电厂稻壳灰水泥砂浆流动度及力学性能研究

Vol. 40 No. 6
Nov. 2020
第40卷 第6期 安徽理工大学学报(自然科学版)
2020 年 11 月
Journal of Anhui University of Science and Technology (Natural Science )电厂稻壳灰水泥砂浆流动度及力学性能研究
刘宜思-庞建勇▽，姜平伟-苏 强】，张 琴'
(1•安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南232001 ；2.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点
实验室，安徽 淮南232001)
摘 要：为探究绿色建筑材料，将电厂发电残余物稻壳灰掺入到水泥砂浆中，得到了一种新的
稻壳灰水泥砂浆。

以不同稻壳灰掺量和水灰比为影响因素，配制了 16组水泥砂浆进行流动度 试验和7(1与28d 的静态拉压试验，得到两种影响因素分别对水泥砂浆工作性能与力学性能的
影响规律，并通过SEM 电镜试验对稻壳灰在水泥砂浆中的作用机理进行了分析。

结果表明： 掺入电厂稻壳灰的水泥砂浆其流动度会有所降低，但抗折和抗压强度得到了明显增强；对比
7d 和28d 力学性能试验结果，稻壳灰掺量的增加，会降低其力学性能增强过程的稳定性；适量
电厂稻壳灰可与水泥水化主要产物Ca(OH )2二次水化生成C-S-H 凝胶，并具有”微集料效 应"。

综合试验结果，建议电厂稻壳灰掺量为10%,水灰比为0.54o
关键词:稻壳灰;水泥砂浆;流动度;力学性能;扫描电镜中图分类号：TU525.9
文献标志码：A 文章编号：1672-1098(2020)06-0054-07
Study on the Fluidity and Mechanical Properties of Cement Mortar
Added with Rice Husk Ash from Power Plant
LIU Yisi 1 ,PANG Jianyong 1-2,JIANG Pingwei 1, SU Qiang 1, ZHANG Qin 1
(1. School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology , Huai nan Anhui 232001 , China ；2 ・ State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine , Anhui University of Science and
Technology , Huainan Anhui 232001 ,China)
Abstract :To investigate green building materials , rice husk ash, a residue from power plant power generation
was added to the cement mortar forming a new type of rice husk ash-cement mortar ・ 16 groups of cement mortars were prepared with different rice husk ash admixture amounts and water-cement ratios as the influencing factors ,
being subjected to flowability tests and static tensile tests at 7d and 28d to analyze the effects of different admix ­ture amounts of rice husk ash and different water-cement ratios on the working and mechanical properties of the
cement mortars ・ In addition , the micro-mechanism of rice husk ash in cement mortar was analyzed by scanning electron microscope ( SEM) test. The results demonstrated that when mixed with RHA from power plant , the flu ­
idity of the rice husk ash cement mortar was reduced , while the bending strength and compressive strength were significantly enhanced ・ Moreover , compared with the results of mechanical property tests at the age of 7d and
28d respectively , the increase of rice husk ash would reduce the stability of its mechanical property in the process of enhancement ・ The appropriate content of rice husk ash from power plant would be secondary hydrated with Ca
(OH) 2 ,a main product of cement hydration , to form C-S-H gels , which have the micro -aggregate effect. On the whole , it is recommended that the power plant rice husk ash content is 10% and the water-cement ratio 0. 54 re-
spectivel y .
Key words : rice husk ash ； cement mortar ； fluidity ; mechanical properties ; scanning electron microscope
收稿日期：2020-07-21
基金项目：安徽理工大学研究生创新基金资助项目(2019CX2019)
作者简介:刘宜思(1994-),男，安徽巢湖人，在读硕士，研究方向:混凝土材料。

第6期刘宜思,等:电厂稻壳灰水泥砂浆流动度及力学性能研究55
稻壳中含有丰富的无定性SiO2，其经焚烧后得到的稻壳灰(Rice husk ash,RHA)富含纳米级Si02［,］o 纳米SiO2能与水泥的主要水化产生Ca(OH"发生反应得到水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，提高水泥砂浆的力学性能，但纳米颗粒所具有较高的表面活性和火山灰效应，会降低水泥浆体的工作性能〔I】。

同时电厂汽化炉焚烧后的RHA作为一种生物质掺合料，并且是一种大量的可再生废弃资源。

所以探究RHA在建筑材料上的合理应用，符合绿色建筑的发展理念。

文献［5］研究了稻壳在600兀条件下燃烧的产物，发现其中含有大量纳米级SiO2颗粒和蜂窝状孔隙,RHA具有高火山灰活性。

文献［6］将低温RHA和矿物掺合料掺入水泥基材料，并对力学性能和微观结构进行了研究。

文献［7］研究了水泥基在不同RHA掺量下的比表面积、凝结时间和力学性能，发现RHA的掺入会使水泥比表面积增加,降低其工作性能，延长凝结时间。

文献［8］等研究了RHA混凝土的耐高温性能，发现掺入5%RHA 的混凝土耐高温性能优于普通混凝土。

上述国内外学者主要研究了试验室控温条件下(低于600T)焚烧获得的RHA在水泥基材料的微观形态以及强度等方面的应用，该环境下取得的RHA,焚化要求极高，且不易大量获取。

所以本文
表1特选取电厂(燃烧温度600〜650T)产RHA,以不同水灰比的水泥砂浆配合比为基准，用RHA代替部分水泥加入到水泥砂浆中。

探究稻壳灰水泥砂浆(Rice husk ash cement mortar,RHA-CM)力学性能，为推动电厂RHA的应用，缓解RHA废弃物造成的环境压力提供试验基础。

1试验设计
1.1试验材料
RHA：湖北华电襄阳发电有限公司发电残余RHA,化学成分以SiO2(85.6%)为主，同时含有少量K2O(2.51%)CaO(2.44%)Fe2O3(0.56%)MgO (0.51%)。

水泥:P•042.5普通硅酸盐水泥;砂:标准砂;拌合水：自来水。

1.2试验方法
1.2.1试验配合比设计试验
设定RHA掺量设置为凝胶材料(RHA+水泥)总质量的5%、10%、15%共3个梯度，并设置不掺RHA的空白组作为对照。

同一RHA掺量试验组设置4个不同水灰比，分别为0.5、0.54、0.58、0.62。

其他条件保持一致，计算所得配合比如表2所示。

RHA-CM试验配比
组名水泥/(kg•m"3)RHA/(kg-m"3)水/(kg-m'3)标准砂/(kg•m~3)水灰比RHA掺量/% N-1450022513500.500
N-2450024313500.540
N-3450026113500.580
N-4450027913500.620
A-1427.522.522513500.505
A-2427.522.524313500.545
A-3427.522.526113500.585
A-4427.522.527913500.625
B-14054522513500.5010
B-24054524313500.5410
B-34054526113500.5810
B-44054527913500.6210
C-1382.567.522513500.5015
C-2382.567.524313500.5415
C-3382.567.526113500.5815
C-4382.567.527913500.6215
56
安徽理工大学学报（自然科学版）
第40卷
12.2试件制作及测试方法
1）流动度的测量与需水量比的确定
将水泥砂浆搅拌，入模，然后利用捣棒从外向 内均匀振捣10次;然后启动跳桌，以一次/s 的频 率跳动25次;跳动结束后，对水泥砂浆底面取最长
直径及与之垂直的直径进行测量,计算其平均值 （取整数）。

所得结果即为水泥砂浆的流动度。

由于RHA 在水泥砂浆中的吸水作用未知，故 设计不同水灰比以观察不同稻壳灰掺量下的水泥
砂浆流动度，以确定稻壳灰掺量与需水量比的关
系。

参照规范GB/T 18736-2017（高强高性能混凝 土用矿物外加剂》中矿物掺合料需水量的实验方
法,RHA-CM 需水量比的确定方法为：以受检水泥 砂浆流动度在基准水泥砂浆流动度±5rnm 范围内
表2RHA-CM 试验结果
编号
RHA 掺量/%
水灰比
流动度
/mm
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
7d 28d 7d 28d N-1
00.50226
7.34
9.12
30.2
43.2
N-200.54
2587.028.8327.5441. 1
N-300.58307 6.598.5125.0339.5N-40
0.62375
6.288.19
22.56
36
A-1
50.501987.569.6730.2746.2
A-250.54
2247.89
10.01
33.04
4& 3A-3
50.582707. 179.4929.8846.8A-45
0.62328 6.64
9.0127.5344.2
B-1100.50170
7.6310.05
33.01
47.3
B-210
0.54
2018.25
10.5232.5750. 1
B-3
100.582287.6510.23
31.62
49.1B-4100.622667.20
9.812& 8547. 1C-1
15
0.50156 6.559.0724.4
40.7C-2150.54
186
6.87
9.26
25.6241.9
C-3
150.582097.019.425.9143.6
C-415
0.62
225
7.04
9.6
25.74
44.5
2试验结果分析
2.1流动度分析
从图1可以看岀，对同一 RHA 掺量的水泥砂 浆，随着水灰比的增大，水泥砂浆的流动度也逐渐 增加，而水灰比一定的水泥砂浆，随RHA 掺量的增
时所加入的拌和水量为用水量，即
W
^=225X10°%
⑴
式中:氏、表7K 受检水泥砂浆的需水量比,％ ; W t 表 示受检水泥砂浆的用水量,g;225为基准水泥砂浆 的用水量,g 。

2）水泥砂浆试件的制备与养护
每一种配合比各制作6块40mm x 40mm x
100mm 的试件用于测试其抗折强度,6块lOOmmX 100mmx 100mm 用于测试其抗压强度。

试块于
20七恒温条件下放入饱和Ca （0H ）2溶液中养护,
并在7d 和28d 的时测试其力学性能。

1.3试验结果
加,其流动度逐渐降低。

这主要是由于RHA 活性
较高，掺入到水泥砂浆后会促进水泥水化反应的速 率，消耗了较多RHA-CM 中的自由水；同时RHA
颗粒的巨大比表面积以及蜂窝状结构造成其较强
的吸水性，减少了 RHA-CM 中的自由水含量。

因 而在较低水灰比环境下,RHA-CM 的工作性能受
到不利影响,流动度降低。

第6期刘宜思,等:电厂稻壳灰水泥砂浆流动度及力学性能研究57
i
s
150---------'---------1---------1---------1---------1---------'
0.500.520.540.560.580.600.62
水灰比
—0r-5一-10r-15越大，抗折强度的增长过程越稳定。

而相同水灰比条件下,RHA的掺量越高,0越小，说明RHA对水泥砂浆抗折强度的增强过程稳定性具有负面作用, RHA的掺量越高，水泥砂浆强度增加过程的稳定性越差。

8.5r
5
6
7.
7.
图1不同RHA掺量下水灰比与流动度
6.5「
同时在图1中发现，标准水泥砂浆(RHA掺量为0,水灰比0.5)的流动度为224nmi。

而N-l、A-2、B-3与C-4的流动度基本处于同一水平线上,即RHA掺量分别为5%、10%和15%时，水灰比分别为0.54.0.58和0.62可以使相应RHA掺量的水泥砂浆与标准配比的水泥砂浆流动度基本一致。

2.2力学性能分析
1)抗折分析
从图2(a)-(b)中可以看出，水灰比超过0.54时，随着RHA掺量的增加，RHA-CM的7d和28d 的抗折性能均得到了明显的提高，且0.54的水灰比以及10%掺量的RHA对其抗折性能的提高最为显著，其九和28d抗折性能的提高较标准砂浆分别可达到12.4%和15.3%。

同时可以看到，水灰比为0.5时,RHA的掺入对水泥砂浆抗折强度的影响并不明显，这主要由于水灰比过小,RHA的吸水作用导致水泥砂浆和易性较差，流动度降低,致使RHA-CM的工作性能下降,RHA的增强作用不明显。

而当水灰比大于0.54时，由于含水量过大，流动度过高，不利于RHA-CM的硬化，导致其抗折强度呈下降趋势。

图2(c)为RHA-CM7d抗折强度和28d抗折强度的比值(在本文中简称为0)。

从图中可以看出，在RHA掺量相同的情况下,0的变化趋势与7d 及28d抗折强度基本一致。

而在同一水灰比的情况下，随着RHA掺量的增加,0的值越来越低。

0的值越大，代表其抗折强度的增加过程越稳定。

可见相同RHA掺量的情况下,28d抗折强度越大,0
6.01------------------'------------------'------------------'
0.500.540.580.62
水灰比
-*-0%亠5%亠10%—15% ll.Or
5
o
0.
0.
9.0
(a)7d抗折强度
-
一
.50
5
O
0.540.58
水灰比
t-0%-*-5%-*-10%十15%
(b)28d抗折强度
0.62
80
78
76
.74
2
7
O.
P
8
Z
A
P Z
.
82
7&
2
图
0.540.580.62
水灰比
-«-0%亠5%亠10%十15%
(c)7d与28d抗折强度比
7d与28d
抗折强度及其抗折强度比
58
安徽理工大学学报(自然科学版)第40卷
由此表明RHA 的掺量与水灰比对水泥砂浆抗
折性能的影响是交互的，所以借助Matlab 数值计 算软件，选取/(%』)为28d 的RHA-CM 抗折强度
目标函数，其中%为水灰比』为RHA 掺量(％ ) o
得到曲面如图3及拟合公式(2),并且拟合度较 高,疋为0.934。

并可以得到曲面峰值岀现在为水
灰比0.54,RHA 掺量为10%位置处，此时本试验 条件下的RHA-CM 的28d 抗折性能最优。

9.0
8.5、
粽二学年窣一
dc z
10.019.5
9
8.587.5
34 ------------------'------------------1------------------'0.50 0.54 0.58 0.62
水灰比
-*-0% 亠5% 亠 10% 十 15%
(b)28d 抗压强度
r
72图3 28d 抗折强度与水灰比及RHA 掺量关系曲面图
/(%,/) =6. 878 + 0. 1877*% + 2. 303 *y -0. 1557*%2 +0. 162*%*y-0. 4732=0. 934)
⑵
2)抗压分析
从图4可以看岀，相同条件下的RHA-CM 的
7d 抗压强度与28d 抗压强度与相应的抗折强度变
化基本一致，可以得到RHA 对水泥砂浆的抗折强 度值与抗压强度值有相近的增强作用。

在此不再
多做描述。

弐母咽出聲S Z
坏一0 0 0 0
00.
0.
0.561------------------1------------------1------------------1
0.50 0.54 0.58 0.62
水灰比
-*-0% —5% 亠］0% 十 15%(c)7d 与28d 抗压强度比
图4 7d 与28d 抗压强度及其抗压强度比
应用数值计算软件对RHA-CM 的28d 抗压性 能进行曲面拟合，如图5所示，拟合曲面公式见式
(3)。

同样的得到在为水灰比0.54,RHA 掺量为 10%位置处，此时本试验条件下RHA-CM 的28d
抗压性能最优。

26
O L
.5
2 O 20.54 0.58 0.62
水灰比
B " 0% —*^5% —15%
(a)7d 抗压强度
图5 28d 抗压强度与水灰比及RHA
掺量关系曲面图
第6期刘宜思,等:电厂稻壳灰水泥砂浆流动度及力学性能研究59
/(%,y)=27.95+ 1.54*%+15.02*y-
0.9194*%2+0.9964*%>-3.257*y2(/?2=0.9734)
(3)式中皿为水灰比』为RHA掺量(％),/(%』)为28d抗压强度,疋为决定系数。

3微观分析
从图6(a)中可以看到，电厂RHA中的大量无定性纳米级Si。

?,均匀分散于水泥浆体中具有“微集料作用”，即起到细微集料的作用，改善水泥砂浆级配，将有害孔转化为无害孔［9-10］o同时，无定性SiO2在水泥水化过程与其主要产物Ca(OH)2进一步的反应生成C-S-H凝胶⑴一⑵，并为接下来生成的水化产物提供了成核点，使得C-S-H凝胶等直接影响水泥砂浆强度的物质能更好的连接在一起，提高RHA-CM内部的密实度［⑶，从而提高RHA-CM的抗折强度与抗压强度。

另外,RHA中的K\Fe2+离子能够提高RHA-CM中的电解质浓度，加速硅酸盐组分的水化过程，有利于C-S-H 凝胶的产生［⑷，两种作用共同作用，使得水泥砂浆具有更好的力学性能。

&)二次水化(：-$-曰凝胶(b)15%RHA掺量
图6RHA-CM基体电镜照片
而当RHA掺量提高到15%及以上时，由于水化产物的总量限制,RHA的微集料作用无法很好的体现;相反的，大量RHA颗粒未发生水化反应,导致水泥砂浆之中存在较多的孔洞如图6(b)所示，进而导致水泥砂浆的力学性能下降。

而从水灰比的角度看，当RHA掺量在5%〜10%时，由于RHA蜂窝状的结构特点，导致其较强的吸水作用［⑸，并且C-S-H凝胶也会增加RHA-CM的粘稠度。

故而使得水灰比为0.5的RHA-CM流动度降低，和易性较差，进而造成力学性能的降低。

而当水灰比大于0.54时，又会因为水灰比过大导致离析等不利影响，同样会降低RHA-CM的力学强度。

因此，能使RHA在RHA-CM充分发挥增强作用的掺量应为10%，水灰比应为0.54o
4结论
(1)电厂RHA的掺入会降低水泥砂浆的流动性,影响混凝土的和易性和力学性能。

水灰比一定时,RHA-CM的流动度与RHA掺量呈反比。

根据试验拟合得到了RHA-CM需水量比与RHA掺量的关系公式。

(2)电厂RHA对RHA-CM的力学强度有增强作用，但会降低强度增加过程的稳定性。

当水灰比0.54,RHA掺量为10%时,RHA-CM的抗折强度与抗压强度均达到最大值。

(3)电厂RIIA中含有大量无定性SiO2与水泥水化主要产物Ca(OH)2生成C-S-H凝胶,并具有“微集料效应”，是RHA能够提高水泥砂浆力学性能的主要原因。

但RHA掺量较多会导致大量RHA颗粒未发生水化反应，导致水泥砂浆之中存在较多的孔洞，力学性能降低。

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