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摘 要:稻壳控制温度燃烧生成的稻壳灰具有很高的火山灰活性,是很好的混凝土外加剂。从稻壳灰的物理性能,及稻壳灰混凝土的抗压、抗盐酸、抗渗透、抗冻融性能进行了论述。稻壳灰混凝土性能优越,具有很好的发展前景。
关键词:稻壳灰;混凝土
我国是世界上最大的稻谷生产国,稻壳作为稻谷加工的副产品,数量巨大,但稻壳仍未找到很好的开发利用途径,浪费资源,也对环境造成污染。稻壳含有约20﹪无定形态的SiO2(蛋白石或硅胶),这是一种有价值的矿物。自然界中的大多数SiO2呈结晶状态存在,无定形SiO2很少。水稻将土壤中稀薄的无定形SiO2如蛋白石SiO2 .nH2O等通过生物矿化的方式富集在稻壳中,等于为人类提取了大量非晶态的SiO2。稻壳在控制温度燃烧下生成的稻壳灰,保持了这种无定形SiO2特性,含量在90﹪左右,具有很高的火山灰活性,是很好的混凝土外加剂。吴中伟院士在《高性能混凝土的发展趋势与问题》一文中,指出稻壳灰“可望接近硅灰功效”。
1、稻壳灰的物理性能
稻壳灰的物理性能受然烧条件影响。当燃烧不完全时,灰中含大量残留碳,于是灰呈黑色;当燃烧完全时,灰呈灰白色。稻壳灰中含量最大的是二氧化硅(质量分数为0.55～0.97),其次为炭,还有少量金属氧化物(质量分数小于0.005),如氧化钾、氧化钠、氧化镁和氧化钙等。稻壳灰的组成和结构取决于处理和燃烧的条件,当温度低于600℃时焚烧稻壳,所得低温稻壳灰中二氧化硅的质量分数在0.9以上,且仍保持无定型状态,基本粒子的平均粒径约为50nm,松散粘聚并形成大量纳米尺度孔隙,粒子呈不规则形状。低温稻壳灰的比表面积大,活性高。当温度超过600℃时,二氧化硅由无定型状态变为结晶状态,并且炭会进入二氧化硅的晶格中,导致纯度下降[1]。
另据Discovery消息,温帕蒂研究团队近日发现了一种新的稻壳加工法,新方法将稻壳放入熔炉,利用800℃高温燃烧,最后剩下高纯度的二氧化硅颗粒,制的符合混凝土成分的稻壳灰。
2、稻壳灰混凝土的性能
2.1、抗压性能
当不加矿物掺合料时,混凝土抗压强度随水胶比W/B降低而增加,但降低到一定值后,其抗压强度增长明显变缓。然而,加适量矿物掺合料后,混凝土抗压强度随水胶比W/B降低而增加,并没有出现明显变缓的趋势。这表明,当水胶比低于一定值后,加矿物掺合料混凝土将获得更高的强度。若不加掺合料,要配制强度更高的混凝土将变得更困难。利用稻壳灰作为混凝土矿物外加剂,对混凝土的抗压强度增加效果明显。在固定水灰比时,稻壳灰对高强和超高强混凝土有强烈的增强作用,掺量在10%～20%时,可提高混凝土抗压强度10MPa以上。这种增强效果超过了造粒硅灰,介于粉尘状硅灰和造粒硅灰之间,远胜于其它掺合料[2]。掺稻壳灰的混凝土中Ca(OH)2的明显减少和孔结构的改善是提高稻壳灰混凝土抗压强度主要原因。
2.2、抗盐酸侵蚀性能
以2%HCl水溶液作侵蚀介质,经过各个不同时间测试试件抗压强度,稻壳灰混凝土的强度均高于未掺稻壳灰的基准样混凝土。随着浸渍时间的延长,混凝土质量损失增大,但稻壳灰混凝土的质量损失远比同龄期的基准混凝土的为小,而且随着稻壳灰掺量的增加,混凝土的质量损失减小。此外,浸渍4个星期后未掺稻壳灰的混凝土试体直接与HCl溶液接触部分表面破坏严重,砂浆剥离,集料露出,而掺有稻壳灰的混凝土试体则基本未变[3]。
2.3、抗渗性能
混凝土抗渗性试验结果表明,在试验范围内,混凝土中稻壳灰掺量越高,水在混凝土中的扩散系数、空气在混凝土中的渗透系数以及Cl-离子的渗透深度就越小;而且,水胶比愈高,这种作用就愈明显。混凝土中掺加稻壳灰,尤其是高水胶比时,混凝土的抗渗性能更可得到显著改善。
P.K.Mehta在报道中指出,使用稻壳灰不仅在低水胶比下,而且在高水胶比下也能显著降低混凝土的渗透性[4]。如对掺水泥重15%的稻壳灰,水胶比为0.7时,渗透性从9910降低至1630库仑;水胶比为0.5时,从6860降至1100库仑。
2.4、抗冻融性能
采用快速冻融实验测定质量损失和相对动弹性模量,研究在水胶比(以质量计)分别为0.45,0.55和0.65的掺高活性稻壳灰混凝土的抗冻融特性,分析气泡及空气量对高活性稻壳灰混凝土的抗冻融特性的影响。研究表明:(1)对不同的水胶比,掺10%和20%高活性稻壳灰混凝土都具有良好的抗冻融特性,但是掺30%稻壳灰的混凝土的抗冻融特性下降;(2)混凝土含气量和平均气泡间隔系数极大的影响稻壳灰混凝土的抗冻融特性,硬化后含气量为4.5%和平均气泡间隔系数为 以下的稻壳灰混凝土都具有良好的抗冻融特性;(3)从混凝土的抗冻性角度来看,高活性稻壳灰在混凝土中的掺量上限为20%[5]。
3、结束语
稻壳灰作为混凝土的掺合料,使得稻壳灰混凝土的强度增加,抗酸性、抗渗性、抗冻融性明显提高,改善混凝土的性能,将在混凝土工程中大有用途。稻壳灰又是稻谷加工的副产品,利用稻壳灰即可减少硅酸盐水泥的用量,又能降低稻壳灰对环境的污染,符合绿色混凝土的发展要求,是今后混凝土工业的发展方向之一。相信随着技术的进步,研究的深入,会有越来越多的方法对稻壳进行深加工,制备出大量高活性的稻壳灰,通过合理的配合比生产混凝土,其低廉的成本,优越的性能,定将在混凝土产品中有广阔的市场前景。
参考文献:
[1]刘琼琼,丛后罗.稻壳灰在橡胶工业中的应用[J].橡胶工业,2008,55(7):444-447.
[2]欧阳东.稻壳更有价值的出路——制备混凝土顶级掺合料[J].粮食与饲料工业,2003,(6):40-42.
[3]余其俊,赵三银.活性稻壳灰对混凝土强度和耐久性能的影响[J].武汉理工大学学报,2003,25(2):15-19.
[4]P.K.Mehta.Rice.Husk.Ash—A.Unique Supplementary Cementing Maerial,Advances in Concrete Technology.Second Edition,Published by CANMET.Edited by V.M.Malhotra.1994,407—431.
[5]冯庆革,杨义,童张法.掺高活性稻壳灰混凝土的抗冻融特性[J].硅酸鹽学报,2008,36(S1):136-139.
关键词:稻壳灰;混凝土
我国是世界上最大的稻谷生产国,稻壳作为稻谷加工的副产品,数量巨大,但稻壳仍未找到很好的开发利用途径,浪费资源,也对环境造成污染。稻壳含有约20﹪无定形态的SiO2(蛋白石或硅胶),这是一种有价值的矿物。自然界中的大多数SiO2呈结晶状态存在,无定形SiO2很少。水稻将土壤中稀薄的无定形SiO2如蛋白石SiO2 .nH2O等通过生物矿化的方式富集在稻壳中,等于为人类提取了大量非晶态的SiO2。稻壳在控制温度燃烧下生成的稻壳灰,保持了这种无定形SiO2特性,含量在90﹪左右,具有很高的火山灰活性,是很好的混凝土外加剂。吴中伟院士在《高性能混凝土的发展趋势与问题》一文中,指出稻壳灰“可望接近硅灰功效”。
1、稻壳灰的物理性能
稻壳灰的物理性能受然烧条件影响。当燃烧不完全时,灰中含大量残留碳,于是灰呈黑色;当燃烧完全时,灰呈灰白色。稻壳灰中含量最大的是二氧化硅(质量分数为0.55～0.97),其次为炭,还有少量金属氧化物(质量分数小于0.005),如氧化钾、氧化钠、氧化镁和氧化钙等。稻壳灰的组成和结构取决于处理和燃烧的条件,当温度低于600℃时焚烧稻壳,所得低温稻壳灰中二氧化硅的质量分数在0.9以上,且仍保持无定型状态,基本粒子的平均粒径约为50nm,松散粘聚并形成大量纳米尺度孔隙,粒子呈不规则形状。低温稻壳灰的比表面积大,活性高。当温度超过600℃时,二氧化硅由无定型状态变为结晶状态,并且炭会进入二氧化硅的晶格中,导致纯度下降[1]。
另据Discovery消息,温帕蒂研究团队近日发现了一种新的稻壳加工法,新方法将稻壳放入熔炉,利用800℃高温燃烧,最后剩下高纯度的二氧化硅颗粒,制的符合混凝土成分的稻壳灰。
2、稻壳灰混凝土的性能
2.1、抗压性能
当不加矿物掺合料时,混凝土抗压强度随水胶比W/B降低而增加,但降低到一定值后,其抗压强度增长明显变缓。然而,加适量矿物掺合料后,混凝土抗压强度随水胶比W/B降低而增加,并没有出现明显变缓的趋势。这表明,当水胶比低于一定值后,加矿物掺合料混凝土将获得更高的强度。若不加掺合料,要配制强度更高的混凝土将变得更困难。利用稻壳灰作为混凝土矿物外加剂,对混凝土的抗压强度增加效果明显。在固定水灰比时,稻壳灰对高强和超高强混凝土有强烈的增强作用,掺量在10%～20%时,可提高混凝土抗压强度10MPa以上。这种增强效果超过了造粒硅灰,介于粉尘状硅灰和造粒硅灰之间,远胜于其它掺合料[2]。掺稻壳灰的混凝土中Ca(OH)2的明显减少和孔结构的改善是提高稻壳灰混凝土抗压强度主要原因。
2.2、抗盐酸侵蚀性能
以2%HCl水溶液作侵蚀介质,经过各个不同时间测试试件抗压强度,稻壳灰混凝土的强度均高于未掺稻壳灰的基准样混凝土。随着浸渍时间的延长,混凝土质量损失增大,但稻壳灰混凝土的质量损失远比同龄期的基准混凝土的为小,而且随着稻壳灰掺量的增加,混凝土的质量损失减小。此外,浸渍4个星期后未掺稻壳灰的混凝土试体直接与HCl溶液接触部分表面破坏严重,砂浆剥离,集料露出,而掺有稻壳灰的混凝土试体则基本未变[3]。
2.3、抗渗性能
混凝土抗渗性试验结果表明,在试验范围内,混凝土中稻壳灰掺量越高,水在混凝土中的扩散系数、空气在混凝土中的渗透系数以及Cl-离子的渗透深度就越小;而且,水胶比愈高,这种作用就愈明显。混凝土中掺加稻壳灰,尤其是高水胶比时,混凝土的抗渗性能更可得到显著改善。
P.K.Mehta在报道中指出,使用稻壳灰不仅在低水胶比下,而且在高水胶比下也能显著降低混凝土的渗透性[4]。如对掺水泥重15%的稻壳灰,水胶比为0.7时,渗透性从9910降低至1630库仑;水胶比为0.5时,从6860降至1100库仑。
2.4、抗冻融性能
采用快速冻融实验测定质量损失和相对动弹性模量,研究在水胶比(以质量计)分别为0.45,0.55和0.65的掺高活性稻壳灰混凝土的抗冻融特性,分析气泡及空气量对高活性稻壳灰混凝土的抗冻融特性的影响。研究表明:(1)对不同的水胶比,掺10%和20%高活性稻壳灰混凝土都具有良好的抗冻融特性,但是掺30%稻壳灰的混凝土的抗冻融特性下降;(2)混凝土含气量和平均气泡间隔系数极大的影响稻壳灰混凝土的抗冻融特性,硬化后含气量为4.5%和平均气泡间隔系数为 以下的稻壳灰混凝土都具有良好的抗冻融特性;(3)从混凝土的抗冻性角度来看,高活性稻壳灰在混凝土中的掺量上限为20%[5]。
3、结束语
稻壳灰作为混凝土的掺合料,使得稻壳灰混凝土的强度增加,抗酸性、抗渗性、抗冻融性明显提高,改善混凝土的性能,将在混凝土工程中大有用途。稻壳灰又是稻谷加工的副产品,利用稻壳灰即可减少硅酸盐水泥的用量,又能降低稻壳灰对环境的污染,符合绿色混凝土的发展要求,是今后混凝土工业的发展方向之一。相信随着技术的进步,研究的深入,会有越来越多的方法对稻壳进行深加工,制备出大量高活性的稻壳灰,通过合理的配合比生产混凝土,其低廉的成本,优越的性能,定将在混凝土产品中有广阔的市场前景。
参考文献:
[1]刘琼琼,丛后罗.稻壳灰在橡胶工业中的应用[J].橡胶工业,2008,55(7):444-447.
[2]欧阳东.稻壳更有价值的出路——制备混凝土顶级掺合料[J].粮食与饲料工业,2003,(6):40-42.
[3]余其俊,赵三银.活性稻壳灰对混凝土强度和耐久性能的影响[J].武汉理工大学学报,2003,25(2):15-19.
[4]P.K.Mehta.Rice.Husk.Ash—A.Unique Supplementary Cementing Maerial,Advances in Concrete Technology.Second Edition,Published by CANMET.Edited by V.M.Malhotra.1994,407—431.
[5]冯庆革,杨义,童张法.掺高活性稻壳灰混凝土的抗冻融特性[J].硅酸鹽学报,2008,36(S1):136-139.