秸秆灰对UHPC抗压强度和收缩的影响.pdf

第41 卷第9期2023年9月文章编号：1 0 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 9-0 0 5 5-0 5市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.9Sep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.055秸秆灰对UHPC抗压强度和收缩的影响胡金龙（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津3 0 0 45 0)摘要：传统超高性能混凝土（ultra-highperformanceconcrete,UHPC)生产成本较高，收缩较大，阻碍了UHPC的推广应用。采用农业副产品秸秆灰分别取代硅灰和水泥制备UHPC,研究了其对混凝土抗压强度和收缩的影响。研究结果表明：秸秆灰分别取代2 0%、40%硅灰和1 0%水泥增加了UHPC的抗压强度，其中取代2 0%硅灰抗压强度最高，取代2 0%水泥则降低了抗压强度；秸秆灰取代水泥或硅灰降低了UHPC的收缩和自收缩，且随着秸秆灰用量的增加而逐渐降低；秸秆灰UHPC的干燥收缩也随着抗压强度的增加而逐渐降低。关键词：秸秆灰；超高性能混凝土；抗压强度；收缩Hu Jinlong中图分类号：TU528.31Effect of Straw Ash on Compressive Strengths and Shrinkage of UHPC(China Railway eighteen Bureau Group Fifth Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China)Abstract:Because of the high production cost and the great shrinkage,the further application of the traditional ultra-high performance concrete(UHPC)has been hindered.The silica fume and cement was replaced with an agriculturalby-product of the straw ash to prepare UHPC.The effect of straw ash on compressive strengths and shrinkage of UHPCwas investigated.The results show that the replaces 20%and 40%silica fume and 10%cement with straw ash re-spectively can improve the compressive strengths of UHPC.UHPC that replacing 20%silica fume with straw ashshows the highest compressive strengths.However,replacing 20%cement with straw ash reduces the compressivestrengths;The replacing silica fume or cement with straw ash reduces the shrinkage and autogenous shrinkage ofUHPC,which is reduced with the increase of addition of straw ash.With the increase of compressive strengths,thedrying shrinkage of UHPC with straw ash is reduced.Key words:straw ash;ultra-high performance concrete(UHPC);compressive strength;shrinkage文献标志码：AUHPC因具有超高强度、良好延展性和优异耐久性，被广泛应用于混凝土特殊结构中，是一种新型水泥基材料 1-2 。生产UHPC的原材料通常包括水泥、硅灰、石英砂、石英粉、钢纤维和外加剂等，造价成本较高。其中,硅灰因其颗粒呈球状且极小,对改善UHPC浆体的流动度和密实度具有明显的积极作用 3 。但硅灰对混凝土的体积稳定性有不利影响，掺量越高，自收缩越大，这主要是因为硅灰会细化孔结构,引入更多与自收缩相关的微细孔 4。同时，由于我国硅灰产量较为有限，年产量仅为3 0 0 0 4000t,难以满足水泥基材料的可持续发展需求。近年来，许多学者采用固废粉料取代硅灰或水泥来制备UHPC,以期降低UHPC 成本,推动其应用 2-3 。我国是一个人口众多的农业大国，秸秆资源丰收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 6作者简介：胡金龙，男，工程师，主要从事工程材料的开发、应用和工程管理工作。引文格式：胡金龙.秸秆灰对UHPC抗压强度和收缩的影响 J.市政技术，2 0 2 3，41(9)：5 5-5 8，7 3.（HUJL.Effectofstrawashoncompressivestrengths and shrinkage of UHPCJ.Journal of municipal technology,2023,41(9):55-58,73.)56富，年均产量高达1 0 亿t5-7。随着我国油菜种植面积的逐年增长，产生了大量的农业副产品一一秸秆。传统的秸秆处置方式主要是闲置堆积或就地焚烧，其价值并未得到充分利用。其中，就地焚烧不仅严重污染空气，而且也造成了极大的资源浪费。近年来，已有研究者对油菜秸秆资源化利用展开探索研究。例如：陈兵等 5 发现油菜秸秆具有多孔、轻质等特性，可以制备出具有保温隔热效果的混凝土；刘巧玲等 6 为获取油菜秸秆灰活性最佳熳烧制度，将油菜秸秆水洗干燥处理后进行殿烧，发现5 0 0 熳烧5 h的秸秆灰中Si02含量可达6 1.7 6%;陈登等 7 研究发现，掺油菜秸秆的混凝土工作性能和强度均优于掺小麦和玉米秸秆的混凝土。此外，对于掺油菜秸秆混凝土的保温、抗碳化和粘结等性能均有报道 8-1 1 1,但鲜有油菜秸秆对UHPC 性能影响的研究成果报道。为降低UHPC生产成本，同时将农业副产品油菜秸秆变废为宝进行资源化利用，笔者将油菜秸秆灰分别部分取代硅灰和水泥来制备UHPC,分析其对UHPC强度和收缩的影响,以期推动UHPC的可持续发展应用。1试验1.1原材料水泥为PII52.5，比表面积3 8 5 m/kg；硅灰为河南某厂生产,Si02含量大于90%,粒径范围为0.1 0.2m；秸秆灰为当地油菜收获集中露天焚烧后，在马弗炉内6 0 0 熳烧6 h，再经研磨粉碎机研磨后得到的粉体，比表面积1 0 98 3 m/kg；骨料为标准砂；纤维为镀铜钢纤维，长度1 3.0 0 mm，直径0.2 2 mm，长径比5 9；外加剂为液体聚羧酸高效减水剂，固体含量29.5%，减水率2 6.5%；水为当地自来水。水泥、硅灰和秸秆灰的主要化学成分见表1，粒径分布见图1。表1 水泥、硅灰和秸秆灰的化学成分Tab.1 Chemical compositions of cement,silica fume andstrawash材料SiO2Fe20,Na20CaoSO;Al.0,K.0MgO烧失量水泥23.013.010.0361.182.584.48 0.410.992.88秸秆灰65.972.771.015.332.368.327.321.23 5.34硅灰95.370.070.090.14 0.020.310.260.132.041.2试验配合比胶凝材料用量控制不变，采用秸秆灰分别取代Journal of Municipal Technology80602000.1图1 水泥、硅灰和秸秆灰的粒径分布Fig.1 Particle size distributions of cement,straw ash and silica fume硅灰质量的2 0%、40%和水泥质量的1 0%、2 0%，水胶比固定为0.1 8，砂胶质量比固定为1.0 8，调整聚羧酸高效减水剂用量，保证各组UHPC具有5 0 0 mm左右相近的落扩展度，具体配合比见表2。其中，基准UHPC 以JZ表示,秸秆灰取代2 0%、40%硅灰的UHPC分别以SA-SF-20、S A-S F-40 表示，秸秆灰取代1 0%、20%水泥的UHPC分别以SA-C-10、S A-C-2 0 表示。表2 秸秆灰UHPC配合比Tab.2 Straw ash UHPC mix ratio编号水泥硅灰秸秆灰标准砂钢纤维水减水剂JZ820200SA-SF-20820160SA-SF-40820120SA-C-10738200SA-C-206562001.3试验方法UHPC的强度试验参照T/CBMF372018超高性能混凝土基本性能与试验方法进行。首先将水泥、硅灰、秸秆灰和标准砂按配合比秤重好，倒入立式搅拌机里干拌6 0 s,然后将秤好的减水剂与水混合，缓慢倒人并快速搅拌1 min后，再慢速搅拌,均匀地撒入钢纤维,搅拌1 2 min,待砂浆与钢纤维包裹良%好后，立即浇人尺寸为1 0 0 mmx100mmx100mm的试模中,1 d后脱模,移人温度为（2 0 2）且相对湿度大于95%的标准养护箱中,直至规定龄期。UHPC的收缩和自收缩试验参照JC/T6032004水泥胶砂干缩试验方法进行。收缩试块的模具尺寸为2 5 mmx25mmx280mm，每组6 个。其中,3 个试块进行非密封条件的收缩试验，另外3 个试块进行第41 卷100+水泥秸秆灰硅灰110粒径/um01 100401100801100821100164110010011518419.811518421.311518424.411518426.311518428.3kg/m3JZ第9期密封条件的自收缩试验。将新拌的UHPC浇于两端留有预埋测头的试模里，成型后置于常温2 4h后拆模。自收缩UHPC试块采用石蜡包裹，再外裹铝箔进行密封。所有试块拆模或密封后，均置于温度（2 0 2）和相对湿度（6 0 5)%的环境中。终凝后开始测试收缩，每隔一定时间记录试验数据。UHPC干燥收缩等于收缩减去同步测试得到的自收缩。2试验结果与分析2.1抗压强度秸秆灰对UHPC的7、2 8、6 0、1 2 0 d龄期抗压强度的影响见图2。1501401301201101000图2 秸秆灰对UHPC抗压强度的影响Fig.2 Effect of straw ash on compressive strengths of UHPC由图2 可知,SA-SF-20各龄期的抗压强度均最高，相较于JZ,7、2 8.6 0、1 2 0 d 的抗压强度增长率分别为1 3.5%、7.9%、4.2%、5.7%;SA-SF-40各龄期的抗压强度均与JZ最为接近,仅略有增长;SA-C-10各龄期的抗压强度相较于JZ,7、2 8.6 0、1 2 0 d 的抗压强度增长率分别为8.5%、3.6%3.3%、2.2%;SA-C-20各龄期抗压强度均最低，相较于JZ,28d抗压强度降低了10.5%。因此,UHPC的抗压强度按照从大到小排序为：SA-SF-20SA-C-10SA-SF-40JZSA-C-20。进一步分析可知，秸秆灰取代2 0%硅灰的抗压强度最高，是因为秸秆灰比表面积大，与水泥浆体接触面积相对较大,且具有一定的火山灰活性,可以促进体系水化反应加快 1 2 ,同时水泥、硅灰和适量的秸秆灰可以形成良好的“微级配”效应，其物理和水化产物填充的共同作用使UHPC更加致密 1 3 。秸秆灰取代40%的硅灰，在一定程度上削弱了秸秆灰对强度的积极作用，这可能与秸秆灰掺量有关。另胡金龙：秸秆灰对UHPC抗压强度和收缩的影响JZSA-SF-20SA-SF-40SA-C-10SA-C-202040龄期/d57一方面,秸秆灰取代1 0%水泥也提高了UHPC抗压强度，而取代2 0%水泥则降低了UHPC抗压强度，这是因为秸秆灰取代少量水泥，促进了水化反应，同时具有填充作用，有利于提高强度；而秸秆灰过量取代水泥，导致水泥含量较少，而秸秆灰的火山灰活性低于水泥，直接影响了体系水化反应，导致强度下降 1 2 。因此,秸秆灰取代适量的硅灰或水泥可以有效提高UHPC的抗压强度。2.2收缩秸秆灰UHPC在1、3、7、2 8、6 0、90、1 2 0、1 5 0 d的收缩见图3。1200r1000800(9-01X)/期60040020000204060801001201401601806080SA-SF-20-SA-SF-40SA-C-10+SA-C-20100120龄期/d图3 秸秆灰对UHPC收缩的影响Fig.3 Effect of straw ash on shrinkage of UHPC由图3 可知,UHPC收缩早期发展快,2 8 d后趋于稳定。各组UHPC的收缩按照从大到小排序为：JZSA-SF-20SA-SF-40SA-C-10SA-C-20,说明秸秆灰一定程度上可降低收缩。其中,SA-SF-20、S A-S F-40、S A-C-1 0、S A-C-2 0 的2 8 d收缩相较于JZ，分别降低了8.3%、2 1.9%、2 8.0%、3 1.7%，说明UHPC收缩随着秸秆灰用量的增加而不断降低。2.3自收缩秸秆灰 UHPC在1、3、7、2 8、6 0、90、1 2 0、1 5 0 d的自收缩见图4。由图3、4可知,秸秆灰UHPC的自收缩与收缩的变化规律相似,秸秆灰的掺入降低了UHPC的自收缩。其中,SA-SF-20、S A-S F-40、S A-C-1 0、S A-C-20的2 8 d自收缩相较于JZ,分别降低了4.4%、2 4.3%、29.7%、3 9.0%。当秸秆灰取代硅灰时，自收缩随着秸秆灰取代量的增大而减小，这是因为秸秆灰活性比硅灰低，减少了火山灰反应，降低了密封条件下水分的消耗速度,缓解了内部干燥,从而减小了UHPC 的市放技术58Journal of Municipal Technology1000800(9-01X)/期月6004002000020 406080100120140160180龄期/d图4秸秆灰对UHPC自收缩的影响Fig.4 Effect of straw ash on autogenous shrinkage of UHPC自收缩 3 ；当秸秆灰取代水泥时，自收缩也随着秸秆灰取代量的增大而减小，且降低幅度比取代硅灰更大，这是因为掺人秸秆灰，减少了水泥用量，降低了水化热，有效缓解了自干燥现象，从而减小了自收缩。2.4干燥收缩秸秆灰UHPC在1、3、7、2 8、6 0、90、1 2 0、1 5 0 d的干燥收缩见图5。250200(901X)/期士150100500020406080100120140160180龄期/d图5 秸秆灰对UHPC干燥收缩的影响Fig.5 Effect of straw ash on drying shrinkage of UHPC经过对比图3 5 后发现,UHPC的干燥收缩在收缩中所占比例明显小于自收缩。UHPC干燥收缩按大小排序为:SA-C-20JZSA-SF-40SA-C-10SA-SF-20,其变化规律与UHPC收缩和自收缩有所差异。其中,SA-SF-20、S A-S F-40、S A-C-1 0 的2 8 d干燥收缩相较于JZ，分别降低了2 8.7%、9.6%、1 8.5%，而SA-C-20的2 8 d干燥收缩相较于JZ则增长了6.4%。干燥收缩主要是由UHPC内部水分迁移引起第41 卷的，与其密实度有着较大的关系 4-1 5 。结合图2 的秸秆灰UHPC抗压强度变化可知,较大的抗压强度对应着较小的干燥收缩。3结论一JZ1)秸秆灰分别取代2 0%、40%硅灰以及取代1 0%SA-SF-20SA-SF-40一SA-C-10SA-C-20JZSA-SF-20SA-SF-40SA-C-10-SA-C-20水泥制备的UHPC抗压强度大于基准UHPC,其中取代2 0%硅灰的UHPC抗压强度最高，其次为取代10%水泥,而取代40%硅灰的UHPC与基准UHPC抗压强度相近，但取代2 0%水泥则降低了UHPC抗压强度。2)秸秆灰取代水泥或硅灰,不同程度地降低了UHPC的收缩和自收缩,且收缩和自收缩随着秸秆灰用量的增加而降低，其中以秸秆灰取代2 0%水泥的降低效果最好。3)秸秆灰UHPC的干燥收缩在收缩中所占比例较小，其与自收缩变化规律不同，较大的抗压强度对应着较小的干燥收缩。参考文献【1 杨娟，朋改非，税国双.再生钢纤维增韧超高性能混凝土的力学性能 J.复合材料学报，2 0 1 9,3 6（8）：1 949-1 95 6.（YANGJ，PENG G F,SHUI G S.Mechanical properties of recycled steelfiber reinforced ultra-high-performance concrete J.Acta mate-riae compositae sinica,2019,36(8):1949-1956.)2 MAGLAD A M,AMIN M,ZEYAD A M,et al.Engineering prop-erties of ultra-high strength concrete containing sugarcane bagasseand corn stalk ashesJ.Journal of materials research and technol-ogy,2023,23:3196-3218.【3 赵雅明,张振，王畔，等.矿物掺合料对UHPC性能的影响 J.硅酸盐通报,2 0 2 2,41(9):3 1 7 0-3 1 7 5.(ZHAO Y M,ZHANGZ,WANG P,et al.Influences of mineral admixtures on UHPCperformanceJ.Bulletin of the Chinese ceramic society,2022,41(9):3170-3175.)4 MEDDAHM S,TAGNITH A.Pore structure of concrete withmineral admixtures and its effect on self-desiccation shrinkageJ.ACI materials journal,2009,106(3):241-250.5 陈兵，刘宁.基于磷酸镁水泥的植物茎秆增强混凝土试验研究J.建筑材料学报,2 0 1 6,1 9(6):1 0 46-1 0 5 0.(CHENB,LIUN.Experimental investigation on green concrete using magnesiumphosphate cement(MPC)and rape stalkJJ.Journal of buildingmaterials,2016,19(6):1046-1050.)【6 刘巧玲，刘保华，张强，等.灰化条件对油菜秸秆灰分特性的影响 J.湖南农业大学学报（自然科学版）,2 0 1 3,3 9（1)：1 0 7-110.(LIU Q L,LIU B H,ZHANG Q,et al.Influence of ashingconditions on the ash characteristics of rape strawJ.Journal ofHunan Agricultural University(natural sciences edition),2013,（下转第7 3 页）第9 期jacking construction J.Chinese journal of underground spaceand engineering,2019,15(5):1482-1489.)【8 冉红玲.顶管施工对既有城市轨道交通路基变形影响及控制研究 D.北京：北京交通大学,2 0 0 8.（RANHL.Researchonthe influence and control of pipe jacking construction on the defor-mation of existing urban rail transit roadbed D.Beijing:BeijingJiaotong University,2008.)【9王斌,陈帅，陶柏峰，等.顶管穿越路堤实测地基变形和扰动程度分析 J.岩石力学与工程学报，2 0 1 0,2 9(Sup1)：2 8 0 5-2 8 1 2.(WANG B,CHEN S,TAO B F,et al.Analysis of ground defor-mation and disturbance degree measured by pipe jacking cross-ing embankmentJ.Chinese journal of rock mechanics and en-gineering,2010,29(Sup1):2805-2812.)10引张太雷.非开挖顶管工程对既有城市道路路基稳定性影响的研究 D.济南：山东建筑大学,2 0 1 7.（ZHANGTL.Researchon the influence of trenchless pipe jacking engineering on thestability of existing urban road subgrades D.Jinan:ShandongJianzhuUniversity,2017.)11周顺华，廖全燕，刘建国，等矩形顶管隧道顶进过程的地层损失 J.岩石力学与工程学报，2 0 0 1,2 0(3）：3 42-3 45.（ZHOUS H,LIAO Q Y,LIU J G,et al.Stratum loss during the jackingprocess of rectangular top pipe tunnelJ.Chinese journal of rockmechanics and engineering,2001,20(3):342-345.)12 董董俊.地铁过街通道矩形顶管施工变形监测分析 J.铁道工程学报,2 0 1 6,3 3(8):1 0 6-1 1 0.(DONG J.Deformation moni-toring analysis of rectangular pipe jacking construction in subwaycross street passage J.Journal of railway engineering society,（上接第5 8 页）39(1):107-110.)7 陈登，宋旭艳，姜正平，等.秸秆与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响 J.混凝土与水泥制品，2 0 2 0（4)：1 0 0-1 0 3.（CHEND，SONG X Y,JIANG Z P,et al.Effects of combined admixture ofstraw and fly ash on the properties of concreteJ.China concreteand cement products,2020(4):100-103.)【8 曾哲，刘巧玲，刘保华，等.油菜秸秆纤维混凝土保温性能试验研究 J.中国农学通报，2 0 1 8,3 4（3 5）：1 3 0-1 3 4.（ZENGZ，LIU Q L,LIU B H,et al.The experimental research on thermalinsulation properties of rape straw fiber concreteJ.Chinese agri-cultural science bulletin,2018,34(35):130-134.)【9宋星宇,姚勇，褚云朋，等.油菜秸秆和粉煤灰对砂浆性能影响因素分析 J.混凝土与水泥制品，2 0 1 8（5）：48-5 2.（SONGXY,YAO Y,CHUY P,et al.Analysis on the factors affecting of thestraw and ash on the performance of mortarJ.China concreteand cement products,2018(5):48-52.)10刘巧玲，张文俊.温湿度对油菜秸秆混凝土抗碳化性影响试验研究 J.中阿科技论坛（中英文）,2 0 2 1（1 0)：8 8-90.（LIUQL，ZHANG W J.Experiment on the influence of temperature andhumidity on the resistance to carbonation of rape straw concreteJ.China-Arab states science and technology forum(Chineseand English),2021(10):88-90.)陈极光：下穿塑料排水板处理路基顶管施工控制技术研究2016,33(8):106-110.)13魏纲，徐日庆，屠玮.顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究 J.岩石力学与工程学报，2 0 0 4,2 3（3）：47 6-48 2.（WEIG,XU R Q,TU W.Theoretical analysis and experimental studyon soil disturbance caused by pipe jacking constructionJ.Chinesejournal of rock mechanics and engineering,2004,23(3):476-482.)【1 4 李凤远，杨延栋，许华国.固结黏土地层盾构直接破除排水板关键技术研究 J.隧道建设（中英文），2 0 1 9,3 9（6)：91 3-91 8.(LI F Y,YANG Y D,XU H G.Research on key technology ofshield tunnel directly breaking drainage board in consolidatedclay layerJ.Tunnel construction,2019,39(6):913-918.)15 刘燕平，下荣，陈飞，等.电缆隧道穿越塑料排水板路基的理论分析及研究 J.施工技术,2 0 1 4,43（1 8)：8 7-91,1 1 2.（LIUYP,BIAN R,CHEN F,et al.Theoretical analysis and research oncable tunnel crossing plastic drainage board roadbedJ.Construc-tion technology,2014,43(18):87-91,112.)16周勇，王建伟，陈豪.顶管工程施工清障的处理措施 J.中国给水排水,2 0 0 8,2 4(1 2):1 0 2-1 0 4.(ZHOUY,WANGJW,CHENH.Treatment measures for clearing obstacles in pipe jacking engi-neering constructionJJ.China water&wastewater,2008,24(12):102-104.)17陈志.软弱地层浅埋矩形顶管沉降控制技术研究 J.铁道建筑技术,2 0 2 1(8):1 44-1 48.(CHEN Z.Research on settlementcontrol technology for shallow buried rectangular pipe jacking insoft strata J.Railway construction technology,2021(8):144-148.）11易督航，刘保华，曾哲，等.油菜秸秆灰分混凝土与钢筋粘结性能的研究 J.湖南农业大学学报（自然科学版）,2 0 1 7,43(6)：680-683.(YID H,LIU B H,ZENG Z,et al.Experimental study onbond property between rape straw ash concrete and steel barsJ.Journal of Hunan Agricultural University(natural sciences edition),2017,43(6):680-683.)12张强，李耀庄，刘保华，等.秸秆灰混凝土力学性能试验及强度预测 J.农业工程学报,2 0 1 7,3 3(2)2 5 9-2 6 5.（ZHANGQ，LI Y Z,LIU B H,et al.Mechanical properties and strength pre-diction of straw ash concreteJ.Transactions of the Chinese so-ciety of agricultural engineering,2017,33(2):259-265.)13孙婧，王宏，兰建伟，等.原状粉煤灰对超高性能混凝土性能的影响 J.硅酸盐通报，2 0 2 2,41（1)：2 0 9-2 1 7.（SUNJ,WANGH,LAN J W,et al.Effect of raw fly ash on performance of ultra-high performance concrete J.Bulletin of the Chinese ceramicsociety,2022,41(1):209-217.)14 TRAN NP,GUNASEKARA C,LAW D W,et al.A critical reviewon drying shrinkage mitigation strategies in cement-based mate-rialsJJ.Journal of building engineering,2021,38(9):102210.15MOHAMMED A N,JOHARI M A M,ZEYAD A M,et al.Im-proving the engineering and fluid transport properties of ultra-high strength concrete utilizing ultrafine palm oil fuel ash J.Journal of advanced concrete technology,2014,12(4):127-137.73