(大连大学 辽宁 大连 116622)

一、引言

随着十九大以来蓝天保卫战工作的不断贯彻落实，绿色发展已成为时代主题。目前，通过稻壳来发电是一种新途径，在中国已经有比较多的企业将稻壳当成燃料来进行发电，这不仅有助于减少了传统发电使用的煤炭，更合理的利用不可再生能源，还可以更加科学的处理稻壳。在未来的产业结构中，稻壳发电将是一种充满美好前景新型产业。但是稻壳发电的同时，也不可避免会产生大量的副产品稻壳灰，稻壳灰的比重比粉煤灰还要小，而且其还具有比较大的体积，如果不能妥善处理的话，还会空气造成严重污染。因此，粉煤灰的处理和利用问题已引起人们广泛的关注，合理利用粉煤灰渣已成为解决环境污染的关键一环。

相关研究[1-8]发现稻壳灰中约含有20%～25%的无定型Si，通过焚烧以及浓酸等处理方法制得的稻壳灰具有相当好的火山灰活性性质。稻壳灰与粉煤灰相类似，可作为掺和料等量替代水泥加入到混凝土中，既减少了水泥的用量以此降低成本，同时在水泥水化的后期阶段，其较好的火山灰活性还可以有效的提高混凝土相关性能。早在1977年，Metha[9]开展了有关稻壳灰部分取代水泥的相关研究，结果表明当稻壳灰取代水泥率为50%时的混凝土其抗压强度要比普通的混凝土高，甚至在3d、7 d早期的强度得到同样的结果。80年代，国内有较少的关于用稻壳灰掺和水泥的报道。90年代初，南京水科研究院的王昌义的团队研究出了一种较适合农村来用的烧制高活性的稻壳灰的有关技术以及在其混凝土中的相关应用研究。其后的约二十年时间里面，国内有部分学者相继展开有关稻壳灰在混凝土性能改善效果中的应用研究。Ismail和AWaliuddin[10]等的研究得到混凝土的密度以及塌落度和稻壳灰的掺量有关，掺入量增加后会降低混凝土的塌落度、密度。余其俊[11]在研究了火山灰活性的稻壳灰对混凝土强度以及相关耐久性能的影响后，结果显示在混凝土里面添加入稻壳灰之后强度得到了提高，而且在水胶比较大时其强度提高的幅度也更大，同时混凝土的抗腐蚀的能力、抗碳化和抗渗等性能也得到了较好的改善。王维红[12]利用稻壳灰的有效活性，将稻壳灰作为掺和料加入混凝土中拌和，研究单掺稻壳灰以及稻壳灰-硅灰-粉煤灰按一定取代量复掺后对混凝土的相关力学性能的影响，并借助SEM和XRD的相关技术对其进行微观机理分析。

国内外大多集中于单掺材料制备水泥胶砂以及混凝土的研究，对于复掺材料改善水泥胶砂以及混凝土性能研究才刚刚起步。本文通过对稻壳灰特性的研究和分析，将稻壳灰和凹土作为掺合料掺入水泥中，将制备的掺和水泥胶砂的抗压、抗折强度与对照组水泥对比，探究稻壳灰和凹土在水泥胶砂中的利用前景，并为生物质发电厂解决废弃灰渣提供途径。

二、单掺稻壳灰水泥胶砂力学性能

(一)试验原材料及其性质

稻壳灰是生物发电厂在 650℃-800℃情况下稀氧燃烧所产稻壳而得。利用大型行星球磨仪(如图2.1)与经激光粒度分布仪(如图2.2)研磨成比表面积不同的稻壳灰，图2.3为稻壳灰研磨后示图。

考虑到凹土-稻壳灰与水泥中含有过多不同成分的掺合物发生反应从而导致实验结果的多样性，所以采用强度等级为42.5MPa的普通硅酸盐水泥为实验材料，凹土使用的是淮安盱眙某企业生产的凹土，减水剂使用的是南京苏博特公司产的聚羧酸减水剂，标准砂为厦门艾思欧公司所生产，满足GB/T17671中的技术要求。

图2.1 行星球磨仪 图2.2 激光粒度分布仪

图2.3 稻壳灰研磨后示意图 图2.4 凹土

(二)试验主要使用仪器

水泥胶砂搅拌机是使用的水泥厂、专业院校、科研单位、建设单位试验通常所用的试验仪器。本实验用是型号为NLD-3型水泥胶砂流动度测定仪，胶砂的制备流程严格按照照GB /T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》中的相关规定要求进行。压力试验机是型号为YAM-3000压力试验机，符合GB/T 17671-1999标准的关于加荷测定试块的强度相关规定，且具有动态显示、结果保存等优点。养护箱用的型号HBY-40B 型的水泥(砼)恒温恒湿标准养护箱。

(三)不同粒径RHA水泥胶砂试验结果与分析

试验用的水泥：P.O 42.5，胶凝材料(RHA和水泥)称重450g，水称重225g，水灰比w/b=0.5，规范养护，测试如下图：

图2.5 不同比表面积RHA水泥胶砂抗压、抗折强度

结论：(1)稻壳灰一定程度上可以改善试块性能，从力学性能的角度来分析数据，有效的改善区间为0%～30%，而在30%～50%区间里效果呈下降趋势;

(2)再结合流动性能综合，在RHA粒径的比表面积为6000cm2/g左右时为最佳。

因此，在0%～30%取代量区间用RHA比表面积为6000cm2/g左右继续开展试验。

(四)相同粒径 RHA 水泥胶砂试验结果及分析

1.取代量0-30%RHA的水泥胶砂试验

试验用的水泥：P.O 42.5，胶凝材料(RHA和水泥)称重450g，水称重225g，水灰比w/b=0.5，规范养护，测试如下表：

表2.1 比表面积大小为 6100cm2/g RHA 水泥胶砂试验结果(1)

图2.6 比表面积大小为 6100cm2/g RHA 水泥胶砂抗压抗折图(1)

结论：总体来看，在0%～15%区间内抗折强度逐步上升到最大；另一方面抗压强度在10%取代量时达到峰值，在这之后的抗压却逐渐降低；从5%～15%取代量中，做更为细化试验。

2.取代量5-15%RHA的水泥胶砂试验

试验用的水泥：P.O 42.5，胶凝材料(RHA和水泥)称重450g，水称重225g，水灰比w/b=0.5，规范养护，测试如下表：

表2.2 比表面积大小为 6100cm2/gRHA 水泥胶砂试验结果(2)

图2.7 比表面积大小为6100cm2/g RHA 水泥胶砂抗压抗折图(2)

结论：由以上数据可以看出RHA可以改善力学性能，在掺量为5%～15%区间内发现RHA掺入时抗折性能近乎不变，抗压性能逐渐提高且在10%时达到最大值。综合以上可得，当RHA微粒的比表面积达到6000cm2/g左右,可以得出取代量为10%时综合性能提升最佳。

三、复掺凹土-稻壳灰水泥胶砂力学性能

(一)复掺凹土-稻壳灰水泥胶砂试验

此节主要在前文基础上研究不同的制作工艺以及不同取代量下的凹土对水泥胶砂各项性能的影响。

1.湿法制得凹土取代水泥胶砂试验

试验用的水泥：P.O 42.5，胶凝材料(RHA和水泥以及湿法制得的凹土)称重450g(其中RHA45g)，水称重225g，水灰比w/b=0.5，添加些许减水剂，规范养护，测试如下表：

表3.1 湿法制得凹土水泥胶砂试验结果

2.干法制得凹土取代水泥胶砂试验

试验用的水泥：P.O 42.5，胶凝材料(RHA和水泥以及干法制得的凹土)称重450g(其中RHA45g)，水称重225g，水灰比w/b=0.5，添加些许减水剂，规范养护，测试如下表：

表3.2 干法制得凹土水泥胶砂试验结果

当RHA微粒的比表面积达到6000cm2/g左右，取代量为10%时，凹土取代量在2%时相对性能有显著的提高，干法制得的凹土需水量较湿法制得的凹土大且性能略微下降。

四、结论

为研究稻壳灰及凹土作为掺合料对水泥胶砂力学性能的影响，探究稻壳灰及凹土的发展潜力。做不同掺比稻壳灰、凹土水泥胶砂试验测试其力学性能，主要结论如下：

1.单掺RHA时，当RHA微粒的比表面积达到6000cm2/g左右时，RHA微粒可以很好改善水泥胶砂的抗压、抗折强度；在0%-30%取代量这个有着较好改善的区间段发现数据波动大致呈抛物线状且在10%左右时改善的比例最佳。

2.当复掺稻壳灰和凹土时，通过固定RHA的取代量以及比表面积来缩小试验范围，可以得出：当RHA微粒的比表面积达到6000cm2/g左右，取代量为10%时，凹土取代量在2%时性能相对得到了最大的改善。