淺析稻殼灰與不同減水劑適應(yīng)性
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作者：鄭曉敏
稻殼燃料產(chǎn)生的稻殼灰( RHA)成為一種亟待解決的固體廢棄物。燃燒后形成的稻殼灰含有大量的無(wú)定形SiO2，具有巨大的潛在價(jià)值，與使用量大而廣的混凝土相結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)稻殼固體廢棄物利用和稻殼灰綜合利用具有重要意義。
摻加稻殼灰會(huì)增加混凝土的需水量，主要是因?yàn)榈練せ业谋缺砻娣e大，具有大量的空隙，因此在稻殼灰應(yīng)用過(guò)程中需要使用減水劑改善稻殼灰對(duì)于混凝土工作性能的不利影響。目前對(duì)不同減水劑與稻殼灰的適應(yīng)性研究較少。本文研究了稻殼灰與萘系減水劑、高分散性聚羧酸減水劑、保坍型聚羧酸減水劑的相容性，研究不同外加劑在與稻殼灰的復(fù)合作用過(guò)程中流動(dòng)性、流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失、強(qiáng)度等方面的變化規(guī)律。驗(yàn)證利用外加劑調(diào)控水泥-稻殼灰復(fù)合材料性能的可行性，完善稻殼灰與其他原材料的匹配關(guān)系，為稻殼灰的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
1試驗(yàn)
1.1原材料選擇
水泥為海螺P．Ⅱ52.5級(jí)水泥；稻殼灰為經(jīng)過(guò)高溫爐600℃燒制，并粉磨3h后得到的稻殼灰，膠凝材料化學(xué)成分如表1所示。減水劑為高分散性聚羧酸減水劑，市售高分散性聚羧酸，液體，密度1. 08g／cm3；萘系減水劑為市售高濃高效萘系減水劑，棕色粉劑；保坍型聚羧酸減水劑為市售保坍型聚羧酸減水劑，液體，密度1. 05g/cm3。
1.2試驗(yàn)方案
從外加劑的使用性能、流動(dòng)性與保持能力、水泥水化特征及強(qiáng)度發(fā)展3個(gè)角度進(jìn)行稻殼灰與減水劑適應(yīng)性的研究。
1)稻殼灰對(duì)不同外加劑飽和摻量的影響 研究純水泥試樣和稻殼灰水泥復(fù)合試樣，不同減水劑的最佳飽和摻量研究，獲取稻殼灰對(duì)外加劑作用效果的影響規(guī)律。
2)不同減水劑體系下，漿體流動(dòng)性及流動(dòng)性保持性能探索，研究不同減水劑與稻殼灰的相互作用影響規(guī)律；以凈漿流動(dòng)度和漿體流變參數(shù)進(jìn)行表征，水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)參照《混凝土外加劑》GB/T8076-2008進(jìn)行，凈漿流變性能使用NXS-11B型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定，漿體流變參數(shù)包括塑性黏度和屈服應(yīng)力。
3)研究漿體水泥水化放熱特征及強(qiáng)度變化規(guī)律；PTS水化熱測(cè)定儀測(cè)定不同水化漿體的水化熱；參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（ISO法）GB/T17671-1999，檢測(cè)水泥膠砂試塊強(qiáng)度。
2 結(jié)果分析與討論
2.1 稻殼灰對(duì)外加劑飽和摻量的影響
圖1，2為純水泥和20%復(fù)合稻殼灰水泥2個(gè)膠凝體系中，不同外加劑的飽和吸附情況。由圖1可知，純水泥體系隨著高分散性聚羧酸摻量增加，漿體的流動(dòng)性快速增加，在0.15%摻量下，漿體產(chǎn)生離析，外加劑達(dá)到飽和摻量。而保坍聚羧酸的流動(dòng)性明顯低于高分散性聚羧酸的作用效果，在摻量逐步增加的過(guò)程中，流動(dòng)性逐步增加，并且沒(méi)有出現(xiàn)離析現(xiàn)象。這是由于高保坍聚羧酸中可能復(fù)合有引氣劑等其他組分，相比于高分散性能的聚羧酸與水泥的適應(yīng)性更強(qiáng)，因此沒(méi)有出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，但有效的分散組分相對(duì)要少，流動(dòng)性要小于高分散性聚羧酸外加劑。本試驗(yàn)使用的萘系減水劑減水率較高，在0.15%摻量后開(kāi)始產(chǎn)生流動(dòng)性，在0.3%摻量下達(dá)到飽和摻量，但是由于萘系減水劑與聚羧酸減水劑的減水機(jī)理不同，萘系減水劑所能達(dá)到的最大流動(dòng)性仍要低于聚羧酸型減水劑。圖2為摻加稻殼灰后，減水劑的作用效果。相比圖1，添加稻殼灰后減水劑的作用被顯著削弱，有效的外加劑摻量點(diǎn)均增大。摻加20%稻殼灰后，高分散性聚羧酸減水劑的飽和摻量由0.15%增加到0.30%，且沒(méi)有出現(xiàn)離析現(xiàn)象。稻殼灰具有多孔性，由于其比表面積遠(yuǎn)高于水泥顆粒，因此吸附大量的自由水，具有明顯的吸水保水作用，降低了離析出現(xiàn)的可能。相同的現(xiàn)象在保坍型聚羧酸和萘系減水劑中也出現(xiàn)，萘系減水劑飽和產(chǎn)量從0.4%增加到0.7%。但是同時(shí)，添加稻殼灰后，漿體所能達(dá)到的最大流動(dòng)性增大，這是由于稻殼灰的顆粒分布與水泥顆粒具有一定差異，能夠提高水泥的顆粒密實(shí)度，同時(shí)其保水作用能夠有效地抑制水泥漿體的離析，因此，能夠在良好的黏聚狀態(tài)下達(dá)到更高的流動(dòng)性。
2.2 漿體流動(dòng)性及保持性能研究
通過(guò)調(diào)控不同漿體的外加劑摻量，使得不同試樣均具有相似的流動(dòng)度，測(cè)定不同外加劑的流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失情況如圖3所示。流動(dòng)性隨時(shí)間均具有下降趨勢(shì)，相比于不摻加稻殼灰，摻加稻殼灰的試樣流動(dòng)性損失增大，主要是由稻殼灰的強(qiáng)吸水性造成的。而不同的外加劑作用下，高分散性聚羧酸對(duì)于流動(dòng)性的損失最為嚴(yán)重，這主要是稻殼灰大量吸附水的同時(shí)也吸附了聚羧酸分子，造成流動(dòng)性的大幅下降。萘系減水劑由于自身流動(dòng)性保持能力較差，因此稻殼灰的作用效果并不顯著。而保坍型外加劑在流動(dòng)性的保持方面效果最好，水泥-稻殼灰漿體的流動(dòng)性變化較小。
稻殼灰對(duì)于水泥漿體的流動(dòng)性影響是多方面的，稻殼灰的形貌特征、顆粒分布和強(qiáng)吸水效應(yīng)以及對(duì)于水泥水化的延遲作用都會(huì)影響到流動(dòng)性及流動(dòng)性的保持效果。因此需要深入研究，利用旋轉(zhuǎn)黏度儀，從流變學(xué)角度研究了摻加稻殼灰后漿體性能的變化。
圖4為不同外加劑作用下漿體屈服應(yīng)力的變化情況。圖4a為摻加高分散性聚羧酸，純水泥漿體屈服應(yīng)力隨時(shí)間逐步增大，而20%稻殼灰漿體屈服應(yīng)力的增加幅度要高于純水泥漿體。說(shuō)明稻殼灰的引入會(huì)加劇屈服應(yīng)力的增加，表現(xiàn)為宏觀性能上流動(dòng)性下降速度更快。這是由于稻殼灰具有多孔特征，在與水拌合之后，未飽水的稻殼灰繼續(xù)吸水，造成了漿體屈服應(yīng)力降低速度高于普通漿體，稻殼灰吸水的同時(shí)也會(huì)吸附外加劑造成漿體中殘留外加劑進(jìn)一步減少，最終導(dǎo)致屈服應(yīng)力的嚴(yán)重下降。圖4b為摻加保坍聚羧酸，由于外加劑的保坍效應(yīng)，漿體的屈服應(yīng)力增長(zhǎng)速率明顯小于圖4a，摻加稻殼灰后，漿體屈服應(yīng)力隨時(shí)間的增加幅度明顯下降，改善了稻殼灰對(duì)漿體流動(dòng)性損失的影響。保坍型外加劑能夠有效地改善屈服應(yīng)力隨時(shí)間降低的不良后果。圖4c為萘系減水劑對(duì)屈服應(yīng)力的影響，與圖4a相似，隨著時(shí)間的增加，漿體的屈服應(yīng)力逐步增加，說(shuō)明萘系減水劑沒(méi)有顯著的保坍效果。這一結(jié)果與高分散性減水劑的變化相似，但是同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，摻加稻殼灰后，在萘系減水劑作用下，屈服應(yīng)力的增加幅度小于純水泥。說(shuō)明在屈服應(yīng)力經(jīng)時(shí)保持能力方面，稻殼灰對(duì)于萘系的適應(yīng)性要強(qiáng)于羧酸型外加劑。由圖4可知，在初始階段，所有摻加稻殼灰的降低屈服應(yīng)力均高于純水泥樣品，屈服應(yīng)力是表征漿體固相間相互作用的參數(shù)，由于稻殼灰的顆粒不規(guī)則程度更高，因此同樣條件下，稻殼灰會(huì)增大顆粒間的相互作用，提高了體系屈服應(yīng)力。
圖5為不同外加劑作用下塑性黏度的變化情況。總體上，隨著時(shí)間的增加，漿體的塑性黏度均有增加趨勢(shì)。不同外加劑作用下漿體的初始塑性黏度相似，但是塑性黏度隨時(shí)間的變化過(guò)程中具有不同的趨勢(shì)。高分散聚羧酸外加劑作用下，摻加稻殼灰漿體塑性黏度增長(zhǎng)趨勢(shì)很快要高于純水泥漿體；保坍外加劑作用下，純水泥漿體和稻殼灰漿體的塑性黏度變化趨勢(shì)相近；萘系作用下純水泥試樣的塑性黏度增加非常快，而稻殼灰漿體的增速并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著增加，仍是較低程度的提高。說(shuō)明不同外加劑作用下，稻殼灰對(duì)漿體塑性黏度的影響規(guī)律近乎一致。同時(shí)，3種外加劑作用下，摻加稻殼灰后，漿體在3~ 30min增速較快，而30~60min塑性黏度的增加值相對(duì)較小。塑性黏度主要受漿體的液相影響，與自由水濃度相關(guān)性較高。稻殼灰早期吸水作用很強(qiáng)，導(dǎo)致了3~ 30min塑性黏度的快速增加，但是在30min之后由于保水吸附，漿體的自由水降低速率要明顯放緩，表現(xiàn)出后期的塑性黏度變化平緩。
稻殼灰增加了漿體屈服應(yīng)力，減水劑均能起到降低漿體屈服應(yīng)力的作用，由于稻殼灰的強(qiáng)吸水作用，流動(dòng)性的經(jīng)時(shí)損失非常嚴(yán)重。高分散性聚羧酸在摻加過(guò)程中也會(huì)被嚴(yán)重吸附，因此下降程度大；萘系減水劑相對(duì)于高分散性聚羧酸，適應(yīng)性更好，但是由于萘系減水劑自身的流動(dòng)性保持能力差，因此表現(xiàn)的最終效果也不理想。保坍聚羧酸具有較高的減水率，對(duì)稻殼灰的適應(yīng)性也較好。
2.3 不同外加劑對(duì)復(fù)合體系水化熱的影響
圖6為放熱量曲線，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，純水泥試樣在6. 5h達(dá)到了最大放熱量，而摻稻殼灰的漿體在7h出現(xiàn)最大放熱高峰。一方面說(shuō)明稻殼灰的引入使得漿體的水化速率降低，因此Tmax要高于純水泥試樣，另一方面稻殼灰由于水化活性在后期才能體現(xiàn)出來(lái)，早期的水化反應(yīng)程度弱于純水泥試樣，因此放熱量低于純水泥樣。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)稻殼灰放熱曲線出現(xiàn)2個(gè)放熱峰，這正是由于稻殼灰不同于純水泥試樣的二次水化效應(yīng)造成的。
圖7為不同外加劑條件下，漿體最大放熱量對(duì)應(yīng)放熱時(shí)間的關(guān)系。純水泥體系不摻外加劑的漿體Tmax為430min，高分散性聚羧酸明顯延長(zhǎng)到550min，保坍型聚羧酸進(jìn)一步延長(zhǎng)到610min，萘系減水劑對(duì)于Tmax有一定降低，略高于基準(zhǔn)水泥，保坍型聚羧酸減水劑的保坍性能好于萘系也正是這個(gè)原因。而添加稻殼灰后，可以發(fā)現(xiàn)Tmax明顯增大，這主要是因?yàn)榈練せ以谠缙谒暙I(xiàn)較小，相對(duì)于純水泥試樣沒(méi)有放出大量的水化熱。稻殼灰對(duì)于丁…的增加程度：保坍型聚羧酸>高分散性聚羧酸>萘系減水劑，由于保坍外加劑在早期對(duì)于純水泥的水化反應(yīng)有所推遲，而稻殼灰的二次水化是以硅酸鹽水泥水化為基礎(chǔ)的，所以導(dǎo)致早期水化不足，拖延了后期的二次水化，因此稻殼灰在T…的影響程度上最大。
稻殼灰會(huì)延緩水泥放熱，削弱溫峰并延遲溫峰到達(dá)時(shí)間；當(dāng)減水劑與稻殼灰共同作用時(shí)，會(huì)加劇這一效果，其中保坍型減水劑的增加效果最為顯著，萘系摻加與否變化不大。因此當(dāng)保坍減水劑與稻殼灰共同使用時(shí)，需要關(guān)注其水化進(jìn)程，避免過(guò)度緩凝。
2.4不同減水劑對(duì)強(qiáng)度的影響關(guān)系
對(duì)稻殼灰與減水劑在后期力學(xué)性能的適應(yīng)性方面進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。圖8為不同外加劑作用下，水泥-稻殼灰的強(qiáng)度變化。由圖8可知，在相同的流動(dòng)度條件下，高分散性聚羧酸的早強(qiáng)最高，萘系次之，保坍型聚羧酸最小，且均高于不摻加外加劑組試樣。后期強(qiáng)度規(guī)律相似，強(qiáng)度增加效果更為明顯，高分散聚羧酸由于其減水率最高，因此該組試樣的實(shí)際水灰比最小，強(qiáng)度最高。萘系和保坍型聚羧酸的減水效果相似，但是萘系強(qiáng)度要高于保坍型聚羧酸，一方面萘系具有一定的早強(qiáng)效果，另一方面保坍型聚羧酸里復(fù)配有引氣組分，對(duì)強(qiáng)度發(fā)展具有一定的負(fù)效應(yīng)。從強(qiáng)度方面來(lái)看，不同外加劑對(duì)于稻殼灰的影響較為穩(wěn)定，對(duì)于稻殼灰強(qiáng)度的發(fā)展沒(méi)有造成負(fù)面影響，對(duì)于稻殼灰的應(yīng)用起到至關(guān)重要作用。
稻殼灰和不同品種減水劑共同使用時(shí)，早期和后期強(qiáng)度均正常發(fā)展，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的不適應(yīng)現(xiàn)象。說(shuō)明稻殼灰在應(yīng)用過(guò)程中的強(qiáng)度發(fā)展較為穩(wěn)定，能滿足需求。
3 結(jié)語(yǔ)
1)稻殼灰對(duì)聚羧酸和萘系外加劑的吸附作用，會(huì)顯著降低減水劑在漿體中的作用效果。20%稻殼灰會(huì)需要增加100%聚羧酸外加劑和75%萘系減水劑以抵消稻殼灰的高吸水性；但是同時(shí)提高了漿體保水性能，減少泌水。稻殼灰會(huì)大幅度降低高分散減水劑的流動(dòng)性保持性能，稻殼灰與萘系共同使用時(shí)總體性能表現(xiàn)最差；保坍型聚羧酸與稻殼灰共同使用效果比較理想。
2)稻殼灰會(huì)延緩水泥放熱，削弱溫峰并延遲溫峰到達(dá)時(shí)間；當(dāng)減水劑與稻殼灰共同作用時(shí)，會(huì)加劇這一效果，其中保坍型減水劑的增加效果最為顯著，萘系摻加與否變化不大。因此當(dāng)保坍型減水劑與稻殼灰共同使用時(shí)，需要關(guān)注其水化進(jìn)程，避免過(guò)度緩凝。稻殼灰和不同品種減水劑共同使用時(shí)，早期和后期強(qiáng)度均正常發(fā)展，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的不適應(yīng)現(xiàn)象。
3)總體來(lái)講，稻殼灰對(duì)高分散聚羧酸的應(yīng)用性能影響最大，嚴(yán)重加劇流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失；保坍型外加劑能夠有效改善稻殼灰漿體流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失嚴(yán)重的問(wèn)題，但是會(huì)嚴(yán)重減緩水泥水化進(jìn)程；稻殼灰對(duì)萘系的作用規(guī)律影響不大，與純水泥體系相近。
4[摘要]研究稻殼灰在與不同減水劑的復(fù)合作用過(guò)程中流動(dòng)性、流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失、強(qiáng)度等方面的變化規(guī)律，分析稻殼灰與減水劑的適應(yīng)性，探索利用外加劑調(diào)控水泥-稻殼灰復(fù)合膠凝材料的可行性，完善稻殼灰與其他原材料的匹配關(guān)系。結(jié)果表明：稻殼灰對(duì)高分散聚羧酸減水劑的應(yīng)用性能影響最大，嚴(yán)重加劇流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失；保坍型外加劑能夠有效改善稻殼灰漿體流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失嚴(yán)重的問(wèn)題，但是會(huì)嚴(yán)重減緩水泥水化進(jìn)程；稻殼灰對(duì)萘系減水劑的作用規(guī)律影響不大，與純水泥體系相近。
