劉振正，謝春磊，王學(xué)營，郭 亮，武悅悅，陳 琴，段 平

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，呼和浩特 010051；2.生態(tài)安全屏障區(qū)交通網(wǎng)設(shè)施管控及循環(huán)修復(fù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)材料與化學(xué)學(xué)院，武漢 430074；5.武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430050)

0 引 言

大力發(fā)展利廢新材料，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的體現(xiàn)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。地聚物具有綠色、低碳等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新材料，在道路鋪裝、道路修補(bǔ)等公路領(lǐng)域、橋梁工程以及建材等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)地聚物材料進(jìn)行改性，提升其耐久性能、延長其服役壽命的新措施、新技術(shù)，是一項(xiàng)具有重大實(shí)際意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的研究課題?；钚怨桎X質(zhì)原料是影響地聚物力學(xué)性能的主要調(diào)控因素之一，加入硅質(zhì)原料(改變SiO2/Al2O3質(zhì)量比)可以增強(qiáng)地聚物的力學(xué)性能。增大SiO2/Al2O3質(zhì)量比可以使地聚物的結(jié)構(gòu)更加均勻。二氧化硅對(duì)地質(zhì)聚合過程有重要影響，決定了凝膠的結(jié)構(gòu)，從而影響機(jī)械強(qiáng)度和耐久性[1]。前人的大量研究表明[2-4]，將活性硅質(zhì)材料(硅灰、納米二氧化硅、玻璃粉等)添加到地聚物中有利于提高材料的力學(xué)性能及耐久性能。因此采用硅質(zhì)材料對(duì)地聚物進(jìn)行改性具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，我國每年種植生產(chǎn)水稻產(chǎn)量約2億t。稻殼作為水稻加工后的農(nóng)副產(chǎn)品，占水稻質(zhì)量約20%，即4 000萬t，我國稻殼產(chǎn)量占世界稻殼總產(chǎn)量的30%以上，位居世界第一[5]。稻殼質(zhì)量輕，堆放在農(nóng)田中占地面積較大且不易腐爛。目前，人們對(duì)于稻殼的主要處理方式是焚燒后作為肥料使用或者就地堆放，不僅污染環(huán)境，也浪費(fèi)資源。研究發(fā)現(xiàn)稻殼煅燒產(chǎn)物稻殼灰是一種可和硅灰媲美的高硅高活性材料，SiO2質(zhì)量含量達(dá)90%以上[6]，其在高性能水泥和混凝土材料的制備中有著顯著的增強(qiáng)改性作用，具有巨大的潛在價(jià)值和應(yīng)用前景[7]。Das等[8]通過將稻殼灰與鋁酸鈉按一定比例混合得到地聚物(SiO2/Al2O3=3.5)，1 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa。Zhu等[9]將粉煤灰、稻殼灰和NaOH溶液混合，當(dāng)10 mol/L NaOH和35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))稻殼灰時(shí)，地聚物強(qiáng)度可達(dá)最佳值，其中主要為石英、方石英和莫來石等結(jié)晶相。稻殼灰的無定形二氧化硅增加地聚物的Si/Al摩爾比，與氫氧化鈉反應(yīng)形成硅酸鹽凝膠，明顯改善地聚物的性能。Billong等[10]用稻殼灰改性偏高嶺土基地聚物，材料孔結(jié)構(gòu)更加致密，拉伸強(qiáng)度提高25%。SiO2溶解引起的填充效應(yīng)和凝膠相的富集可能是主要原因，均有利于形成致密的微觀結(jié)構(gòu)，減少樣品內(nèi)部孔隙之間的連通性。Liang等[11]在偏高嶺土基地聚物中摻入稻殼灰，發(fā)現(xiàn)稻殼灰可以有效改善地聚物的機(jī)械性能和防水性能。

稻殼灰作為一種輔助膠凝材料，可以提升地聚物的力學(xué)性能和耐久性能，但在預(yù)處理及制備方面的研究尚不系統(tǒng)，因此探究在不同酸預(yù)處理?xiàng)l件和不同煅燒條件下稻殼灰特性的差異,確定高活性稻殼灰的最佳制備條件及其對(duì)地聚物力學(xué)性能方面的影響規(guī)律，有利于拓展其在提升地聚物服役性能等方面的應(yīng)用。本論文的研究結(jié)果，可為多元復(fù)合高性能地聚物膠凝材料的設(shè)計(jì)與制備提供新途徑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

稻殼(RH)，來自湖北荊州農(nóng)村，呈薄殼狀，含有大量的纖維素、木質(zhì)素和二氧化硅等[12]。NaOH(AR 99.2%)，H2SO4(98%)，HCl(75%)和CH3COOH(AR)(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)產(chǎn)自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。偏高嶺土(MK)產(chǎn)自云南天鴻高嶺土有限公司，使用AXIOS MAX型X射線熒光光譜儀(XRF)對(duì)MK進(jìn)行元素的定性定量分析，結(jié)果如表1所示。使用NKT6100-D型激光粒度儀對(duì)MK進(jìn)行粒度分析，其粒徑范圍為0.533～48.86 μm，D50為5.441 μm，D90為26.58 μm。工業(yè)水玻璃產(chǎn)自佛山中發(fā)水玻璃廠，含26.0%SiO2、8.2%Na2O和65.6%H2O(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同，模數(shù)SiO2/Na2O=3.2)。

表1 MK的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of MK

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 稻殼灰的制備

將稻殼放入HN101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在105 ℃下干燥2 h待用；配制質(zhì)量濃度為2.5%、體積為1 L的HCl、H2SO4和CH3COOH溶液；取干燥后的稻殼約200 g放入HCl溶液中，充分?jǐn)嚢枋沟玫練ね耆胨崛芤航? h；用蒸餾水對(duì)浸泡后的稻殼反復(fù)沖洗，直至清洗溶液呈中性，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在105 ℃下干燥2 h。最后將處理好的稻殼放入馬弗爐中分別煅燒30 min、60 min、90 min、120 min、150 min(溫度分別設(shè)置400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、700 ℃，升溫速率5 ℃/min)，便得到不同酸預(yù)處理，不同煅燒條件的稻殼灰(RHA)樣品。采用X射線熒光光譜儀(XRF)、SU8010型掃描電子顯微鏡(SEM)、AXS D8-Focus型X射線粉晶衍射儀(XRD)和FE30K型臺(tái)式電導(dǎo)率儀對(duì)樣品的物相組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形貌及活性等方面進(jìn)行表征分析。

1.2.2 稻殼灰改性地聚物的制備

在工業(yè)水玻璃中溶解固體氫氧化鈉，調(diào)整模數(shù)為1.5，制備堿性激發(fā)劑。根據(jù)不同預(yù)處理?xiàng)l件下的稻殼灰改性地聚物原料質(zhì)量配比(偏高嶺土∶稻殼灰=9∶1,激發(fā)劑∶ 粉料=0.8,水膠比0.32)和不同摻量的最佳處理?xiàng)l件下稻殼灰改性地聚物原料配比(如表2),將粉料均勻混合,將堿性激發(fā)劑加入粉料中攪拌均勻,澆筑在尺寸為40 mm ×40 mm ×40 mm 聯(lián)排模具內(nèi),常溫固化24 h,脫模,最后將樣品放入溫度為25 ℃、濕度為95%的YH-60B 型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、28 d,通過NKK-4050 型萬能試驗(yàn)機(jī)測試樣品經(jīng)過不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度(參照GB/ T 17671—1999)。采用Auto Pore IV 9500 series 型壓汞分析儀(MIP)測定樣品的孔隙率。

表2 最佳處理?xiàng)l件下稻殼灰改性地聚物原料配比Table 2 Mix proportion of raw materials of geopolymer modified by RHA under the optimum treatment conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 酸預(yù)處理對(duì)稻殼灰表觀性能及元素成分的影響

圖1為未經(jīng)酸預(yù)處理與不同酸預(yù)處理后煅燒得到的稻殼灰表觀形貌圖，酸預(yù)處理后稻殼灰呈白色，未經(jīng)酸預(yù)處理的稻殼灰呈偏灰白色，樣品含有大量的黑色顆粒。經(jīng)HCl和H2SO4預(yù)處理后煅燒得到的稻殼灰顏色較純，CH3COOH次之。Krishnarao等[13]研究表明，稻殼灰中黑色顆粒是碳酸鉀引起的，會(huì)導(dǎo)致其性能下降。酸預(yù)處理后的稻殼殘留碳減少，煅燒更完全。這是由于酸預(yù)處理溶解了稻殼中的金屬氧化物，保留了木質(zhì)素和SiO2等難溶性組分。

圖1 不同酸預(yù)處理稻殼灰表觀形貌圖Fig.1 Macroscopic morphologies of RHA pretreated with different acids

使用X射線熒光光譜儀(XRF)對(duì)不同酸預(yù)處理后的稻殼灰在550 ℃煅燒后的化學(xué)成分元素的定性定量分析，結(jié)果如表3所示。稻殼灰主要成分是SiO2，含量達(dá)到93%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以上，無定型SiO2是稻殼灰高活性的主要原因。經(jīng)過硫酸或鹽酸預(yù)處理后，稻殼灰灰樣中SiO2含量提升到98%。經(jīng)過酸預(yù)處理，稻殼中的金屬氧化物被酸溶解為易溶解性的新鹽(例如CaCl2，Na2SO4等)進(jìn)入浸泡溶液,從而降低稻殼灰中金屬氧化物的含量[14]。結(jié)合稻殼灰表觀形貌圖片可知，未處理的稻殼灰發(fā)黑是由K元素的金屬氧化物碳化生成的。強(qiáng)酸溶液對(duì)金屬氧化物的溶解度最高，鹽酸和硫酸預(yù)處理后的稻殼灰殘留金屬氧化物含量相似。

表3 不同酸預(yù)處理稻殼灰的主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of RHA pretreated with different acids

2.2 煅燒條件對(duì)稻殼灰物相結(jié)構(gòu)的影響

煅燒時(shí)間小于60 min時(shí)，稻殼中部分無法燃盡的碳與氧氣反應(yīng)，生成二氧化碳。當(dāng)煅燒時(shí)間超過60 min，稻殼的燒失量基本不再變化，稻殼煅燒60 min左右，其中所含的碳基本可以被去除。煅燒產(chǎn)物主要為二氧化硅，稻殼的燒失量為82%左右，表明二氧化硅占原料稻殼的18%左右，與表3結(jié)果相一致(稻殼中二氧化硅含量為10%～22%)。從節(jié)約能源的角度考慮，稻殼的最佳煅燒時(shí)間為60 min。

圖2是不同溫度煅燒1 h后稻殼灰中的XRD測試結(jié)果。稻殼灰中主要是無定形的寬峰(2θ=18°～26°)，是非晶態(tài)二氧化硅的特征峰。然而當(dāng)煅燒溫度超過600 ℃時(shí)，稻殼灰中會(huì)形成大量結(jié)晶SiO2。當(dāng)煅燒溫度低于500 ℃時(shí)稻殼灰的主晶相為石英，當(dāng)煅燒溫度為500～600 ℃，稻殼灰中的晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。稻殼灰中的晶相轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在500～600 ℃，在600 ℃以下煅燒時(shí)只發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變沒有新的晶體生成。當(dāng)存在穩(wěn)定的SiO2晶體時(shí)，由于晶體難溶于堿溶液中，地質(zhì)聚合過程變得緩慢。因此煅燒溫度不能超過600 ℃。

圖2 不同煅燒溫度下稻殼灰的XRD譜Fig.2 XRD patterns of RHA at different temperatures

表4為不同溫度煅燒得到的稻殼灰在800 ℃灼燒下的燒失量。稻殼灰中會(huì)有少量的碳?xì)埩?主要為碳酸鹽)，在800 ℃灼燒后碳酸鹽(如碳酸鉀)分解。稻殼灰中其他硅鋁酸鹽分解溫度在1 150 ℃以上，因此800 ℃灼燒損失率(燒失量)可以定量分析不同溫度煅燒稻殼灰中殘余碳的含量，反映稻殼灰煅燒是否完全。

表4 不同溫度處理的稻殼灰的燒失量Table 4 Loss on ignition of rice husk ash treated at different temperatures

前人的研究[15-16]中發(fā)現(xiàn)，低溫煅燒(400～700 ℃)可有效降低稻殼灰中的晶體SiO2生成量。煅燒時(shí)溫度過低會(huì)生成大量的殘余碳，如果碳含量過高，地聚物碳化會(huì)大幅度降低地聚物的耐久性。由表4可知，隨著煅燒溫度的升高(400～700 ℃)，稻殼灰中殘留碳含量會(huì)降低。這是因?yàn)樵陟褵龝r(shí)，溫度越高，稻殼灰中有機(jī)物質(zhì)完全燃燒越充分。550～700 ℃煅燒稻殼灰的殘留碳基本保持恒定一致，含量在0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，即在550 ℃的煅燒溫度下，稻殼灰煅燒完全。

2.3 酸預(yù)處理與煅燒條件對(duì)稻殼灰活性的影響

圖3為不同酸預(yù)處理后稻殼灰與氫氧化鈣反應(yīng)的電導(dǎo)率ΔE變化和不同煅燒溫度稻殼灰與氫氧化鈣反應(yīng)電導(dǎo)率差ΔE關(guān)系圖。導(dǎo)致混合溶液的電導(dǎo)率差ΔE增加的原因主要是稻殼灰中活性SiO2與溶液中Ca2+反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，溶液離子濃度下降。由圖3(a)可知，與未經(jīng)酸預(yù)處理樣品對(duì)比，酸預(yù)處理的稻殼灰混合溶液電導(dǎo)率差ΔE增加，其中鹽酸預(yù)處理稻殼灰混合溶液電導(dǎo)率差ΔE最大。主要原因在于酸預(yù)處理去除了K等阻礙稻殼燃燒的雜質(zhì)，增大了稻殼灰的比表面積，表面能增大，暴露出更多活性SiO2，相同時(shí)間內(nèi)生成更多的C-S-H凝膠[17]。徐迅[18]的研究也表明無定形二氧化硅的火山灰活性與比表面積大小有直接的相關(guān)性。黃鵬等[19]的研究表明，酸預(yù)處理會(huì)增加稻殼中糖類產(chǎn)量，減少酸類、酮類和呋喃類產(chǎn)量，稻殼灰孔隙結(jié)構(gòu)得到發(fā)展，比表面積增加，稻殼灰的火山灰活性提高。鹽酸預(yù)處理的稻殼灰電導(dǎo)率差值ΔE最大，火山灰活性最高。電導(dǎo)率差ΔE變化為：ΔE鹽酸>ΔE硫酸>ΔE醋酸>ΔE未處理，因此酸預(yù)處理稻殼灰的活性為鹽酸預(yù)處理>硫酸預(yù)處理>醋酸預(yù)處理>未處理。

由圖3(b)可知，電導(dǎo)率變化的差值ΔE越大，稻殼灰的火山灰活性越高。不同煅燒溫度(400 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、700 ℃)稻殼灰吸附氫氧化鈣測試的電導(dǎo)率差ΔE分別為2.61 mS/cm、3.12 mS/cm、3.52 mS/cm、3.44 mS/cm、2.26 mS/cm。當(dāng)煅燒溫度低于550 ℃時(shí)，電導(dǎo)率隨溫度升高而降低。其中，550 ℃稻殼灰的電導(dǎo)率差ΔE最大，600 ℃稻殼灰的電導(dǎo)率差ΔE次之，但相差不大。這是由于煅燒溫度在550 ℃和600 ℃時(shí)，二氧化硅晶體含量相對(duì)較少，化學(xué)反應(yīng)活性相對(duì)較高，與稻殼灰的XRD譜結(jié)果一致，但稻殼灰在550 ℃下活性更高。

圖3 稻殼灰電導(dǎo)率差ΔE與酸種類和煅燒溫度的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the difference of conductivity ΔE of RHA and the acid types or calcination temperatures

2.4 最佳處理?xiàng)l件下稻殼灰的微觀結(jié)構(gòu)

稻殼灰的最佳處理?xiàng)l件：經(jīng)2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸溶液浸泡1 h后，550 ℃煅燒1 h。二氧化硅含量高達(dá)98.354%，其粒徑范圍為1.582～322.7 μm，D50為25.73 μm，D90為225.1 μm。

圖4為稻殼灰的微觀形貌，稻殼內(nèi)外表面各有一層由致密SiO2組成的膜，煅燒后不會(huì)產(chǎn)生微孔。圖4(a)中，稻殼灰的側(cè)面呈夾層狀結(jié)構(gòu)，由交橫疊加的半片構(gòu)成，整體疏松，且具有大量的孔洞，呈疏松的蜂窩狀。這些大量存在的孔洞尺度在10 μm左右。由圖4(b)中可知，經(jīng)過高溫煅燒后，稻殼仍舊保持著原始的植物骨架，表面存在著較為均勻的連續(xù)凸起。由圖4(d)可以看出，稻殼灰內(nèi)部的薄板、薄片均由許多細(xì)微的米粒狀粒子聚集而成，粒子之間存在大量的空隙(微孔小于50 nm)。米粒狀粒子是構(gòu)成稻殼灰的基本粒子，由于它的顆粒大小在納米材料的尺度范疇(0.1～100 nm)，即為納米凝膠粒子(約50 nm)。

圖4 最佳處理?xiàng)l件下稻殼灰的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of RHA under optimal treatment condition

2.5 稻殼的預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)地聚物力學(xué)性能的影響

圖5為不同酸預(yù)處理稻殼灰在養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d后的抗壓強(qiáng)度，不同酸處理后的稻殼灰地聚物養(yǎng)護(hù)28 d后的孔隙率和不同煅燒溫度稻殼灰，不同摻量最佳處理?xiàng)l件稻殼灰改性地聚物在養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d后的抗壓強(qiáng)度。由圖5(a)可知，對(duì)比未經(jīng)酸預(yù)處理的樣品，經(jīng)酸預(yù)處理的樣品抗壓強(qiáng)度均有提升。強(qiáng)酸預(yù)處理稻殼灰制備的地聚物強(qiáng)度最高，反映出強(qiáng)酸預(yù)處理稻殼灰的化學(xué)反應(yīng)活性最高。一方面，強(qiáng)酸預(yù)處理破壞稻殼灰的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)部空隙(圖4(d)納米凝膠粒子間的空隙)增加，增大稻殼灰的比表面積，暴露出更多活性SiO2，促進(jìn)地聚物的地質(zhì)聚合過程。另一方面，金屬(K、Ca等)氧化物會(huì)破壞地聚物凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，降低地聚物的聚合度，強(qiáng)酸預(yù)處理稻殼灰中的金屬氧化物雜質(zhì)被溶解，故地聚物的力學(xué)性能提升。由圖5(b)可知，與空白組相比，酸處理稻殼灰地聚物的孔隙率累積侵入體積均會(huì)有所減小，這表明稻殼灰對(duì)地聚物的孔隙結(jié)構(gòu)有顯著的細(xì)化作用。鹽酸處理稻殼灰對(duì)地聚物的效果最為顯著，使地聚物的孔結(jié)構(gòu)更加致密。由圖5(c)可知，煅燒溫度對(duì)地聚物的影響明顯，550 ℃稻殼灰復(fù)合地聚物的抗壓強(qiáng)度最高，比700 ℃時(shí)強(qiáng)度高5～7 MPa。這與稻殼灰中的晶體含量以及碳含量有關(guān)，煅燒溫度在550 ℃和600 ℃時(shí)，二氧化硅晶體含量相對(duì)較少，化學(xué)反應(yīng)活性相對(duì)較高。550 ℃稻殼灰的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到53.3 MPa，強(qiáng)度最高，略高于600 ℃稻殼灰的28 d抗壓強(qiáng)度(52.8 MPa)，結(jié)合稻殼灰的XRD和氫氧化鈣吸附試驗(yàn)結(jié)果，在550 ℃下煅燒得到稻殼灰活性最高，提升地聚物的力學(xué)強(qiáng)度最高。

因此，強(qiáng)酸預(yù)處理可以有效去除稻殼中金屬氧化物雜質(zhì)，提高稻殼灰的比表面積和化學(xué)活性。結(jié)合稻殼灰的表觀性能、元素成分分析、活性分析以及稻殼灰地聚物力學(xué)性能分析，鹽酸預(yù)處理稻殼灰的活性最高，改性地聚物抗壓強(qiáng)度最高。由于穩(wěn)定的二氧化硅晶體很難在堿溶液中溶解，所以稻殼灰地聚物的力學(xué)性能可進(jìn)一步反映稻殼灰的活性。

2.6 稻殼灰對(duì)地聚物力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖5(d)可知，地聚物強(qiáng)度隨齡期增長而增長，與空白樣品1相比，樣品2～5的抗壓強(qiáng)度均有所提升，表明稻殼灰提高了地聚物的抗壓強(qiáng)度。稻殼灰改性主要由兩方面作用，一方面部分稻殼灰作為硅源參與地質(zhì)聚合反應(yīng)，另一方面未反應(yīng)的稻殼灰填充在地聚物的空隙中，使地聚物結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高材料的抗壓強(qiáng)度。由于稻殼灰對(duì)樣品孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化及其內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，提高了材料的抗壓強(qiáng)度，這與Guang等[20]研究結(jié)果一致。圖6為對(duì)照組地聚物與最佳處理?xiàng)l件稻殼灰改性地聚物SEM照片。與對(duì)照組相比，最優(yōu)處理?xiàng)l件下的稻殼灰改性地聚物微觀形貌更加致密，無微觀裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展，稻殼灰填充孔隙，抑制裂紋萌生。

圖6 對(duì)照組地聚物與最佳處理?xiàng)l件稻殼灰改性地聚物SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of control group geopolymer and geopolymer with RHA under optimum treatment condition

圖5 不同酸預(yù)處理稻殼灰改性地聚物抗壓強(qiáng)度及孔隙率和不同煅燒溫度稻殼灰改性地聚物、最佳處理?xiàng)l件稻殼灰改性地聚物抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength and porosity of geopolymers modified by RHA pretreated with different acids and compressive strength of geopolymers modified by RHA at different calcination temperatures,geopolymers modified by RHA under optimum treatment condition

隨著稻殼灰摻量的增加，地聚物抗壓強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?5%(樣品4)時(shí)，稻殼灰改性地聚物抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，與空白樣相比，28 d抗壓強(qiáng)度提高30%，表明稻殼灰對(duì)地聚物有較強(qiáng)的增強(qiáng)改性作用。15%稻殼灰也可提高地聚物抗壓強(qiáng)度10 MPa以上。Hu等[21]的研究具有一致的結(jié)果。當(dāng)?shù)練せ覔搅繛?0%時(shí)，稻殼灰改性地聚物抗壓強(qiáng)度下降，這可能與稻殼灰的硅鋁比以及稻殼灰在地聚物的有效分布有關(guān)。摻量的范圍對(duì)提高材料的強(qiáng)度效果影響不大。大量研究[22-23]表明，在材料中摻入適量的硅質(zhì)材料，對(duì)提高材料的劈裂抗拉強(qiáng)度有非常明顯的效果，同時(shí)可以增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)酸預(yù)處理會(huì)提高稻殼灰中無定形SiO2的純度。相對(duì)于未處理稻殼灰，鹽酸預(yù)處理稻殼灰的二氧化硅含量高達(dá)98.354%，純度與活性最高。不同酸預(yù)處理稻殼灰的活性差異表現(xiàn)為：鹽酸預(yù)處理>硫酸預(yù)處理>醋酸預(yù)處理>未經(jīng)酸預(yù)處理對(duì)照組。

(2)煅燒溫度會(huì)改變稻殼灰的物相結(jié)構(gòu)，煅燒溫度過高或過低，都會(huì)生成較多的晶體(石英、磷石英等)，煅燒溫度在550 ℃時(shí)，稻殼灰活性最高。稻殼灰可顯著提高地聚物的力學(xué)性能。550 ℃稻殼灰地聚物(10%稻殼灰，90%偏高嶺土)的28 d抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到53.3 MPa。鹽酸處理后的稻殼灰使地聚物的孔隙結(jié)構(gòu)更加致密。

(3)經(jīng)酸預(yù)處理的稻殼在550 ℃下煅燒60 min即可煅燒完全，超過60 min，其燒失量基本不再變化。

(4)稻殼灰的最佳制備條件為：經(jīng)2.5%鹽酸溶液浸泡1 h后，550 ℃煅燒1 h(升溫速率5 ℃/min)，自然冷卻至室溫。此條件下，稻殼灰的主要成分為無定形SiO2(98.354%)，呈現(xiàn)納米凝膠粒子(約50 nm)堆積成的蜂窩孔結(jié)構(gòu)。