掺稻壳灰活性粉末混凝土配合比试验

朱鹏+李宗阳+屈文俊+毛文婷

摘要：通过试验研究了掺稻壳灰的活性粉末混凝土（RPC）的配合比，根据最大密实度理论对掺稻壳灰的RPC进行了基本配合比设计；试验比较了石英砂和天然砂2种细集料对RPC性能的影响；对不同水胶比的RPC进行试验，推荐了适宜水胶比；以稻壳灰替代硅灰，试验研究不同稻壳灰替代率对RPC的流动性、强度及耐久性的影响。结果表明：采用天然砂替代石英砂作为细骨料对RPC抗折强度、抗压强度及流动度影响不大；掺稻壳灰的RPC的适宜水胶比为0.20～0.22；随着稻壳灰替代硅灰掺量的增加，其收缩率降低且随龄期增长变化减缓，同时其抗氯离子渗透性能有所下降；建议根据不同使用性能要求选择稻壳灰部分或完全替代硅灰的RPC。

关键词：稻壳灰；活性粉末混凝土；强度；流动性；收缩；抗氯离子渗透性能；水胶比

中图分类号：TU528.2 文献标志码：A

0 引 言

活性粉末混凝土（RPC）是通过提高材料组分的细度与活性，减小材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）来获得高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料[1-2]。RPC原材料包括活性组分、高效减水剂和短细钢纤维等，其中活性组分通常由优质水泥、硅灰、细石英砂（粒径小于1 mm）等构成[3]。

RPC中水泥用量比较高（600～900 kg·m-3），造成了较大的资源和能源消耗。同时，RPC中硅灰作为主要的活性掺和料，掺量（质量分数）为20%（水泥掺量）以上，且价格昂贵，资源较为匮乏，石英粉等细集料的使用也增加了RPC的成本，都使其在工程中的推广应用受到限制[4-5]。另外，较高的水泥用量不仅增加了生产水泥所需的资源和能源消耗，还造成了不利的环境影响，如粉尘和烟尘污染、温室效应等。因此，为了降低RPC的成本，节约资源，减少能耗和保护环境，发展有良好经济环保性能的绿色活性粉末混凝土具有重大意义。

遵循绿色活性粉末混凝土的发展方向，在常规的水泥-硅灰二元胶凝体系基础上，有关学者合理利用工业废渣，在RPC中复合掺入粉煤灰、矿渣等活性掺和料，形成了水泥-硅灰-矿渣（粉煤灰）三元或水泥-硅灰-粉煤灰-矿渣四元胶凝材料体系，在减少硅灰或水泥用量的同时，进一步提高RPC的性能（如耐久性）[6-8]。

研究发现，优质的稻壳灰（Rice Husk Ash，RHA）富含90%以上的无定形SiO2，具有巨大比表面积和高火山灰活性[9-10]，可作为一种理想的混凝土活性矿物掺料。各国已有一些学者对稻壳灰混凝土各方面的性能进行了相关研究，包括工作性能[11-12]、孔隙特性[13-14]、强度[15-16]及耐久性能[15，17]，稻壳灰不仅可以提高混凝土的强度，还可以改善混凝土的耐久性。此外，稻壳灰来源广泛，对其进行合理利用具有良好的经济环保效益[18]。因此可将稻壳灰作为一种绿色环保的新型活性掺料应用于混凝土中。本文的主要研究内容是稻壳灰对RPC的强度、工作性能以及耐久性能的影响。

1 原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1，物理性能见表2[19]；硅灰由上海某公司生产，其平均粒径为0.26 μm，比表面积大于20 m2·g-1，化学成分见表3；石英砂粒径为200～650 μm，平均粒径为280 μm；筛分后天然砂粒径为150～8 000 μm，平均粒径约为300 μm；高效减水剂为上海建筑科学研究院研制生产的TF-8101B聚羧酸高性能减水剂，固含量（质量分数，下文同）为41%，减水率为31.8%。

2 试件制备和试验方法

2.1 试件制备

本文试件的制作养护方法参照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）[20]，为控制流动度，设计如下搅拌制度：①将称量好的各种胶凝材料干拌1 min；②加入70%水和70%的减水剂，搅拌3 min；③加入砂子，搅拌1 min；④加入剩余30%水和30%减水剂，搅拌5 min。搅拌完成后，将拌和物浇注于试模中，在振动台（频率为50 Hz）上振动3～4 min，振捣密实后成型。

采用标准养护方法：试件成型后在标准养护箱中养护24 h后拆模，然后放置于混凝土标准养护室中养护至试验龄期，温度为（20±2） ℃，湿度为90%以上。

2.2 试验方法

根据《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）[21]进行流动度试验，根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）进行抗压强度及抗折强度试验。3 稻壳灰性能试验

稻壳灰尚处于试验研究阶段，没有标准化生产，不同地区和不同生产条件下的稻壳灰存在较大的差异，因此需要对试验采用的稻壳灰进行相关的物理化学检测。本文试验采用的稻壳灰为江西某厂自主生产的无碳稻壳灰，并在试验前将本次使用的稻壳灰用球磨机进行30 min的球磨处理，以增加稻壳灰的细度。

3.1 化学成分与密度

采用X射线荧光光谱仪测定稻壳灰的化学成分，结果如表4所示。

采用李氏瓶法测定稻壳灰的密度，测定结果为2.28 g·cm-3。

3.2 粒径分布

采用激光粒度仪测定稻壳灰的粒径分布，测定结果如图1所示。稻壳灰的平均粒径为37.4 μm。

3.3 需水量比

参照《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736—2002）[22]设计基准组配合比和稻壳灰组配合比，由于稻壳灰与粉煤灰的活性以及粒径分布较为接近，试验中稻壳灰用量参照磨细粉煤灰。其中标准砂符合《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）[20]要求。基准组和稻壳灰组配合比如表5所示，其需水量比（质量比）分别由3个试件结果取平均值获得。

由表5可知，稻壳灰的需水性比水泥大，水泥基材料中掺入稻壳灰可能会在一定程度上降低拌和物的流动性。

3.4 活性指数

参照《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736—2002）[22]以及《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671—1999）[20]测试稻壳灰活性指数，其中标准砂符合规范[20]要求。掺稻壳灰配合比及28 d抗压强度和抗折强度如表6所示，强度结果均为3个试件测试结果的平均值。

由试验结果可知，本文试验所采用的稻壳灰的抗压强度比为82.8%，大于62%，说明稻壳灰具有火山灰活性[23]。表7为稻壳灰火山灰效应分析结果。

根据抗压强度比得到的活性指数只能反映掺和料是否有火山灰活性，而不能反映掺和料火山灰活性的高低。蒲心诚[24]提出以“火山灰活性效应强度贡献率”来反映掺和料的火山灰活性高低，计算得到稻壳灰活性指数为0.58，反映了其火山灰活性与水泥火山灰活性的比值，说明基本达到活性掺和料要求。4 配合比设计

本文采用稻壳灰作为活性粉末混凝土中的掺和料，与硅灰、水泥一起形成三元胶凝材料混合体系。根据基于Dinger-Funk方程[25]最紧密堆积模型的配合比设计方法[26]，进行活性粉末混凝土的配合比设计。

首先测得各固体原材料的粒径分布，如图2所示。然后确定目标函数、调节函数以及相关限制条件。按基于Dinger-Funk方程的配合比设计方法求解，结果见图2及表8。

由图2及表8可知，对于掺有稻壳灰的活性粉末混凝土，当各固体原材料如水泥、硅灰、稻壳灰、石英砂的配合比为1∶0.18∶0.13∶1.03时，体系可接近最密实堆积状态，由此选定最佳配合比，如表9所示。

5 细集料对比试验

试验研究石英砂和天然砂2种细集料对RPC性能的影响。进行流动度、抗压强度及抗折强度试验 ，不同细集料试验配合比如表10所示，测试结果 由表11可知：对于掺有稻壳灰的活性粉末混凝土，采用经过筛分的天然砂作为细骨料，其流动度比掺石英砂的RPC略高；其抗折强度与掺石英砂的RPC相近，抗压强度略低于掺石英砂的RPC。

天然砂的级配较石英砂更为连续，分布更均匀，如图3所示，能与其他固体原材料颗粒形成更为紧密的堆积状态。基于Dinger-Funk方程的配合比设计结果（图3）也表明，采用天然砂的RPC配合比计算曲线与目标曲线拟合程度略优于石英砂。由于石英砂具有优良的质地，其SiO2含量高，莫氏硬度高，且颗粒圆整光洁，杂质少，而天然砂成分复杂，杂质含量较多，因此，掺天然砂的RPC强度略低于掺石英砂的RPC强度。

采用天然砂替代石英砂作为细骨料对RPC强度及流动度的影响不大。以下试验均采用天然砂作为RPC的细骨料。6 水胶比试验

在以上得出的设计最佳配合比基础上进行水胶比试验，试验所用减水剂采用其厂家推荐用量，即胶凝材料质量的2%。表12为稻壳灰活性粉末混凝土水胶比试验配合比。根据相关文献[27]，[28]，活性粉末混凝土水胶比范围为0.16～0.24，试验以0.02为差值进行掺有稻壳灰活性粉末混凝土在不同水胶比下的强度及流动度试验，每种配合比的抗压强度、抗折强度以及流动度分别由3个试件取平均值获得，试验结果如表13所示。

由表13可知：对于掺有稻壳灰的活性粉末混凝土的流动性，水胶比影响较大，随水胶比的增大，拌和物的流动度增大；当水胶比在0.20～0.24之间时，拌和物流动性很好，很容易振捣成型；当水胶比为0.18时，拌和物较粘稠，但仍具有较好的流动性。

对于掺有稻壳灰的活性粉末混凝土，其抗折强度及抗压强度随着水胶比的增大总体呈逐渐减小的趋势，当水胶比从0.22增大到0.24时，抗压强度有明显下降。当水胶比从0.16增大到0.18时，抗压强度略有增大，这可能是由于在水胶比为0.16时，混凝土拌和物的流动性较差，在成型过程中不易振捣密实，从而影响了其抗压强度。

综合考虑强度和流动性，稻壳灰活性粉末混凝土的适宜水胶比为0.20～0.22。7 稻壳灰替代硅灰试验

7.1 流动度、抗压强度及抗折强度

稻壳灰以0%，20%，40%，60%，80%，100%的替代率替代RPC中的硅灰，配合比见表14，试验研究不同替换率对RPC性能（抗压强度、抗折强度、流动度）的影响。每种配合比的抗压强度、抗折强度及流动度分别由3个试件结果取平均值获得，结果如表15所示。 由表15可知，稻壳灰替代硅灰时不同替代率对RPC强度及流动性能的影响为：

（1）在水泥用量不变的情况下，随着稻壳灰替代硅灰掺量的增加，RPC的流动性逐渐下降。当稻壳灰替代硅灰掺量超过60%时，拌和物流动性明显变差，流动度为160 mm。

稻壳灰比表面积很大，稻壳灰微观粒子中存在大量微米尺度的蜂窝状稻壳纤维网络孔[29]，这些孔隙能够吸附混凝土浆体中的水分，具有表面吸水效应[30]，尤其在低水胶比下，这种对水分的吸附作用更为显著，从而降低了浆体中的自由水，使拌和物流动性下降。此外，减水剂的减水机理是通过吸附在胶凝材料的颗粒表面上释放出颗粒表面的包裹水，而稻壳灰粒子的表面积绝大部分为孔隙内表面，对于内表面吸附的表面水，减水剂无法使其释放出来，在有稻壳灰的情况下，减水剂的减水效果受到较大影响。因此当稻壳灰掺量增大时，拌和物的流动性逐渐减小。

（2）在水泥用量不变的情况下，随着稻壳灰替代硅灰掺量的增大，RPC的抗折强度和抗压强度总体呈逐渐下降的趋势。当稻壳灰替代率为60%时，RPC的7 d抗压强度为58.8 MPa，28 d抗压强度为85.5 MPa。

稻壳灰的化学成分中SiO2含量较高，与硅灰相差不大，但可能由于煅烧温度和制度的影响，其晶体SiO2的含量偏高，影响了稻壳灰的活性发挥，因此稻壳灰的火山灰活性比硅灰低。随着稻壳灰替代硅灰掺量的逐渐增加，RPC的强度逐渐降低。其次，从矿物掺和料的物理填充效应来看，随着稻壳灰和硅灰掺入比例的改变，体系的密实度也产生了相应的变化。当硅灰的替代量过大时（超过60%），体系的堆积密实度下降[26]，从而影响了最终的强度。此外，随着稻壳灰掺量的增大，拌和物的流动性下降。当稻壳灰完全替代硅灰时，拌和物流动性较差，试件在成型过程中不易振捣密实，因此试件的密实度有所降低，从而影响了其强度发展。

值得注意的是，根据最大密实度理论，硅灰与稻壳灰存在一个最佳比例掺量，使体系的堆积密实度最大，此时获得的强度应该较高，但试验结果却显示，随着稻壳灰替代硅灰掺量的增加，RPC的强度呈逐渐下降的趋势。这说明RPC的最终强度同时受掺和料的物理填充效应和火山灰活性的影响，且火山灰活性对RPC强度的影响更为显著。

（3）根据流动度、抗折强度和抗压强度试验结果可知：稻壳灰部分或完全替代硅灰时，其流动度可以接受，抗折强度和抗压强度较高；稻壳灰完全替代硅灰时，其流动度为160 mm，28 d抗折强度为10.4 MPa，28 d抗压强度为78.2 MPa。

7.2 收缩性能

选取稻壳灰替代硅灰的替代率分别为0%，40%，100%的配合比（试件RS-0，RS-2，RS-5）进行收缩性试验，配合比见表14。参照《水泥胶砂干缩试验方法》（JC/T 603—2004）[31]，试验结果见表16，其中每个数值为3个试件结果取平均值。

由表16分析稻壳灰替代硅灰不同替代率对RPC收缩性能的影响为：

与单掺硅灰相比，稻壳灰部分替代硅灰（替代率为40%）和完全替代硅灰时，RPC在各龄期的收缩率都小于单掺硅灰的RPC，且其收缩率随龄期增大变化较缓慢，这是由于火山灰活性较低和粒径相对较大的稻壳灰替代硅灰的掺入减少了由于硅灰的高火山灰活性导致的自收缩效应[32-33]。

7.3 抗氯离子渗透性能

参照ASTM C1202-2010规范[34]，采用NEL-PEU型混凝土电通量测定仪进行RPC抗氯离子渗透性能的检测。稻壳灰以0%，40%和100%替代RPC中的硅灰，试验研究不同替换率对RPC抗氯离子渗透性能的影响，配合比见表14。每种配合比的电通量分别由3个试件取平均值获得，试验结果见表17。

由表17可知，随着稻壳灰替代硅灰的替代率增加，RPC的抗氯离子渗透性能逐渐下降。相对于不掺稻壳灰的RPC，部分替代硅灰（40%）的RPC电通量上升了73.5%，这是由于硅灰具有更高的火山灰活性，促进二次水化反应产生C-S-H凝胶，使RPC结构更加致密[35]，稻壳灰部分替代硅灰虽然抗氯离子性能下降，但仍然很好；当稻壳灰完全替代硅灰时，相对于不掺稻壳灰的RPC电通量上升了212.2%，虽然稻壳灰的火山灰活性效应和微观颗粒对氯离子的物理吸附固化作用优异，但可能由于稻壳灰对拌和物流动性的降低作用，使得稻壳灰完全替代硅灰情况下，掺稻壳灰RPC的密实度有所下降，所以其抗氯离子渗透性能受到较大影响。8 结 语

（1）采用X射线荧光光谱仪测定稻壳灰的化学成分，本文所采用的稻壳灰的主要活性成分为SiO2；采用李氏瓶法测定稻壳灰的密度为2.28 g·cm-3；采用激光粒度仪测定稻壳灰的粒径分布，平均粒径为37.4 μm；需水量比为107%；抗压强度比为82.8，活性指数为0.58，其具有一定的火山灰活性。

（2）根据最大密实度理论，选择水泥、硅灰、稻壳灰、石英砂基本配合比为1∶0.15∶0.1∶1.0。

（3）试验比较石英砂和天然砂2种不同细集料对RPC性能的影响，结果表明：采用天然砂替代石英砂作为细骨料对RPC抗折强度、抗压强度及流动度影响不大。

（4）随着水胶比的增大（0.16～0.24），掺稻壳灰的RPC流动性增大，抗压强度和抗折强度总体呈下降趋势。综合流动度、抗压强度和抗折强度试验结果，掺稻壳灰RPC的适宜水胶比为0.20～0.22。

（5）随着稻壳灰替代硅灰掺量的增加，RPC的流动度下降，当替代率超过60%时，流动度显著变差，为160 mm；抗压强度和抗折强度总体呈平稳下降趋势，当替代率为60%时，RPC的7 d抗压强度为58.8 MPa，28 d抗压强度为85.5 MPa。

（6）随着稻壳灰替代硅灰掺量的增加，其收缩率降低且随龄期增长变化缓慢。

（7）随着稻壳灰替代硅灰掺量的增加，其抗氯离子渗透性能有所下降，稻壳灰在100%替代硅灰时，氯离子渗透仍极低。

（8）综合流动度、抗折强度、抗压强度及耐久性以及经济性和环保性等，建议根据不同使用性能要求选择稻壳灰部分或完全替代硅灰的RPC。

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