稻殼灰結合橡膠改性聚丙烯纖維混凝土及性能研究

劉 虎

（佛山市天誠工程咨詢管理有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

為更好地實現能源節約和綠色發展，減少混凝土中水泥的使用量成為研究的熱點。例如，黨瑩以粉煤灰代替水泥，同時，在混凝土中摻入納米氧化鋅顆粒，制備了一種綠色高性能混凝土。試驗結果表明，該綠色混凝土具備良好的耐久性[1]。葉建峰等則以鋼纖維和橡膠顆粒為主要改性材料，制備了具備自密實性能的混凝土，并研究其性能。試驗結果表明，當混凝土中摻入10%橡膠顆粒時，其峰值應變達到最大值，而對于不同鋼纖維摻量的混凝土試件，其性能均有提高的現象[2]。為了資源化有效處理，孫紅艷則在混凝土中摻入大量的工業廢鋰渣來代替水泥，并通過抗壓強度、干燥收縮等試驗研究其性能。試驗結果表明，當鋰渣的摻量為60%時，后期抗壓強度與基準混凝土試件相近，其環境和經濟效益最優[3]。

以上各學者的研究都為混凝土材料的綠色發展提供了參考，但在能源節約、提高性能等方面依然有優化空間。我國是一個農業大國，隨著糧食產量的不斷提高，副產品稻殼的產量也越來越多，雖然有稻殼焚燒處理等方式再次利用，但是資源利用率低。本試驗選用的稻殼灰是在電廠中經過600 ℃高溫處理，具有表面積大、粒徑小、活性好等優異性能，因此，本試驗將該稻殼灰摻入經過廢舊輪胎產生的橡膠顆粒的聚丙烯纖維混凝土中，在減少水泥使用量的同時將廢舊資源有效利用，并通過動/靜態力學試驗研究材料性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：稻殼灰（工業純），黑龍江安慶熱電廠；橡膠顆粒（工業純），（粒徑0.5~1 mm、1~3 mm 和3~6 mm），靈壽縣冀西礦產；聚丙烯纖維（化學分析純），（PP 纖維），山東合盾工程材料；粉煤灰（工業純），石家莊夢宇新材料；P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥（工業純），深圳市華昌鑫建材；細骨料河砂（工業純），（10~20 目），石家莊金仁礦產；粗骨料碎石（工業純），（粒徑5~20 mm），靈壽縣靖琳礦產；氫氧化鈣（化學分析純），廣西帝煌鈣業；減水劑（工業純），山東天乙化工；羥丙基甲基纖維素（工業純），鄭州爵派化工。

主要設備：TCS-60 型落地移動式電子臺秤，上海升徽電子；HZB-C-A 型高精度電子秤，深圳衡之寶電子；ZT-500 型多功能攪拌機，東莞市清溪振泰通用機械設備；33691 型混凝土振動臺，河北念晴暄儀器；W101-1 型真空干燥箱，江西龍中機械設備；DQ-4 型全自動巖石切割機，河北鑫貿路業試驗儀器；HMP-150 型混凝土芯樣磨平機，獻縣金晟試驗儀器；PWS-20 型電液伺服動靜萬能材料試驗機，濟南永測工業設備；LB-LBSN0.5 型球磨機，常州勵岸寶機械設備；TD-3500 型衍射儀，蘇州丞普諾儀器。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計方案

本試驗采用電廠制稻殼灰結合橡膠顆粒改性聚丙烯纖維混凝土，探究稻殼灰摻量以及橡膠顆粒對聚丙烯纖維混凝土材料性能的影響，初步配比方案見表1。

表1 混凝土基準配合比/kg·m-3Table 1 The benchmark mix proportion of concrete/kg·m-3

以表1 的初步配比為基礎，在其他因素不變的情況下，保持水灰比0.5，橡膠顆粒組合摻量為10%，設置不同稻殼灰摻量，分別為5%、10%、15%、20%、25%，其中，橡膠顆粒組合中粒徑0.5~1 mm 占比20%，粒徑1~3 mm 占比50%，粒徑3~6 mm 占比30%[4-6]。

1.2.2 改性聚丙烯纖維混凝土的制備

（1）在攪拌機中先添加適量的河砂、橡膠顆粒和碎石，設置攪拌時間為2 min，充分混合均勻。

（2）加入適量的普通硅酸鹽水泥、粉煤灰以及經球磨機磨細的稻殼灰，繼續攪拌2 min。

（3）在攪拌機中加入適量的水、減水劑、羥丙基甲基纖維素，攪拌3 min 混合均勻，獲得改性聚丙烯纖維混凝土砂石漿。

（4）將獲得的改性混凝土砂石漿倒入立方體模具（150 mm×150 mm×150 mm）和圓柱體模具（50 mm×100 mm）中，然后放在混凝土振動臺上振動處理2 min，振實，排出混凝土砂石漿內部的氣泡。

（5）用抹灰刀抹平，再附上塑料膜封口，然后在恒溫恒濕的養護室放置1 d。

（6）脫模，然后放入飽和氫氧化鈣溶液中，在室溫環境下繼續養護20 d。

（7）養護完成后，放入恒溫烘箱烘干，設置溫度為65 ℃，時間為1 d，然后取出備用。

1.3 性能測試

1.3.1 靜態力學性能測試

通過萬能試驗機對立方體混凝土試件進行靜態力學性能試驗，分別為抗壓強度測試、劈裂抗拉強度測試、抗折強度測試。其中，試驗機位移加載速度為3 mm/min。

1.3.2 動態力學性能測試

通過萬能試驗機對圓柱體試件進行分級循環加卸載試驗，其中，圓柱體單軸抗壓應力、應變、彈性模量的計算公式分別為：

式中，σ：單軸抗壓應力，MPa；N：試件受到的荷載，N；A：試件承壓面積，mm2；ε：單軸抗壓應變，MPa；△L：試件軸向位移，mm；L：試件形變后的長度，mm；L0：試件原始長度，mm；E：彈性模量，GPa；σf：最大軸向應力，MPa；ε0：彈性應變。

在分級循環加卸載試驗的基礎上，再通過Origin 軟件分析試件的應力- 應變情況[7]。

2 結果與分析

2.1 靜態力學性能分析

根據1.3.1 中的測試方法，對立方體試件進行測試，測試結果如圖1（a）~（c）所示。

圖1 材料靜態力學性能測試Fig. 1 The static mechanical properties tests of materials

圖1（a）~（c）分別為在不同稻殼灰含量下，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度曲線圖、劈裂抗拉強度曲線圖以及抗折強度曲線圖。由圖1 可知，當試件中的稻殼灰含量不斷增加，各強度均先增后減。當沒有添加稻殼灰時，基準試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度分別為28.18 MPa、4.02 MPa 和4.96 MPa；當稻殼灰含量在0%~15%時，各強度開始緩慢增加；當稻殼灰含量超過15%時，各強度出現迅速上升的現象，并在稻殼灰含量為20%時，均達到峰值，此時，試件抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度分別為32.05 MPa、5.16 MPa 和7.26 MPa，與基準試件各強度相比，提高幅度分別為30.77%、28.36%和46.37%，抗折強度提升幅度最大；然而，當稻殼灰含量增加到25%時，試件抗壓強度、劈裂抗拉強度以及抗折強度均出現大幅度下降的現象，分別降至27.66 MPa、3.92 MPa 以及5.39 MPa，與各強度的峰值相比，降幅分別為24.94%、24.03%和25.76%。

發生這些現象的原因是，在混凝土的澆筑過程中，會產生一些孔隙、裂縫等缺陷，而混凝土材料中水化產物會不斷地慢慢填充這種缺陷，但是，當填充不完整時，就會形成永久缺陷，降低材料的各方面性能。而通過在混凝土中加入高溫改性并研磨成細粉的稻殼灰，可以在一定程度上填補這些孔隙缺陷，并且稻殼灰具備疏松多孔的結構，從而有著較高的比表面積，活性較好，所以可以促進水泥水化反應的發生，從而更快地生成一些薄片板狀物質，在材料內部形成致密結構，使混凝土強度提高。但是，當稻殼灰摻量過高時，會發生團聚效應，這種團聚效應會使稻殼灰在膠凝材料中分布不均勻，從而使材料逐漸形成自身缺陷，性能降低[8-9]。因此，本試驗選擇的稻殼灰摻量為20%，并用于后續動態力學性能試驗。

2.2 動態力學性能分析

2.2.1 單軸抗壓試驗分析

圖2 為稻殼灰含量為20%的混凝土的單軸抗壓試驗測試結果。由圖2 可知，在單軸抗壓試驗中，混凝土試件的應力- 應變曲線主要由3 個部分組成，先是抗壓強度線性上升階段，然后是達到屈服強度后的非線性上升階段，最后達到峰值強度后的下降階段[10]?？梢杂^察到，在達到峰值強度后，稻殼灰含量為20%的試件的下降速度比較緩慢。

圖2 20%稻殼灰含量試件的應力-應變圖Fig. 2 The stress-strain curve of test piece containing rice husk ash with a content of 20%

2.2.2 分級循環加卸載試驗分析

圖3 為稻殼灰含量為20%的試件分級循環加卸載試驗測試結果。由圖3 可知，在分級循環加卸載試驗中，混凝土試件的應力- 應變曲線起初密集聚在一起，后續空隙間隔越來越大。觀察并分析可知，混凝土試件的應力- 應變曲線主要由壓密階段、線彈性階段以及裂縫演化階段這3 個階段組成。在壓密階段中，混凝土材料的應力- 應變曲線出現下凹的現象，并且隨著應變的增加，應力值依舊較小且增加幅度較平緩，這是由于剛開始發生受壓作用時，試件表面不平整導致的，這種不平整表面和試件內部的縫隙等，當試件受到多次加卸載應力作用時，其內部材料結構會越來越緊密；在線彈性階段中，應力- 應變曲線呈現線性增長，并且增長幅度較穩定，這是因為試件內部受壓越來越均勻，整體結構較穩定；在裂縫演化階段，混凝土材料的應力- 應變曲線出現上凸的現象，并且隨著應變的增加，應力增長幅度在逐漸減小，這主要是因為，隨著加卸載應力次數的增加，試件內部的裂紋、孔隙等會不斷增多，使材料的脆性減弱。因此，試件的形變形式逐漸以塑性形變為主[11-12]。

圖3 分級循環加卸載試驗結果Fig. 3 The grading cyclic loading and unloading test results

綜合分析可知，在混凝土材料的制備工藝過程中，會產生一些孔隙等使混凝土內部結構不均勻，因此試件的各部位強度也不一樣，當發生應力加載時，試件的彈性形變和塑性形變是同時產生的。當試件受壓力作用時，先以彈性形變為主，然后隨著循環加卸載次數的增加，試件內部開始出現一些裂紋、縫隙等，使得試件形變主要轉為塑性形變，因此試件內部的耗散能增加，表現為應力- 應變曲線的滯回環的面積不斷增加，所以，混凝土試件的應力-應變曲線先密后疏[13]。

2.2.3 彈性模量分析

圖4 為稻殼灰含量為20%的試件分級循環加卸載時的彈性模量變化曲線圖。由圖4 可知，隨著循環加卸載試驗的不斷進行，混凝土試件的彈性模量平穩上升。當第2 次循環試驗結束時，材料的彈性模量為3.45 GPa；而當第15 次循環加卸載試驗結束時，材料的彈性模量已經上升到4.76 GPa，提高幅度為37.97%。發生這種現象的主要原因是試件中的橡膠顆粒會因自重輕而在混凝土制備過程中出現上浮的情況，這會使混凝土內部材料分布不均勻，但是混凝土材料中的聚丙烯纖維形成的三維網狀結構可以緩解橡膠顆粒上浮效果，使負面效果得到抑制。因此，在混凝土材料中加入不同粒徑的橡膠顆粒組合，可以填補各骨架之間的孔洞，增強混凝土材料的密實度，同時，橡膠顆粒具備較好的彈性性能，能夠改善材料的抗彎性能、抗沖擊性能等[14]。因此，本試驗制備的混凝土材料具備良好的抗變形能力。

圖4 彈性模量圖Fig. 4 The diagram of elastic modulus

3 結 論

綜上，本試驗制備的稻殼灰結合橡膠改性聚丙烯纖維混凝土具備良好的綜合性能，具體結論如下：

（1）當稻殼灰含量增加時，材料的抗壓強度、劈裂抗拉強度以及抗折強度均先增加后減小。當稻殼灰摻量為20%時，各強度峰值分別為32.05 MPa、5.16 MPa 和7.26 MPa，增幅分別為30.77%、28.36%和46.37%，說明材料具備良好的強度。

（2）分級循環加卸載應力- 應變曲線先密后疏，分為壓密、線彈性以及裂縫演化3 個階段。

（3）隨著循環加卸載次數的增加，稻殼灰含量為20%的材料彈性模量平穩上升，從3.45 GPa 上升到4.76 GPa，材料抗形變能力較好。

（4）橡膠顆粒組合和稻殼灰的加入，可以增加材料的結構密實度，從而提高材料性能。