稻壳灰复合掺合料与纤维协同作用对地铁混凝土性能的影响
时间：2023-04-15 11:35:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
肖力光，岳喜智
(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)
地铁工程是一项百年工程，由于地铁工程的主体结构部分位于地下，对混凝土的力学及耐久性能有着较高的要求。我国是农业大国，每年的稻壳产量数以千万吨。稻壳灰是稻壳经过燃烧后得到的农业废料[1]，主要成分是无定形SiO2，其含量高达87%～97%，可以充分发挥其较高火山灰活性[2]，作为新型优质的矿物掺合料使用[3]，制备绿色高性能混凝土[4]。
本文以吉林当地电厂焚烧所得的稻壳灰为原料，过滤球磨后，以等质量替代水泥掺入混凝土中，利用正交实验探究了稻壳灰等矿物掺合料及玄武岩纤维对混凝土力学及抗渗性能的影响[5-6]。
1.1 材料与仪器
P·O42.5普通硅酸盐水泥(其主要的物理性能见表1)、Ⅱ级粉煤灰(FA)，均为吉林长春亚泰集团生产；
矿渣(S)，吉林通钢集团矿渣微粉；
稻壳灰(RHA)，吉林电厂锅炉焚烧产生的稻壳灰，以上掺合料化学组成见表2；
人工碎石、天然河砂均取自吉林地区；
液体聚羧酸高效减水剂(固含量为35.5%，减水率25%)；
玄武岩纤维，吉林通鑫玄武岩科技股份有限公司生产，性能参数见表3；
水为实验室内自来水。
表1 水泥的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement
表2 水泥、粉煤灰、矿渣、稻壳灰化学成分Table 2 Chemical composition of cement，fly ash，slag and rice husk ash
表3 玄武岩纤维的主要性能参数指标Table 3 Main performance parameters of basalt fiber
HJW-60型单卧轴强制式混凝土搅拌机；
SYMΦ500×500型行星球磨机；
YES-3000型混凝土压力试验机；
SBY-60型恒温恒湿养护箱；
HP-4.0型数显混凝土抗渗仪；
TM3030型扫描电子显微镜；
Ultima IV型多晶粉末X-射线衍射仪。
1.2 实验方法
稻壳灰、矿渣、稻壳灰经机械球磨20 min进行磨细处理。
粗集料，采用吉林地区人工碎石，级配连续，粒径为5～25 mm。细集料为吉林地区天然河砂，细度模数为2.62的中砂，含泥量为 1.4%。减水剂采用液体聚羧酸高效减水剂，固含量为35.5%，减水率为 25%。纤维采用18 mm玄武岩纤维。
1.2.1 掺合料和砂率的最佳配比实验 研究经机械球磨20 min的稻壳灰、粉煤灰、矿渣矿物掺合料等量替代水泥对混凝土性能的影响，设计稻壳灰、粉煤灰、矿渣、砂率作为4种影响因素进行正交实验，探究混凝土的力学性能，确定矿物掺合料和砂率的最佳配比。
1.2.2 玄武岩纤维掺量实验 在正交实验的最佳配比基础上，研究玄武岩纤维掺量(采用外掺法，体积掺量0.05%，0.1%，0.15%，0.2%)对混凝土力学性能的影响。
1.2.3 混凝土抗渗性能 通过渗水高度法研究空白基准组、最佳配比组及掺玄武岩纤维最佳配比组对混凝土抗渗性能的影响。
以上试件均在标养28 d的环境条件下，测试试件的抗压强度及抗渗性能。
1.3 性能测试
1.3.1 混凝土强度实验 按照 GB/T 50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验。试件尺寸为 100 mm×100 mm×100 mm (强度值乘尺寸换算系数0.95)，进行28 d标准养护后使用压力试验机进行压力实验，3个为一组，取其平均值。
1.3.2 混凝土抗渗透性能测试 按照GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗渗实验。试件采用175 mm×185 mm× 150 mm 的圆台体通过渗水高度法进行抗渗实验，试验仪器采用数显混凝土抗渗仪。
1.3.3 微观分析 采用台式扫描电子显微镜(SEM)对混凝土试块进行微观分析。采用多晶粉末X-射线衍射仪进行物相分析。
2.1 稻壳灰的表征
稻壳灰(RHA)的XRD见图1、SEM见图2。
图1 稻壳灰XRD图谱Fig.1 XRD pattern of rice husk ash
由图1可知，稻壳灰2θ=22.02，28.54，31.44，36.20°出现了显著的SiO2的特征衍射峰 。通过JADE6.5软件计算得出，稻壳灰中的晶态SiO2含量和非晶态SiO2含量为22.63%和51.35%，说明稻壳灰具有较高的活性。
图2 稻壳灰微观SEM图Fig.2 SEM diagram of rice husk ash
由图2可知，稻壳灰的微观形貌是一种疏松多孔的状态，为松散的蜂窝状结构，内含较多中空的孔洞。
2.2 配比正交实验
采用4因素3水平正交实验，因素水平见表4，正交实验结果见表5。
表4 正交实验因素水平表Table 4 Level table of orthogonal test factors
表5 正交实验结果Table 5 Orthogonal test results
表6 正交实验组与空白组的比较Table 6 Comparison between the orthogonal test group and the blank group
由表5可知，影响地铁混凝土28 d抗压强度的因素依次分别是C>D>A>B，即稻壳灰>砂率>矿渣∶粉煤灰>矿渣+粉煤灰。说明了稻壳灰对强度的影响最大。最佳组合为A2B1C2D3，即最佳配合比为稻壳灰取代率为10%，粉煤灰取代率10%，矿渣取代率10%，砂率40%，即4#实验，28 d的抗压强度为64.6 MPa，相比较空白基准组的28 d强度提升了21.89%。抗压强度提升较为明显，这是因为三种矿物掺合料活性较高，其中稻壳灰的SiO2含量高达82.75%，三种掺合料相互拌合提高了SiO2含量，可以充分的发挥其火山灰活性。实验所使用的稻壳灰的煅烧温度在500～700 ℃，也可以有效提高稻壳灰的活性[7]。同时各掺合料进行了充分研磨，形成了良好的颗粒级配，能够更加充分的填充混凝土内部的孔隙结构，使混凝土内部更加致密，加上粉煤灰的玻璃微珠状，稻壳灰的中空蜂窝状，都可以更好地改善内部的孔隙结构，使混凝土内部更为致密，从而有效地提升混凝土的抗压强度。
2.3 纤维的掺量与掺合料共同作用下对抗压强度的影响
图3为玄武岩纤维掺量对混凝土28 d抗压强度的影响。该实验是在正交实验最佳配合比基础上进行的。
图3 玄武岩纤维掺量对混凝土28 d抗压强度的影响Fig.3 Influence of basalt fiber content on 28 d compressive strength of concrete
由图3可知，随着玄武岩纤维的掺量增加，混凝土的强度呈现出了先增长后下降的趋势，当纤维掺量超过0.1%时，强度开始降低。当玄武岩纤维的体积掺量为0.1%时强度最高，为66.6 MPa，相比于空白组强度增长了25.67%，相较于正交最佳配合比组增长了3.1%，同时4组强度均高于空白组。结果表明，掺入适量的玄武岩纤维可以增加混凝土的抗压强度，但是总体的影响并不明显。
这是因为当纤维的掺量适中时，由于玄武岩纤维具有弹性模量高的特性，同时纤维对周围的裂纹的扩展有限制与延缓的作用[8]，在进行压力实验时，纤维受力变形，消耗能量，从而提高了混凝土的抗压强度，但是当纤维掺量过高时，由于纤维在混凝土内部的乱向分布，同时过多的玄武岩纤维会使砂浆减少，起不到很好地包裹作用，从而导致混凝土内部的结构不致密，降低了混凝土的密实度，导致了强度的降低。
2.4 纤维掺量与掺合料共同作用下对抗渗性能的影响
纯水泥的空白组，正交实验得到的最佳配合比组(砂率40%，稻壳灰取代率10%，粉煤灰取代率10%，矿渣取代率10%)以及在最佳配比下加入体积掺量为0.1%玄武岩纤维组混凝土的抗渗性实验结果见表7。
表7 抗渗实验结果Table 7 Anti-permeability test results
由表7可知，与空白组相比，其余两组的抗渗性能均有着可观的提升，掺玄武岩纤维的一组抗渗效果最优，提升了55.67%。这说明活性掺合料的优良级配使混凝土内部更加致密，加上玄武岩纤维在混凝土中的分散性，当纤维在混凝土中分散均匀，使之与混凝土有着很好的黏结性，从而大幅提高了混凝土的抗渗性。
2.5 微观分析
空白组、正交最佳配合比组、掺玄武岩纤维正交最佳配合比组混凝土的28 d微观电镜图见图4～图6。
图4 空白组混凝土SEM图Fig.4 SEM of blank group concrete
图5 正交最佳配比组混凝土SEM图Fig.5 SEM diagram of orthogonal optimal ratio group of concrete
图6 掺玄武岩纤维的最佳配合比组SEM图Fig.6 SEM figure of the optimal mix ratio group of basalt fiber
由图4可知，空白组28 d混凝土内部存在着裂缝，这不利于混凝土强度的提升，同时在界面过渡区周围存在着大量的片状Ca(OH)2，不利于水化产物晶体之间的连接，导致混凝土内部的结构疏松不致密，使混凝土的力学性能和抗渗性能表现不利。
由图5可知，正交实验掺入矿物掺合料混凝土，玻璃微珠状的粉煤灰被很好地包裹在混凝土内部，水化产物产生了针状钙矾石，减少了Ca(OH)2的结晶体，降低了混凝土内部的孔隙率，同时这组混凝土的界面过渡期的结构紧密，包裹性良好，对强度和抗渗性能有着一定改善的作用。
由图6可知，掺玄武岩纤维的最佳配合比组，玄武岩纤维在混凝土内部分布，同时因为玄武岩纤维具有的高弹性模量的特性，对周围的裂缝起到延缓和限制的作用，使试件在受压时可以消耗能量，提升混凝土的力学性能。同时，掺入的活性掺合料充分发挥了填充效应和火山灰效应，使混凝土内部较为致密，对试件的强度和抗渗性能的提升是有利的。
(1)稻壳灰、粉煤灰、矿渣矿物掺合料等量替代水泥的最佳组合为：砂率40%，稻壳灰取代率10%，粉煤灰取代率10%，矿渣取代率10%。该配合比下得到的抗压强度为64.6 MPa，相较于空白组提升了21.89%。渗水高度为5.2 cm，相比基准组抗渗性能提升了46.39%。说明了矿物掺合料的加入可以有效提升混凝土的力学性能和抗渗性能。
(2)玄武岩纤维掺量在0.1%时，抗压强度最高，为66.6 MPa，同时混凝土的抗渗性最优，渗水高度为4.3 cm，较基准组抗渗性能提高了55.67%。这说明适量的纤维掺量可以提升混凝土的力学性能和抗渗性能。
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