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稻壳灰混凝土性能及机理研究

王维红  
【摘要】:稻壳灰(Rice Husk Ash,RHA)作为一种再生生物质资源,是重要的农业废弃物之一。仅中国每年就有约4000万多吨的稻壳产量。但以往稻壳通常用作燃料直接燃烧以提供热量,利用品质相对较低。将生物质稻壳灰资源用于提高混凝土耐高温性能及保温材料是目前研究的热点问题之一,通过温度和燃烧时间控制,可以将稻壳转化为高活性的矿物掺合料,对于工程需求量很大的水利土木建筑业具有高附加值。目前常用的矿物掺合料有硅灰(SA)、矿渣(SS)、粉煤灰(FA)等。这些组分掺入混凝土可减少水泥用量,降低生产成本,同时可改善混凝土耐久性。但由于大规模的经济建设,造成这些资源短缺和潜在的能源危机。因此,寻找一种容易获取且优质廉价、活性较高的新型掺合料是建材市场的迫切需求。稻壳灰虽然是农业废弃的再生生物质产物,但煅烧之后的稻壳灰,富含约90%的无定形Si02,与传统的粉煤灰、矿渣矿物掺合料相比,稻壳灰的比表面积大而且具有较高的火山灰活性,是理想的活性矿物掺和料,利用我国数量庞大的农业废弃生物质稻壳资源,充分发挥其内在的价值潜力,将其运用于混凝土的生产中,变废为宝,既缓解了稻壳灰渣对环境的压力,又实现了建材产业循环经济的发展,具有广阔的市场发展前景和重要的环保经济意义。本文从能源利用角度,采用宁夏当地稻壳、粉煤灰等工农业废料作为混凝土掺合料,从粉磨稻壳灰的粒径分布、化学成分及微观结构入手,采用宏观和微观相结合的研究方法,对掺有稻壳灰的水泥基物理力学性能、稻壳灰混凝土的力学性能、耐久性能、耐高温性能和导热性能及混凝土微观结构的变化进行了深入的研究,主要研究工作及成果如下:(1)稻壳灰增加了水泥的标准稠度用水量,延缓了水泥凝结时间,而且胶砂强度结果显示,稻壳灰的最佳粉磨时间为45min,稻壳灰与粉煤灰和硅灰复掺后,并不能改善水泥的早期胶砂强度,但合理的掺量能提高28d水泥胶砂强度。(2)通过对混凝土力学性能研究表明:掺入矿物掺合料之后并不能提高混凝土的早期强度,但对后期强度增长显著,正交试验确定了混凝土的最优配合比为水胶比为0.3,稻壳灰掺量为10%,粉煤灰掺量为15%,硅灰掺量为5%;并分析单掺稻壳灰、复掺稻壳灰/粉煤灰、稻壳灰/硅灰及三掺矿物掺合料对混凝土强度的影响规律,结合SEM微观技术测试了水泥石微观结构,结果显示,与未掺矿物掺合料的基准混凝土(JZ)相比,掺入稻壳灰后净浆试件显微结构更加密实,RHA的掺入能够降低净浆中氢氧化钙(C-H)含量并细化大尺寸的C-H晶体,利用神经网络技术对稻壳灰混凝土的128d强度进行了预测,预测结果与实测值较吻合。(3)对稻壳灰混凝土进行抗侵蚀性能检测,结果表明稻壳灰可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能,稻壳灰与粉煤灰、硅灰复掺后的效果更好,并分析了稻壳灰、粉煤灰和硅灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性的影响规律,揭示其对混凝土耐腐蚀性的机理,根据试验结果,建立了混凝土耐硫酸盐腐蚀的寿命预测模型,并根据该模型对不同种类混凝土进行了寿命预测。(4)基准(JZ)混凝土的抗冻性能要优于单掺RHA、复掺RHA/FA、RHA/SA、FA/SA及三掺RHA/FA/SA混凝土;但在掺有矿物掺合料的混凝土中复掺RHA/FA混凝土抗冻性较好,水胶比越大,混凝土的相对动弹性模量和质量损失下降越严重,抗冻性越差。在三种冻融介质下,混凝土在3.5%NaCl溶液中的质量损失率最大,相对动弹性模量损失率的大小关系为:5%Na2SO43.5%NaCl水。(5)稻壳灰、粉煤灰和硅灰矿物掺合料的加入,显著降低了混凝土的电通量,且电通量随水灰比的增大而增大,水胶比0.35混凝土的电通量是0.3混凝土的2倍,水胶比0.4混凝土的电通量是0.3混凝土的将近5倍,R20F15S5(掺20%稻壳灰+15%粉煤灰+5%硅灰)混凝土的电通量最低,仅有160.6库仑,抗渗性能是理想的。(6)适量加入稻壳灰能显著提高混凝土的耐高温性能,在800℃高温,R20F15S5混凝土抗压强度达到36.1MPa,约为JZ混凝土的2倍,同时分析了稻壳灰对混凝土力学性能及耐高温的影响规律,并借助微观手段(SEM、XRD、DSC-TG)揭示混凝土在经历不同温度后的微观形貌及物相变化规律。(7)掺入稻壳灰后的混凝土导热系数大幅度降低,稻壳灰混凝土的导热系数随着水胶比的增加而减小,当水胶比为0.3,稻壳灰掺量10%,粉煤灰掺量为15%的稻壳灰混凝土的导热系数最小达0.239W/(m·k),比基准混凝土降低32.1%,通过PKPM能效测评软件模拟分析,结果显示,稻壳灰混凝土围护结构显著降低了建筑能耗。本文工作丰富了对RHA的基本特性、RHA混凝土的性能及高温热反应机理的认识,所得研究结果可为稻壳灰在水利土木建筑工程的进一步研究和应用提供指导和依据。


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