稻壳混凝土抗冻性能研究

刘长东,张文郁,宋洋洋,李志岩,娄宗科

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)

从季节冻土地区渠道衬砌材料应满足防渗和保温防冻胀的双重要求出发,开发新型集保温防渗于一体、廉价、便于施工的渠道衬砌新材料极为重要。稻壳具有多孔性、低密度、低导热系数等特点,将其掺入混凝土中,一方面可以充分利用农业生产的废弃物,变废为宝;另一方面,提高了混凝土保温效果[1,2],作为渠道衬砌材料可达到防渗和保温防冻胀双重功能,具有重要的研究价值和积极的社会意义[3,4]。同时为了提高稻壳混凝土的抗渗性能,在混凝土中加入了粉煤灰,因此为了全面的了解混凝土的耐久性能,就有必要对稻壳混凝土的抗冻性能进行研究。

1 材料和方法

1.1 试验用原材料

试验研究中所用原材料主要有水泥、稻壳、粗骨料、细骨料、粉煤灰、水、108胶、减水剂等。

(1)水泥:试验选用冀东水泥厂生产的盾石42.5R型硅酸盐水泥,表1给出了水泥物理力学性能指标的试验结果。由试验结果可知水泥的各项性能均满足国家标准规定的指标。

表1 水泥的物理力学性能

(2)粗骨料:普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石。试验中粗骨料为渭河卵石,粒径为5 mm～31.5 mm。筛余试验结果见表2。结果表明,该石子为连续级配,其物理性能与级配合格。

表2 石料物理试验结果

(3)细骨料:粒径在0.15 mm～5.0 mm之间的骨料称为细骨料,一般有河砂,海砂,山砂和机制砂。本试验采用细骨料为渭河河砂,表观密度2 590 kg/m3,堆积密度1 540 kg/m3,含泥量为0.2%,砂的细度模数为2.43,属中砂,级配合格。

(4)稻壳:试验所用的稻壳为武功县产的水稻壳,稻壳成干燥状态,且通过粉碎后采用的稻壳是平均粒径为3.18 mm的稻壳粉粒。

(5)108胶:实验中所用的108胶水是西安市诚邦涂料化工厂生产的。本产品是一种以优质高分子化学材料制造的粘合剂。

(6)粉煤灰:采用咸阳电厂Ⅰ级粉煤灰,其物理化学性能指标见表3。

表3 粉煤灰物理化学性能指标

(7)减水剂:试验中所用的减水剂为咸阳金星混凝土外加剂有限公司生产的JSG粉末状高效减水剂,掺量1%,减水率为10%。

1.2 试验方法

按照《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)规范进行试验,抗冻性试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件,标准养护至试验龄期前4 d,取出试件浸泡于(20±3)℃水中至试验龄期放入冻融试验机试件箱中进行试验。每25次冻融循环测定一次相对动弹性模量及质量损失率,当冻融至预定的循环次数或相对动弹性模量下降至初始值的60%或质量损失率达5%时试验结束[5]。

1.3 试验设计

为了得到粉煤灰、稻壳、水灰比对混凝土的抗冻性能的影响,考虑到正交试验,如果选取3个水平时对其结果表达不清楚,所以试验决定采用三元二次正交旋转组合设计安排试验,虽然正交组合设计具有试验处理数比较少,计算简便,消除了回归系数之间的相关性等优点。但它也存在一定的缺点,即二次回归预测值的方差,随试验点在因子空间的位置不同而呈现较大的差异,由于误差的干扰,就不易根据预测值寻找最优区域。为了克服这个缺点,所以试验用回归的正交旋转组合设计。正交旋转组合设计能够使得与中心点距离相等的点上预测值的方差相等。旋转性质对预测很重要,它可以帮助试验者在寻找最优生产过程中,直接比较预测值的好坏,易于找到相对较优的区域[6]。

该试验中选取粉煤灰掺量、稻壳掺量和水灰比等3个因素。根据三元二次正交旋转组合设计安排23组实验点,抗冻试验每组3个试件,总共69个试件。试验中稻壳掺量取值为7.6%～12.4%,粉煤灰掺量为15%～25%。水灰比为0.37～0.43。各因素水平编码表见表4。

表4 因素水平编码表

2 结果及分析

2.1 相对动弹模量试验结果分析

由表5结果分析计算可得回归方程:

表5 稻壳混凝土相对动弹模量试验结果

2.1.1 单因数效应分析

由于设计中各因素均无量纲线性编码处理,且一次性回归系数bj之间,各bj与交互项、平方项的回归系数间都是不相关的,因此,可以由回归系数绝对值的大小来直接比较各因素一次项对混凝土抗冻性能的影响。本试验中是:b1=-0.035、b2=-0.037、b3=-0.032,即稻壳掺量＞粉煤灰掺量＞水灰比,稻壳掺量对混凝土的影响最大,且是负效应。由于旋转设计中,二次项回归系数间是相关的,不能直接由它们的绝对值的大小来比较二次项作用的大小。

当其他掺量为零时,单因数效应曲线图(见图1)。

由图可得:当稻壳掺量和水灰比为零时,稻壳混凝土的相对动弹模量随着粉煤灰掺量的增大而减小,但减小的速率是较小;当粉煤灰掺量和水灰比为零时,稻壳混凝土的相对动弹模量随着稻壳掺量的增大先增大后减小;当粉煤灰掺量和稻壳掺量为零时,稻壳混凝土的相对动弹模量随着水灰比的增大而减小。

图1 单因素效应曲线

2.1.2 两因数间的交互效应分析

(1)当水灰比为零水平时,粉煤灰掺量、稻壳掺量之间交互影响曲面图(见图2);

(2)当粉煤灰掺量为零水平时,水灰比、稻壳掺量之间交互影响曲面图(见图3);

(3)当稻壳掺量为零水平时,粉煤灰掺量、水灰比之间交互影响曲面图(见图4)。

3 结 论

通过对稻壳混凝土的抗冻性能的试验研究,得到以下结论:

图2 粉煤灰掺量、稻壳掺量交互影响

图3 水灰比、稻壳掺量交互影响

图4 粉煤灰掺量、水灰比交互影响

(1)稻壳掺量对抗冻性能的影响

通过试验分析得到稻壳混凝土的相对动弹模量随着稻壳掺量的增大先增大后减小,质量损失率随着稻壳掺量的增大先减小后增大,当稻壳掺量为10%和8.6%时稻壳混凝土的抗冻性都具有良好的抗冻融特性;但是稻壳掺量为11.4%时稻壳混凝土的抗冻融特性下降,从混凝土的抗冻性角度来看,稻壳在混凝土中的掺量应控制在为10%以内。

(2)粉煤灰掺量对抗冻性能的影响

通过试验分析得到稻壳混凝土的相对动弹模量随着粉煤灰掺量的增大而减小,但减小的速率是较小的,稻壳混凝土的质量损失率随着粉煤灰掺量的增大先减小后增大,综合考虑粉煤灰对质量损失率的影响较大,当粉煤灰掺量为17%～20%时稻壳混凝土具有良好抗冻性能。

随着粉煤灰掺量的提高,稻壳混凝土内部孔隙结构分布达到最合理,相对动弹模量略有减小,但是其稻壳混凝土的质量损失率迅速减小,以达到最低的质量损失率,因而混凝土抗冻性能达到最好。当粉煤灰的掺量继续提高,稻壳混凝土的相对动弹模量继续减小,质量损失率也迅速增加,这可能是由于粉煤灰掺量过大时,代替了部分细骨料,因颗粒较小无级配造成,不能充分填充混凝土的内部结构,从而使冻融循环破坏加剧。因此,在粉煤灰掺量过大时,混凝土的抗冻性能反而下降。

(3)水灰比对抗冻性能的影响

通过试验分析得到稻壳混凝土的相对动弹模量随着水灰比的增大而减小,稻壳混凝土的质量损失率随着水灰比的增大先减小后增大。混凝土的抗冻性能随水灰比的增大而减小,水灰比越大,抗冻性能越差。这主要是由于混凝土的水灰比越小,混凝土内部的毛细空隙越少,密实性越大,抗渗性越好,从而吸水率越小,抗冻性能也越好[7]。水灰比在0.4到0.43范围内时其抗冻性能最好。

(4)综合考虑3个因素对稻壳混凝土的抗冻性能的影响规律得到:影响稻壳混凝土强度的因素顺序为稻壳掺量＞粉煤灰掺量＞水灰比。

(5)以上结论都是在采用稻壳成干燥状态且通过粉碎后采用的稻壳是平均粒径为3.18 mm的稻壳粉粒,由于试验设计及试验条件的局限性,所以以上结论是否具有共性还值得进一步研究。

[1] 张文郁,娄宗科.稻壳混凝土热学与力学特性试验研究[J].混凝土,2009,(8):56-58.

[2] 高汉忠,叶慧海.稻壳水泥混凝土[J].新型建筑材料,1996,(12):1-2.

[3] 吴富萍.冻土区渠道防渗工程冻胀的防治措施[J].东北水利水电,1996,(1):15-18.

[4] SL18-2004.渠道防渗工程技术规范[S].北京:中国水利水电出版社,2004.

[5] SL352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[6] 袁志发,周静芋主编.试验设计与分析[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7] 张德思,成秀珍.粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的研究[J].西北工业大学学报,2000,18(2):175-178.