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秸秆灰对混凝土性能的影响

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《商品混凝土杂志》2014年第七期

1试验方法

将秸秆灰作矿物掺合料应用于混凝土中,研究秸秆灰对混凝土性能的影响。新拌混凝土拌合物性能按照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》测定;混凝土力学性能按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测定。秸秆灰单掺普通混凝土采用C45强度等级,配合比设计见表2;研究秸秆灰、矿粉、微硅粉复掺方式以低水泥用量制备中低强度等级混凝土,配合比见表3;高强混凝土C80配合比见表4。

2试验结果与分析

2.1秸秆灰对普通混凝土性能的影响试验采用秸秆灰单掺方式,结果见表5。由表5、图1可以看出,随秸秆灰掺量的增加新拌混凝土坍落度逐渐减小,其60min坍落度损失急剧增大;而通过拌合现场发现,但当掺量达到10%以上时新拌混凝土表面”硬化”较快,表面出现一层薄膜,和易性迅速降低。秸秆灰掺量大会严重影响混凝土和易性,造成坍落度损失增大,新拌混凝土“硬化”出现“瞬凝”趋势。秸秆灰比表面积较大,掺入到混凝土中会吸收部分水分使混凝土坍落度有所降低。由表1可知,秸秆灰中钾含量达到了14.72%,其次钙、镁、钠、磷元素也有相当含量,这些元素以盐类存在于混凝土中,全部或部分溶于水分散在胶凝材料中,随龄期增长会结晶而产生“盐析”现象,从而新拌混凝土表面出现一层薄膜,硬化后期表面会产生一层”白斑”,由于其强度较低所以混凝土表面质量欠佳,可能会导致起砂或剥落现象;同时随结晶作用增长,其晶体强度增加会造成混凝土出现假硬化现象,导致坍落度损失较高;秸秆灰中含有未燃烧的固定碳,使灰的色泽较差,这些碳物质经过燃烧后质地疏松、强度低,并且性质稳定,不参与化学反应,随秸秆灰在混凝土分散后仅仅起到填充作用,并且吸收部分水分,会造成混凝土和易性进一步变差。从图2可以看出,秸秆灰以5%的比例掺入到混凝土中可以较大幅度提升早期3d抗压强度,其他掺量的混凝土早期强度也有一定程度的提高,秸秆灰对混凝土后期强度影响并不明显,强度反而略有降低。因此,秸秆灰能够一定程度提高混凝土早期强度,但对后期强度影响不大,在混凝土中掺量不宜过大,其最佳掺量为5%。表1显示秸秆灰中含有68.48%二氧化硅,其中部分二氧化硅为活性状态,其参与二次火山灰反应消耗水化生成的Ca(OH)2,生成C-S-H凝胶填充于混凝土中,同时一定程度地加速水泥水化反应,提高混凝土早期强度。但秸秆灰中活性二氧化硅含量有限,盐类对后期强度有不利影响,未燃烧的碳含量较高且不参与反应,对混凝土后期强度影响较小,反而可能使混凝土强度有所降低。

2.2秸秆灰、矿粉、微硅粉复掺对混凝土性能的影响根据表4制备混凝土,其结果如表6所示。实际工程中为使混凝土的强度保证率达到95%,C25、C30、C40强度等级混凝土的配制强度fcu,0应达到33.2MPa、38.2MPa、48.2MPa。由表6可知C25强度等级混凝土和易性良好,均能满足试配强度要求,其水泥用量低至130~140kg/m3,秸秆灰掺量分别达到了24%、18%。C30强度等级混凝土中,当秸秆灰、微硅粉、矿粉三者复掺时,28d强度能够满足试配强度要求,C30-1编号水泥用量低至160kg/m3,而未掺矿粉的混凝土(C30-3、C30-4)强度未能满足试配强度要求。C40强度等级混凝土28d抗压强度未能达到试配强度要求,但均大于40MPa,而其水泥用量低至190kg/m3,其秸秆灰掺量分别为9.0%、8.6%,因此可以进一步看出秸秆灰不宜在较高强度等级混凝土中使用,掺量不宜过大。秸秆灰与其他矿物掺合料复掺,改善其单一作用,可以较低水泥用量制备普通混凝土,但其掺量不宜过大。采用此方法一方面可降低成本,另一方面达到了固废利用的效果,保护环境。

2.3秸秆灰作矿物掺合料试配高性能混凝土按表5配合比制备高强混凝土,结果如表7所示。试验拌合现场混凝土和易性能良好,但当秸秆灰掺量达到10%以上时,混凝土坍落度损失依旧较大。图3为高强混凝土抗压强度变化规律,当秸秆灰掺量低于10%时7d抗压强度变化不大,均为72~73MPa;28d抗压强度以B2(秸秆灰掺量5%)最高,但其他各组混凝土28d强度与B2相差较小(最大差值4.7MPa)。计算各组混凝土7d/28d抗压强度比值依次为97.2%、92.8%、92.2%、93.5%、87.9%,从图3可以直观看出随秸秆灰掺量增大、矿粉掺量减小,混凝土7d和28d抗压强度比值呈现下降趋势,不难说明秸秆灰对混凝土后期强度影响较小,其活性低于矿粉。根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》当混凝土设计强度高于C60时,配制强度应按公式(3-3)计算。当fcu,k=60MPa时,fcu,0≥69MPa;当fcu,k=70MPa时,fcu,0≥80.5MPa,因此上述混凝土仅达到C60强度等级,未能达到C80强度等级。综上所述,秸秆灰对新拌混凝土坍落度影响较小,但对坍落度损失影响较大,最佳掺量为5%;胶凝活性低于矿粉,且不宜在高强高性能混凝土中使用。

3结论

(1)秸秆灰会加速混凝土坍落度损失,“盐析”现象会使混凝土表面出现一层薄膜,掺量大的混凝土硬化后期表面会产生一层“白斑”,导致质量降低;(2)适当掺量的秸秆灰能够在一定程度上提高普通混凝土早期强度,但对后期强度影响较小,在混凝土中的掺量宜在10%以下,最佳掺量为5%;(3)秸秆灰与微硅粉、矿粉复掺改善其单一作用,可以较低水泥用量制备普通混凝土;秸秆灰不宜在高强高性能混凝土中使用。

4秸秆灰应用展望

秸秆灰是农作物根茎经燃烧后遗留下的产物,因此其中含有大量的钾、钙、钠、镁、磷等矿物质元素,它们不仅会影响混凝土和易性,并且也不利于混凝土强度的发展,还会对后期耐久性能产生有害影响。考虑到秸秆灰中钾元素含量大,可以通过元素分离(提取)技术从秸秆灰中提取钾,一方面秸秆灰中钾得到有效利用,另一方面又减少了秸秆灰作混凝土矿物掺合料中的杂质元素。由于秸秆灰在普通燃烧方式下并不能够充分燃烧,含有相当数量的固定碳,对混凝土产生不利影响,所以可以将秸秆灰进行煅烧急冷处理,不仅可以减少秸秆灰中固定碳含量,而且可以使其中活性二氧化硅含量增高,大大提高了秸秆灰的胶凝活性。秸秆灰中富集矿物质元素,不失为一种良好的肥料,在中国缺少钾资源的背景下,利用含钾丰富的秸秆灰生产肥料,具有广阔的市场前景,况且许多农民都有将草木灰用作肥料的经历,也易于接受这种肥料,因此利用秸秆灰制作钾肥在性价比方面具有较强的竞争优势。同时,还可以利用秸秆灰配制保温隔热涂料,其在可见光区的最大反射率可达90%以上,平均反射率高达85%;秸秆灰作为添加剂制备免烧陶粒,不仅可以降低免烧陶粒密度,还可以使其比表面积显著增加。以生物质为主要燃料的火力发电正迅速发展,作为秸秆类作物燃烧的灰分,秸秆灰富含相当数量矿物质并具有一定化学活性,现有研究仍主要集中在传统无机非金属领域和灰本身的燃烧特性方面,而在其他领域研究较少,需加大研究应用力度实现资源的深层次利用。

作者:陈超黄快忠单位:厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司

商品混凝土杂志责任编辑:田老师    阅读:人次