰的火山灰反应边缘较薄袁同时袁由于 Na+尧K+的渗透速度比Ca2+的渗透速度快袁故火山灰反应边缘较薄的稻壳灰中更容易发生碱-硅反应袁从而引起开裂袁见图 331遥综上袁在实际应用时袁应选择合适掺量和细度的稻壳灰袁以尽可能地减轻碱-硅反应袁从而提高混凝土结构的耐久性能遥3稻壳灰对混凝土力学性能的影响3.1抗压强度不同细度和掺量的稻壳灰对混凝土抗压强度的影响规律不同遥 MOSABERPANAH 等32研究发现袁稻壳灰的细度越大袁混凝土的抗压强度越高袁推荐稻壳灰的细度为 3.69.0 滋m遥TUAN 等33尧KHAN 等34尧SENSALE 等35研究结果也表明袁混凝土的抗压强度随着稻壳灰细度的增加而增大遥汪知文等36研究了稻壳灰等质量替代 0尧10%尧30%尧50%的水泥对混凝土抗压强度的影响袁结果表明袁随着稻壳灰掺量的增加袁试件的抗压强度先增大后减小袁最佳掺量为 10%遥JAMIL 等37研究了稻壳灰等质量替代 035%的水泥对混凝土抗压强度的影响袁结果表明袁随着稻壳灰掺量的增加袁试件的抗圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期较粗稻壳灰颗粒较细稻壳灰颗粒102-压强度先增大后减小袁 最佳掺量为 20%遥 CHOPRA等38研究结果也表明袁在混凝土中掺入适量稻壳灰渊等质量替代水泥冤能够提高混凝土的抗压强度遥3.2劈裂抗拉强度LE 等39尧SARASWATHY 等14和 CHOPRA 等38研究结果表明袁稻壳灰对混凝土劈裂抗拉强度的影响规律与其对抗压强度的影响规律相似袁即合适掺量和细度的稻壳灰有利于提高混凝土的劈裂抗拉强度袁这主要归因于稻壳灰的火山灰活性和填充效应遥3.3抗折强度HABEEB 等6尧GIVI 等29研究结果表明袁用稻壳灰等质量替代 20%水泥后袁混凝土的抗折强度提高约 10%30%遥 FAPOHUNDA 等4研究发现袁在混凝土中掺入 10%20%的稻壳灰 渊等质量替代水泥冤能够有效提高混凝土的抗折强度袁改善混凝土的抗折破坏形态袁这主要归因于稻壳灰的填充效应和火山灰活性27遥BIE 等40研究了稻壳灰等质量替代部分水泥对混凝土抗折强度的影响袁结果表明袁当稻壳灰掺量为 10%时袁 对混凝土抗折强度的提高效果最好遥而梁世庆等41研究结果则表明袁随着稻壳灰掺量从 0 增至 30%袁混凝土的抗折强度降低袁这可能与稻壳灰的类型尧细度等有关袁导致其火山灰活性存在差异遥4稻壳灰对混凝土工作性的影响MILLER 等42研究结果表明袁混凝土的工作性随着稻壳灰掺量和细度的增大而降低遥MAKUL 等43研究发现袁稻壳灰较高的火山灰活性是导致混凝土工作性降低的原因之一遥 FAPOHUNDA 等4研究发现袁随着稻壳灰细度的增大袁其比表面积随之增大袁且稻壳灰内部存在孔隙遥 因此袁将稻壳灰掺入混凝土中后袁稻壳灰会吸附拌和物中的游离水袁从而引起工作性下降遥5结束语渊1冤稻壳灰中含有无定形 SiO2袁这赋予了稻壳灰一定的火山灰活性袁使其具备作为混凝土辅助胶凝材料的可行性遥 稻壳灰的火山灰活性与其制备方法有关袁本文主要指煅烧和研磨两种方法袁实际应用时袁应根据稻壳的来源尧类型尧稻壳灰细度袁同时考虑经济和环境效益袁选择合适的煅烧方法及相关工艺参数遥渊2冤在混凝土中掺入适量稻壳灰能够有效提高混凝土的耐久性能和力学性能袁但会降低混凝土的工作性袁这主要与稻壳灰细度有关遥 实际应用时袁应综合考虑混凝土的耐久性能尧 力学性能和工作性袁确定合适的稻壳灰掺量和细度遥渊3冤目前袁研究人员们关于不同细度稻壳灰替代水泥的最佳比例还未得出一致结论袁后续还需通过大量试验研究确定不同细度稻壳灰的合适掺量范围袁以供相关研究方向的研究人员们参考遥参考文献院1 任素霞.稻壳资源的综合利用研究D.长春:吉林大学,2009.2 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