磨细稻壳和再生骨料对混凝土抗压强度影响研究★

史大全 方光秀 李普 杨旭

(延边大学工学院土木工程专业，吉林延吉 133002)

0 引言

稻谷是我国第一大粮食作物，我国稻谷播种面积一般稳定在3 000万hm2(4.5亿亩)左右。水稻是我国最重要的粮食作物，根据国家统计局数据，1991年以来水稻总产量略有上升，近年来基本维持在2.1亿t。稻壳作为稻谷加工的废弃物，其比例约占稻谷重量的20%，其数值不可忽视。在农村，稻壳仅被看作一种廉价的燃料，对环境造成恶劣影响，这也是对资源的极大浪费，不符合可持续发展的发展趋势。磨细稻壳，是将稻壳磨细而成的，稻壳中的非晶态SiO2可为各种硅质材料的制备提供理想的硅源;稻壳中的纤维质组分，可用作低密度塑料类及水泥类材料的改性材料［1］。近年来绿色混凝土和材料可持续发展的概念，受到人们越来越多的关注。实现混凝土的绿色化和可持续化的一个重要途径就是减少水泥的用量、利用工农业废弃资源替代，这不仅有益于生态环境，同时实现了非再生性资源的可循环利用和有害物质的从低排放。高效应用稻壳资源不仅可以改善环境，还可以使巨大的稻壳资源利用问题得到解决，并对改善混凝土性能提供了新的研究方向。稻壳灰作为混凝土掺合料的性能受产地、煅烧温度和时间、粉磨时间、助磨剂和预处理方式的影响很大，稻壳灰有潜力成为高火山灰活性的混凝土矿物掺合料［2］。

随着传统建材价格的上涨，利用农加工副产品和工业废料制作低成本建筑材料具有重大意义。已有文献研究了烧制的稻壳灰取代水泥对混凝土性能的影响，试验抗压强度结果显示，10%的稻壳灰替代量比较合适［3］，当稻壳灰掺量为20%时，其耐久性能达到最佳状态［4］。粗废混凝土和粗废砖的最佳取代率均为20%，其中粗废混凝土取代时，粗骨料的最大取代率可达60%。细废砖的最佳取代率为10%，细废混凝土的最佳取代率为15%［5］。本文则研究了磨细稻壳按5%，10%，15%等量取代水泥后，再生粗骨料按0%，30%掺量等量取代天然碎石的再生混凝土性能的影响。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

1)磨细稻壳:采用湖北省恩施州巴东县楚天糠粉加工厂生产的80目低水分烘干除尘稻壳粉;

2)水泥:采用的是吉林省北方水泥公司生产的“庙岭”牌 P.O42.5 级水泥;

3)粗、细骨料:天然碎石:最大粒径为31.5 mm，表观密度为2 680 kg/m3，含水率为0%;天然砂:中砂，级配合格，表观密度2 600 kg/m3，含水率为0%;再生粗骨料:使用延边州住建检测中心试验后废弃的混凝土试块，将其破碎后用30 mm筛口筛选;

4)水:自来水。

1.2 试验方案

1)设计指标。再生混凝土及普通混凝土设计强度等级以及施工要求的坍落度为:普通混凝土设计强度为C40、坍落度T=50 mm～70 mm、砂率Sp=35%。

2)养护条件。混凝土试块在温度为(20±2)℃，相对湿度在80%以上的养护室。

3)试块制作。制作7组试块。再生粗骨料取代天然碎石(按质量)为30%;稻壳灰取代水泥的比例(按质量)为5%，10%，15%，再生骨料取代天然碎石(按质量)为0%;为普通混凝土。

4)配制强度与配合比。参照JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程的混凝土配制强度公式:

其中，σ为混凝土强度标准差，N/mm2;fcu，0为混凝土配制强度，N/mm2;fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，N/mm2。

经计算，1 m3普通混凝土的配合比为471 ∶195 ∶602 ∶1 118(水泥 ∶水 ∶砂 ∶碎石)。磨细稻壳和再生骨料双掺混凝土的材料试验配合比如表1所示。

表1 混凝土材料试验配合比 kg

2 试验结果与分析

2.1 试验检测

1)坍落度检测。

坍落度实验的检测结果如表2所示。

表2 坍落度检测结果

图1 坍落度试验与试块制作

坍落度试验与试块制作如图1所示，因为本试验试块数量要求不是很多，所以采用了人工振捣的方法搅拌混凝土。也正是由于磨细稻壳和再生骨料复掺，而参照普通混凝土配制强度公式配制该混凝土，加上人工振捣和养护条件不理想，混凝土试块的试验检测值与配制强度值之间将存在系统误差。

2)抗压强度检测。

分别在试块制作完成7 d，28 d，56 d后在试验室的压力机上以4 kN/s的速率检测。混凝土试块抗压强度检测结果如表3所示。

表3 混凝土试块抗压强度检测结果 MPa

第5组，即:磨细稻壳取代量为5%、再生骨料取代量为30%的混凝土抗压强度，比其他组混凝土抗压强度提升明显，强度增长速率最理想，28 d抗压强度最大。在式(1)的基础上，提出带修正系数为0.8的混凝土配制强度修正公式如下:

2.2 抗压强度与龄期关系

1)拟合曲线方程。

检测结果如表3所示，利用origin软件将上述数据进行拟合，其抗压强度与龄期关系如图2所示。

图2 混凝土抗压强度与龄期关系

由图2可知，第1组，即:当磨细稻壳取代量为0%、再生骨料取代量为0%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程 y1=20.846 67+0.588 93x－ 0.005 09x2(R2=1)。第2组，即:当磨细稻壳取代量为5%、再生骨料取代量为0%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程 y2=17.702 86+0.708 06x－0.006 72x2(R2=1)。第 3组，即:当磨细稻壳取代量为10%、再生骨料取代量为0%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程y3=14.685 71+0.579 69x－0.005 38x2(R2=1)。第 4 组，即:当磨细稻壳取代量为15%、再生骨料取代量为0%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程 y4=6.746 19+0.763 06x－0.008 52x2(R2=1)。第 5 组，即:当磨细稻壳取代量为5%、再生骨料取代量为30%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程 y5=24.397 14+0.728 01x－0.008 02x2(R2=1)。第6组，即:当磨细稻壳取代量为10%、再生骨料取代量为30%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程 y6=18.195 24+0.639 9x－0.006 21x2(R2=1)。第 7 组，即:当磨细稻壳取代量为15%、再生骨料取代量为30%时，该混凝土的龄期和抗压强度关系，满足拟合方程 y7=6.469 52+0.827 7x－0.009 25x2(R2=1)。因第5组的混凝土抗压强度值最大，建议在工程实践中采用第5组配合比。

2)试验分析。

由图2的第5，6，7组对比分析可得出，当再生骨料取代量为30%时，磨细稻壳含量由5%递增到15%时，混凝土抗压强度呈现降低趋势。

磨细稻壳含量越高混凝土强度越低，可能是因为未经焚烧的稻壳灰与水泥性质差距较大，导致水泥浆不能充分黏合。正因为如此，掺有磨细稻壳的混凝土初凝时间较普通混凝土更长。

本文建议的最佳取代量为第5组，即:磨细稻壳取代量为5%、再生骨料取代量为30%。

3 结论

1)随着磨细稻壳含量的增加，混凝土7 d，28 d，56 d强度均下降;且含量越高，强度降低的越快。含再生骨料的磨细稻壳混凝土强度比不含再生骨料的磨细稻壳混凝土强度高。2)本文在现行普通混凝土配合比设计规程的基础上，提出了带修正系数0.8的复掺混凝土配制强度公式。建议的磨细稻壳和再生骨料的最佳取代量分别为5%，30%。