低温与高温稻壳灰水泥砂浆性能对比研究

低温与高温稻壳灰水泥砂浆性能对比研究

1研究结果与分析中国是世界上水稻产量最高的国家。作为水稻的副产品，水稻壳约占水稻重量的20%。笔者探讨并试验研究了不同高低温稻壳灰掺和比例对水泥砂浆力学性能、稠度和保水率的影响，并结合微观图像对其作用机理进行对比分析，研究结果以期为稻壳灰资源化的应用提供新视角，充分利用废料，减少污染，降低水泥成本。2实验2.1稻壳灰的化学组成试验选用的水泥为湖北黄石市某水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。采用湖北省某厂家生产的煅烧温度分别为400℃和800℃的稻壳灰(RHA),即为低温稻壳灰(4R)和高温稻壳灰(8R),如图1所示。为了使两种稻壳灰的粒径相同，用高速粉磨机将制备好的稻壳灰研磨，并过180目筛，其中稻壳灰的化学组成如表1所示。采用的骨料为河砂(中砂),其物理性能指标如表2所示。2.2入稻壳灰的试样制备根据规范《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081—2019)中的要求制备水泥砂浆并进行性能测试。试验以掺入稻壳灰的种类为变量，其它因素为定量，采用内掺法分别将高温稻壳灰、低温稻壳灰按照水泥量的0%、5%、10%掺入，具体配合比如表3所示。将砂、稻壳灰和水泥等材料依次加入到混凝土搅拌机中预搅拌1min后，再加入水搅拌2min。将拌合物倒入模具中成型，24h后拆除试样模板，放在相对湿度为50%±5%、养护温度为(20±1)℃的标准环境下进行养护。2.3术后术准根据JGJ70—90规范对制备好的水泥砂浆分别进行稠度测试，以2次测试稠度的算术平均值为准，精确至1mm。依据JGJ/T98—2019规范对水泥砂浆进行保水率测试(新拌水泥砂浆由滤纸吸水5min后留存水的质量/试验前的含水量),计算公式如下：(1)上式中，R为保水率(100%),Z为试验初始用水量(根据3结果与讨论3.1稻壳灰水泥砂浆的稠值水泥砂浆的稠度越大，表明该水泥砂浆越稀，流动性越好，稠度在允许区间范围内具有优良的工程性能。试验分别测试了水泥砂浆的稠度值，其结果如图2所示。由图2可以看出，在同一掺量下，高温稻壳灰水泥砂浆的稠度值<普通水泥砂的稠度值<低温稻壳灰水泥砂浆的稠度值，即稻壳灰水泥砂浆的稠度值与煅烧温度有关，掺量小于5%时，低温稻壳灰水泥砂浆的稠度值呈上升趋势且大于普通水泥砂浆的稠度值，高温稻壳灰水泥砂浆的稠度值则相反。当掺量大于5%时，高低温稻壳灰水泥砂浆的稠度值均随着掺量的增大而增大，且高温稻壳灰水泥砂浆的稠度值仍小于普通水泥砂浆的稠度值。上述结果的主要原因是相比低温稻壳灰，高温稻壳灰表现较“蓬松”且内部结构破损程度大，这造成其吸水性更高一些，致使高温稻壳灰水泥砂浆流动性差、稠度变小，而稻壳灰过量时，水泥砂浆的稠度随着掺量的增大而增大。3.2水泥水化剂的用量砂浆的保水性是砂浆性能的一个重要指标，其允许保水率范围≥88%,良好的保水率不仅能够使得砂浆与基层间充分黏结，而且还能够使得水泥水化得更加充分。由图3可知，砂浆保水率没有明显的变化规律，当掺入低温稻壳灰时，稻壳灰水泥砂浆的保水率随着掺量的增大而增大，最大可达到98%以上，此时掺量为10%。当掺入高温稻壳灰时，水泥砂浆的保水率几乎没有变化。出现上述结果的原因是水泥水化反应生成氢氧化钙，低温稻壳灰火山灰活性组分与氢氧化钙反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等，即为火山灰的水泥水化过程3.3力学能力3.3.1高温水泥砂浆与高温稻壳灰水泥砂浆的抗压强度比较分别对不同掺量的低温和高温稻壳灰水泥砂浆试样进行14d、28d的抗压强度测试，结果如图4所示。由抗压强度试验结果图可以看出，当掺量一定时，高温稻壳灰水泥砂浆的抗压强度较低温稻壳灰水泥砂浆的强度小，且14d、28d的高温稻壳灰水泥砂浆的抗压强度均小于空白对照组水泥砂浆的抗压强度。这是由于煅烧温度过高导致稻壳灰内部结构被破坏，火山灰活性降低，进而导致水泥砂浆的抗压强度降低。当掺入低温稻壳灰时，14d和28d的抗压强度随着掺量的增加先升高后降低，在掺量为5%时，水泥砂浆14d和28d的强度最高，相对于普通水泥砂浆的抗压强度分别升高了8%和6%,主要原因是低温稻壳灰中大量SiO3.3.2稻壳灰水泥砂浆抗折强度试件抗折强度图如图5所示，由图5可知，抗折强度的变化规律基本与抗压强度的变化规律相同，对于低温稻壳灰水泥砂浆，14d和28d的抗折强度随着掺量的增加先升高后降低，而随着掺量的增加，高温稻壳灰水泥砂浆14d的强度持续下降且小于普通水泥砂浆，28d的强度随着掺量的增加呈先升高后降低的趋势。稻壳灰对水泥砂浆的抗压强度和抗折强度的影响规律和作用机理相同，出现以上现象的原因见上述。3.4稻壳灰水泥砂浆微观结构分析通过扫描电镜观察低温稻壳灰、高温稻壳灰、14d时普通水泥砂浆空白对照组及掺量为5%、10%的低温和高温稻壳灰水泥砂浆，试件微观结构如图所示。由图6～图9可知，加入稻壳灰后水泥砂浆的内部结构更加密实，微观结构中未发现有明显的孔隙结构，而图6普通水泥砂浆的微观图中有大量的孔洞，胶凝材料网状结构较为稀疏。对比分析图7a和图7b可以看出，高温稻壳灰内部结构的损坏程度较大，夹层呈中空状态。由图8b和图9b可知，在同一掺量下，微观结构图中高温稻壳灰水泥砂浆的针状物比低温稻壳灰水泥砂浆的针状物多，且针状物多独立分布，高温稻壳灰在掺量为10%时，水泥砂浆中有部分未反应的稻壳灰存在于胶凝材料的表面。由图8a、8b、9a、9b可知，在同一煅烧温度下，相比于10%的稻壳灰掺量，5%掺量的稻壳灰水泥砂浆内部的微观网状结构更加密集一些，这将促进水泥砂浆与稻壳灰二者之间的整体性和稳定性，增强稻壳灰水泥砂浆的强度。4对水泥砂浆性能的影响通过掺入高温稻壳灰和低温稻壳灰制备稻壳灰水泥砂浆，并进行稠度、保水率和力学性能的测试，最后结合微观结构对其作用机理进行分析。主要结论如下。(1)在同一掺量下，高低温稻壳灰对水泥砂浆稠度的影响相反。稠度值的差异表现为低温稻壳灰水泥砂浆>普通水泥砂浆>高温稻壳灰水泥砂浆，这表明加入适量的稻壳灰可以调整砂浆稠度，以获得质量均匀、成型密实的性能。(2)稻壳灰对水泥砂浆的保水率作用甚微。低温稻壳灰能使水泥砂浆的保水率增加，掺量为10%时，保水率最大可达98%,而高温稻壳灰对水泥砂浆的保水率几乎没有影响。(3)相比于高温稻壳灰，低温稻壳灰对水泥砂浆的力学性能影响更加显著。随着稻壳灰掺量的