CN111392738A - 一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法 - Google Patents

一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，将稻壳灰与碳酸钠高温煅烧得硅酸钠。然后，硅酸钠与硫酸反应生成二氧化硅沉淀和可溶性硫酸钠。最后，将产物烘干、研磨得改性稻壳灰纳米二氧化硅代替工业二氧化硅制备抗冲刷混凝土材料。改性稻壳灰纳米二氧化硅抗冲刷混凝土具有比工业二氧化硅抗冲刷混凝土更好的力学性能与抗冲刷性能、更低的早期干燥收缩值。使用改性稻壳灰纳米二氧化硅制备混凝土抗冲刷材料，不但扩大了废弃稻壳的应用范围，实现了废弃物循环再生利用；并且避免了填埋处理废弃稻壳需占用土地的问题。使用此种方法制备水工抗冲刷材料能产生良好的技术、经济、社会和环保效益，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的 方法
技术领域
本发明属于农业废弃物循环利用和水工抗冲刷材料制备领域，具体涉及一种使用改性稻 壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法。
背景技术
进入二十世纪以来，以三峡大坝、码头、跨江海大桥、钻井平台为代表的大型水工结构 物相继建成并投入使用。混凝土作为最广泛使用的水工结构材料，其长期使用状态是困扰工 程界的难题。国外调查资料表明，英国服役20年的水工结构物中有35-40％的混凝土损坏而 需修复；通车20年的挪威Freifjord海底隧道的结构混凝土表层发生了严重剥离现象；美国 1500多座的使用年限超过30年的跨江海大桥的混凝土桥墩都存在不同程度损伤，且还在以 每年10-15％的速度增加；据研究统计，中国有70％左右的大坝泄水结构物存在混凝土损坏和 混凝土过流面表层大面积剥蚀的问题。海南省八所港矿砂码头服役30年后，结构物就出现了 严重混凝土剥落的情况；英国为解决水工结构物的损伤与防护问题，每年需花费将近20万英 镑的费用；1997年美国因水工结构物的破坏而造成的损失近1700亿美元。我国每年对水工 结构物进行修补与加固的费用估计也达3000亿元，占全年国民经济总值的2.5-3.2％。如何提 高水工结构混凝土耐久性已成为土木工程领域关注的焦点问题。相关的研究表明，水工结构 混凝土的性能劣化程度与所处环境密切相关。对处于水环境中的结构物，高速水流和夹带泥 砂会对结构混凝土产生冲刷和磨蚀。随时间推移，在外部环境因素和混凝土材料自身缺陷共 同作用下，混凝土表面裂缝不断扩展，结构混凝土开始老化，这导致水工结构物性能劣化和 承载力下降。如何提高水工结构混凝土抗冲刷性是目前亟待解决的问题。
上世纪七十年代开始，国内外研究人员已开展如何提高水工结构混凝土抗冲刷性能的相 关研究。目前常用的抗冲刷材料包括环氧砂浆、呋喃砂浆，纤维混凝土、粉煤灰混凝土、橡 胶粉混凝土等。环氧砂浆、呋喃砂浆水工抗冲刷材料具有与混凝土粘结力强、机械强度高、 抗冲刷性能好的特点，但环氧树脂、呋喃本身并没有高的抗冲刷能力，其与耐磨砂粒结合后， 含砂水流很难剥离耐磨砂粒。纤维混凝土抗冲刷材料是通过在混凝土内部掺入纤维，使纤维 在混凝土中相互牵制和连接，形成一个阻碍其裂缝扩展、连通的乱向支撑体系来提高混凝土 抗冲刷性能，但纤维混凝土在拌和过程中混凝土中的纤维分散不均匀和易缠绕成团，同时较 高的纤维价格也增加了此种抗冲刷材料的使用成本。粉煤灰混凝土具有原材料易得、和易性 强、干缩小、施工简单和造价低廉等优点，但粉煤灰混凝土早期抗压和早期抗冲刷强度低， 且粉煤灰的质量易波动，这影响了粉煤灰混凝土抗冲刷材料推广应用。橡胶粉混凝土是将废 旧橡胶轮胎磨碎成粉末掺加到混凝土中制得，橡胶粉混凝土中的橡胶粉颗粒和骨料紧密结合， 提高了混凝土界面粘结强度、抗冲刷强度、韧性、弯曲变形量、极限拉伸值、吸收能量的能 力，但橡胶粉掺加会降低混凝土力学性能。进入二十世纪以来，一种新型的二氧化硅混凝土 抗冲刷材料在美国研制成功，二氧化硅混凝土是将二氧化硅颗粒均匀分散到混凝土中制得， 二氧化硅的掺入提高了结构混凝土密实性且增加了整个胶凝材料体系的水化活性，这导致二 氧化硅混凝土具有比其他抗冲刷混凝土更好的力学性能和抗冲刷性能，二氧化硅混凝土是目 前最有发展前景的一种水工抗冲刷材料。但二氧化硅混凝土抗冲刷材料在实际使用过程中也 存在一些问题，比如，二氧化硅混凝土比其他抗冲刷混凝土具有更大的早期干燥收缩且更易 开裂；同时工业二氧化硅市场价格比较高；这些都阻碍了此种抗冲刷材料在水工结构物建造 过程中的广泛应用。开发出一种原材料来源广泛、低成本、低早期收缩的二氧化硅混凝土抗 冲刷材料已成为水工结构领域的研究热点。
近几年来，各国研究人员开始尝试利用来源广泛的农业废弃物加工生产二氧化硅。据世 界粮农组织统计数据，2013年全世界水稻产量约为7亿吨；印度、越南、马来西亚、泰国、 巴西、阿根廷等国水稻总产量为1.64亿吨；中国作为世界上最大的水稻种植国，水稻产量为 2亿吨，占全球水稻产量1/3。随着我国对粮食需求持续增加，我国水稻年产量还将以年均1.8- 6.4％的速度持续增长。稻壳作为水稻加工后的副产品，每年全世界稻壳产生总量达4000-6000 万吨。传统处理稻壳废弃物的方式是堆积，但废弃稻壳大量堆积会对周围环境造成了负面影 响。随着我国逐渐认识到稻壳的潜在价值，废弃稻壳的开发利用越来越受到重视。相关研究 表明，600℃温度下对稻壳进行焙烧处理可得稻壳灰，稻壳灰中90％以上为非晶态二氧化硅， 稻壳灰中的二氧化硅含量是所有农作物中最高的。稻壳灰还具有与工业二氧化硅相近的物理 性能。稻壳灰是工业二氧化硅的潜在替代品。但进一步研究发现，稻壳灰中的二氧化硅结构 比较疏松，使用稻壳灰制备二氧化硅混凝土时，随稻壳灰掺量增加混凝土内部空隙率明显增 加，这导致二氧化硅抗冲刷混凝土材料力学性能和抗冲刷性能有所下降。
发明内容
本发明针对稻壳灰二氧化硅代替工业二氧化硅制备混凝土抗冲刷材料时，稻壳灰二氧化硅 混凝土材料力学性能和抗冲刷性能低、早期收缩大、易开裂等问题，提供了一种对稻壳灰改 性处理制备纳米二氧化硅高抗冲刷混凝土的方法。首先将稻壳灰与碳酸钠混合物高温煅烧得 硅酸钠；然后，将硅酸钠溶解在硫酸溶液中，反应生成二氧化硅沉淀析出和可溶性的硫酸钠； 在这以后，将产物烘干、球磨后得白色纳米二氧化硅和硫酸钠；最后，改性稻壳灰纳米二氧 化硅和硫酸钠与水泥、细骨料、粗骨料、水按比例混合，制备出改性稻壳灰纳米二氧化硅抗 冲刷混凝土材料。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一：将稻壳灰分拣、清洗、晾干处理后通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm 的稻壳灰颗粒，将稻壳灰放置48小时后备用；
步骤二：将碳酸钠通过0.6mm圆孔筛，得到颗粒尺寸小于0.6mm碳酸钠粉，然后将稻壳 灰与碳酸钠粉按比例放入装有搅拌器的容器中，快速搅拌20～30分钟使稻壳灰与碳酸钠粉混 合均匀；将上述混合物放入马弗炉，以12～15℃/分钟的升温速度在40～60分钟时间将温度提 高到820～880℃，并在此温度下煅烧处理混合物2小时得固体硅酸钠，煅烧完的固体硅酸钠 冷却到室温进行密封备用；
步骤三：使固体硅酸钠完全溶解在稀硫酸溶液中，用氢氧化钠调节溶液的pH值为9-10， 加速搅拌溶液10～20分钟，升高温度到60～65℃反应1～1.5小时，得二氧化硅沉淀和硫酸钠溶 液，将二氧化硅沉淀进行陈化、洗涤、过滤处理去除产物中残留的杂质；
步骤四：将硫酸钠溶液和二氧化硅在100～105℃的温度下烘干处理40～60分种，冷却到室 温后研磨10～20分钟，磨细后的产物过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的粉末， 得纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物；
步骤五：将水泥、纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物、细骨料、粗骨料放入装有搅拌器的 容器中以30转/分钟搅拌速度混合搅拌，然后加入掺有聚羧酸减水剂的拌合水以30转/分钟的 搅拌速度继续搅拌，接着使用铁铲对混凝土浆体进行人工搅拌1～2次，最后将混凝土浆体在 60转/分钟的搅拌速度下加速搅拌，得到改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土；
步骤六：将改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土浇筑到试模中振捣密实，并将试模放置在室 温中养护24小时，然后将混凝土样品从试模中移除并放置在标准养护室中养护到规定龄期， 并在规定养护龄期里，对混凝土样品的抗压强度、抗折强度、抗冲刷性能、干缩值进行测定。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述步骤一中，控制稻壳灰平均粒径在6～10μm。
上述步骤二中，所述稻壳灰与碳酸钠粉的质量比为(53～55):(45～47)。
上述步骤二中，每隔一小时对马弗炉中的稻壳灰与碳酸钠粉搅拌一次，排出煅烧过程中 产生的二氧化碳气体。
上述步骤三中，每505～510kg的稀硫酸中添加490～495kg的固体硅酸钠进行反应；其中， 稀硫酸的浓度为32％。
上述步骤四中，所述的纳米二氧化硅的颗粒尺寸控制在12-20nm之间。
上述步骤四中，所述的纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物中硫酸根离子含量在0.089～0.104％。
上述步骤五中，所述的水泥、纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物、细骨料、粗骨料、聚羧 酸减水剂以及拌合水的质量比为(340-350):(27-30):(540-545):(1400-1405):(0.68-0.69): (110-115)。
上述步骤六中，在标准养护室中养护的具体条件为：温度20～23℃，湿度85～95％。
本发明使用改性稻壳灰纳米二氧化硅代替了工业二氧化硅制备抗冲刷混凝土材料，在制 备工艺中，除了使用稻壳灰改性后获得的二氧化硅外，还充分利用了反应残留溶液中的硫酸 钠，将硫酸钠与二氧化硅混合研磨后一并掺加至混凝土材料中，与掺加传统工业二氧化硅的 抗冲刷混凝土相比，本发明使用稻壳灰纳米二氧化硅制备的混凝土具有更好的力学性能和抗 冲刷性能，硫酸钠与水化产物作用产生微膨胀，补偿了二氧化硅混凝土的早期收缩，使得改 性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土具有更低的早期干燥收缩值。此外，本发明通过研磨改变了传 统稻壳灰制备的二氧化硅的微观结构，本发明制备出的是纳米级的二氧化硅，与传统的工业 二氧化硅相比，具有的更高的耐磨性以及抗开裂性能。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明使用改性稻壳灰纳米二氧化硅来制备抗冲刷混凝土，不但消耗了大量的废弃稻 壳，而且还克服了填埋方法处理稻壳需要大量占用土地的问题。废弃稻壳作为一种资源，用 于制备抗冲刷混凝土是处理废弃稻壳的最佳途径，实现了废弃物循环再生利用。制备改性稻 壳纳米灰二氧化硅混凝土抗冲刷材料过程中，改性稻壳灰中的硫酸钠与水化产物作用能补偿 稻壳灰纳米二氧化硅混凝土的早期收缩。改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土具有比工业二氧化 硅混凝土更好的力学性能、抗冲刷性能、更低的干燥收缩值。使用改性稻壳纳米灰二氧化硅 混凝土抗冲刷材料中具有广阔应用领域，能产生良好的技术、经济、社会和环保效益。
(2)本发明使用改性稻壳灰纳米二氧化硅代替工业二氧化硅制备粉混凝土抗冲刷材料，每 生产一立方米改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土抗冲刷材料，可节约二氧化硅材料的使用费用 为3.48元。
(3)本发明改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土具有比工业二氧化硅混凝土更好的抗冲刷性 能。使用改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土抗冲刷材料，仅减少维护成本与提高水工结构物使 用年限一项，每方水工结构物可节省建设费用4.56元。
(4)以每年生产1000吨改性稻壳灰纳米二氧化硅可配制3.10×105方混凝土计。减少二氧化 硅原材料使用成本达107.89万元，水工结构物的维护成本与延长使用年限可节约141.38万元费 用支出。以每年生产1000吨改性稻壳灰纳米二氧化硅共计可带来249.27万元的经济效益。
附图说明
图1是本发明高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的制备流程图。
图2是掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土、未掺加二氧化硅混凝土和掺加工业二氧化硅 混凝土的初始塌落度对比图。
图3是掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土、未掺加二氧化硅混凝土和掺加工业二氧化硅 混凝土的抗压强度对比图。
图4是掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土、未掺加二氧化硅混凝土和掺加工业二氧化硅 混凝土的抗折强度对比图。
图5是掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土、未掺加二氧化硅混凝土和掺加工业二氧化硅 混凝土的抗冲刷强度对比图。
图6是掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土、未掺加二氧化硅混凝土和掺加工业二氧化硅 混凝土的磨损率对比图。
图7是掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土、未掺加二氧化硅混凝土和掺加工业二氧化硅 混凝土的干燥收缩值对比图。
图8为实施例1中制备的改性稻壳灰纳米二氧化硅的粒径分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
以下实施例和对比例中稻壳灰(二氧化硅含量89-95％)由湖北仙桃驰顺制碳厂生产。工业 二氧化硅为广东盖特奇新材料科技有限公司提供，密度为2.2g/cm3，活性指数为105-130％。 碳酸钠(99.5％)是深圳金富源生物科技有限公司产品。稀硫酸(30-32％)是苏州市相城区骏马化 工有限公司生产。氢氧化钠为天津光复科技发展有限公司生产。
实施例1
改性稻壳灰纳米二氧化硅的制备
1.1稻壳灰的预处理
将稻壳灰分拣、清洗、晾干处理后，通过0.6mm圆孔筛，去除杂质与形状不规则的稻壳 灰颗粒。保留颗粒尺寸小于0.6mm稻壳灰细颗粒，将稻壳灰放置48小时后，使用激光粒度仪测得稻壳灰平均粒径在8.54μm。
1.2固体硅酸钠的制备
将碳酸钠通过0.6mm圆孔筛，得到颗粒尺寸小于0.6mm碳酸钠粉。称取530-550kg稻壳灰和450-470kg碳酸钠粉放入装有搅拌器的反应容器中，快速搅拌混合物20-30分钟，使稻壳灰和碳酸钠粉混合均匀。将混合物放入马弗炉，以12-15℃/分钟的升温速度在40～60分 钟时间里将马弗炉温度提高到820-880℃，优选为在14℃/分钟的升温速度在45分钟时间里将 马弗炉温度提高到860℃，在此温度下煅烧固体混合物2小时。每一小时对稻壳灰与碳酸钠 粉混合物搅拌一次，排出煅烧产生的二氧化碳气体。煅烧完的固体硅酸钠冷却到室温进行密 封备用。
1.3改性稻壳灰纳米二氧化硅的制备
在505-510kg浓度为32％的稀硫酸溶液中加入490-495kg固体硅酸钠，充分搅拌使硅酸 钠完全溶解在稀硫酸溶液中。用氢氧化钠调节溶液pH值为9-10，加速搅拌溶液10-20分钟。 升高溶液温度到60-65℃持续反应1-1.5小时，得二氧化硅沉淀析出和硫酸钠溶液。将二氧化 硅沉淀陈化、洗涤、过滤去除产物中杂质，保留硫酸钠溶液。在100-105℃温度下将二氧化硅 沉淀和硫酸钠溶液烘干处理50分种，在球磨机中研磨10～20分钟，产物过0.6mm圆孔筛， 控制产物颗粒尺寸小于0.6mm，得纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物，即改性稻壳灰纳米二氧 化硅，其中硫酸根离子含量为0.089～0.104％，优选为0.976％。参见图8，通过上述反应以及 研磨后改性稻壳灰二氧化硅的粒径为14.28nm，说明采用本发明的制备方法制备出了纳米级 二氧化硅结构。
实施例2
二氧化硅混凝土的制备
2.1混凝土配合比
使用中国水泥厂PⅡ级42.5普硅水泥，细骨料为天然河砂，细骨料细度模数2.46，粗骨 料为5-25mm连续级配碎石，高效减水剂为聚羧酸减水剂，拌和用水为饮用水。混凝土配合 比为水泥:细骨料:粗骨料:水＝1:1.58:4.07:0.32，砂率为28％，一立方米混凝土中水泥用量为344 kg/m3，改性稻壳灰纳米二氧化硅用量为水泥用量的8％，聚羧酸减水剂用量为水泥用量的 0.2％，同时根据上述的混凝土配比制备未掺加二氧化硅的混凝土和掺加工业二氧化硅的混凝 土作为对比样，三组抗冲刷混凝土配合比见表1，其中，Control表示未掺加二氧化硅的混凝 土试样，DNS表示掺加工业二氧化硅的混凝土试样，RHA表示改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝 土试样。
表1.抗冲刷混凝土实验配合比
Figure BDA0002422942250000061
Figure BDA0002422942250000071
2.2混凝土试样的制备与养护
将340-350kg水泥、27-30kg改性稻壳灰纳米二氧化硅、540-545kg河砂细骨料、1400-1405 kg粗骨料放入装有搅拌器中，以30转/分钟搅拌速度混合1-2分钟。然后，将0.68-0.69kg的 聚羧酸减水剂与110-115kg拌合水混合。掺加含有聚羧酸减水剂的拌和水添加到容器中，在 30转/分钟搅拌速度下继续搅拌2分钟。为避免新拌混凝土浆体在容器底部层积，使用铁铲对 混凝土浆体进行人工搅拌1-2次。最后，混凝土浆体在60转/分钟的搅拌速度下加速搅拌2 分钟。取新拌RHA混凝土浆体分三次放入塌落度测试筒中进行新拌混凝土的初始塌落度检 测。随后，将新拌RHA混凝土浇筑到100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×550mm 试模中制备12块试样，进行3d，7d，28d，90d抗压强度和抗折强度检测。其他新拌RHA混 凝土浇筑到6个
Figure BDA0002422942250000072
试模中检测28d和90d龄期混凝土的抗冲刷性能。余下 新拌RHA混凝土浆体浇筑到70mm×70mm×285mm试模中，进行混凝土的干燥收缩测试。 最后将所有RHA混凝土试模用湿麻袋覆盖放置在室内(温度为25℃，湿度55-65％)环境中养 护24小时。1天后，混凝土样品从试模中移除并放置在标准养护室中(温度为20-23℃，湿度 为85-95％)养护到规定龄期。在相同条件下，制备相同数量的Control、DNS混凝土样品进行 对比实验。
实施例3
抗冲刷二氧化硅混凝土的性能
3.1抗冲刷二氧化硅混凝土的初始塌落度
将新拌混凝土浆体分三次装入混凝土塌落度测试筒中，每装一次，使用振捣棒均匀振捣 混凝土截面25次。混凝土浇注结束后刮去多余混凝土浆体并抹平混凝土表面，在5-10秒内 提起塌落度测试筒。测试筒筒高与塌落混凝土最高点之间的高度差为混凝土初始塌落度。三 种混凝土初始塌落度如图2所示。从图中可看出，掺加二氧化硅到混凝土降低了混凝土初始 塌落度。在相同的二氧化硅掺量下，改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土具有比工业二氧化硅混 凝土更高的初始塌落度，表明本发明的改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土具有更好的流动性与 和易性。
3.2抗冲刷二氧化硅混凝土的抗压强度
在3，7，28，90天养护龄期，从标准养护室中取出100mm×100mm×100mm混凝土 试样，按国家规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50 01-2002)规定。使用深圳三思纵横科技股份有限公司YAW-3000电液伺服加载系统进行混凝土抗压强度测试，抗压强度测试时压力试验机加载速率为1.3MPa/s。抗压强度值是三个混凝土试样平均值。三种混凝土 在不同养护龄期抗压强度如图3所示。从图中可看出，随着养护龄期的增加，三种抗冲刷混 凝土抗压强度持续增加。在相同养护龄期里，二氧化硅的掺加能明显增加混凝土的抗压强度， 并且使用改性稻壳灰纳米二氧化硅的混凝土具有比掺加工业二氧化硅的混凝土有更佳的抗压 强度。
3.3抗冲刷二氧化硅混凝土的抗折强度
混凝土抗折强度按国家规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)的三 点抗折方法进行测试。在3，7，28，90天养护龄期里，将150mm×150mm×550mm棱柱 体成型面朝上放置在DYE-300型全自动抗折试机上，以40N/s加载速度加载到棱柱体侧面上 直至试件折断，记录试验数据。混凝土抗折强度值是三个混凝土试样的平均值。三种混凝土 在不同养护龄期的抗折强度如图4所示。从图中可看出，随着养护龄期的增加，三种抗冲刷 混凝土的抗折强度持续增加。相同养护龄期里，二氧化硅的掺加能明显改善了混凝土抗折强 度。混凝土的抗折强度与掺加的二氧化硅种类密切相关，改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土具 有比工业二氧化硅混凝土更高的抗折强度。
3.4抗冲刷二氧化硅混凝土的抗冲刷性能
混凝土抗冲刷性能使用《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)中的水下钢球法进行评 估，将浸泡在水中48小时后的
Figure BDA0002422942250000083
混凝土试件取出并擦去试样表面水分称量。 将表干的混凝土试件放入抗水流冲刷试验仪(天津港源试验仪器厂生产)钢筒内，加水高出试 件表面165mm。以1200转/分钟转速旋转搅拌浆，每隔24小时在钢筒内加水至原水位高度。 最后将冲刷72小时的混凝土试件取出并且擦去水分称量。混凝土抗冲刷指标用抗冲刷强度和 磨损率表示，抗冲刷强度和磨损率分别按公式(1)、(2)计算。
Figure BDA0002422942250000081
式中：fa表示抗冲刷强度，单位为h*kg/m2，即单位面积上被磨损单位质量所需的时间； T表示测试累计时间，单位为h；A表示混凝土试样受磨面积，单位为m2；ΔM表示经T时段冲磨后混凝土试样损失的累计质量，单位为kg。
Figure BDA0002422942250000082
式中：L表示磨损率(％)；M0表示试验前混凝土试样质量，单位为kg；MT表示试验后混凝土试样质量，单位为kg。
三种混凝土的抗冲刷性能如图5所示。从图中可看出，延长养护龄期增加了混凝土抗冲 刷强度和减少了混凝土的磨损率。相同养护龄期里，掺二氧化硅的两种混凝土具有比空白混 凝土更高的抗冲刷强度和更低混凝土的磨损率，且掺加改性稻壳灰纳米二氧化硅的混凝土有 比掺加工业二氧化硅的混凝土更好抗冲刷性能。
3.5抗冲刷二氧化硅混凝土干燥收缩值
按《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)的方法测试混凝土试样的干燥收缩值。将70 mm×70mm×285mm试样放置在室内(温度25℃，湿度55-65％)环境中养护24小时后，从 试模中移除测定混凝土试件基准长度。然后，将混凝土试件放入干缩试验箱，在1d，4d，7d， 28d，56d，90d，112d龄期测试混凝土试件长度，混凝土试样的干燥收缩值为规定干缩龄期 里试样长度变化与基准长度的比值。三种混凝土干燥收缩的变化曲线如图6所示。从图中可 看出，随着干燥龄期的增加，三组混凝土干燥收缩都增加。相同干燥龄期里，二氧化硅掺加 增加了混凝土的干燥收缩值。由于改性稻壳灰纳米二氧化硅中含有硫酸钠，硫酸钠与水化产 物作用产生微膨胀补偿了改性稻壳灰纳米二氧化硅的混凝土早期干燥收缩。改性稻壳灰纳米 二氧化硅混凝土具有比工业二氧化硅混凝土更低的干燥收缩值。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范 围。

Claims (9)

1.一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将稻壳灰分拣、清洗、晾干处理后通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的稻壳灰颗粒，将稻壳灰放置48小时后备用；
步骤二：将碳酸钠通过0.6mm圆孔筛，得到颗粒尺寸小于0.6mm碳酸钠粉，然后将稻壳灰与碳酸钠粉按比例放入装有搅拌器的容器中，快速搅拌20~30分钟使稻壳灰与碳酸钠粉混合均匀；将上述混合物放入马弗炉，以12~15℃/分钟的升温速度在40~60分钟时间将温度提高到820~880℃，并在此温度下煅烧处理混合物2小时得固体硅酸钠，煅烧完的固体硅酸钠冷却到室温进行密封备用；
步骤三：使固体硅酸钠完全溶解在稀硫酸溶液中，用氢氧化钠调节溶液的pH值为9-10，加速搅拌溶液10~20分钟，升高温度到60~65℃反应1~1.5小时，得二氧化硅沉淀和硫酸钠溶液，将二氧化硅沉淀进行陈化、洗涤、过滤处理去除产物中残留的杂质；
步骤四：将硫酸钠溶液和二氧化硅在100~105℃的温度下烘干处理40~60分种，冷却到室温后研磨10~20分钟，磨细后的产物过0.6 mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6 mm的粉末，得纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物；
步骤五：将水泥、纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物、细骨料、粗骨料放入装有搅拌器的容器中以30转/分钟搅拌速度混合搅拌，然后加入掺有聚羧酸减水剂的拌合水以30转/分钟的搅拌速度继续搅拌，接着使用铁铲对混凝土浆体进行人工搅拌1~2次，最后将混凝土浆体在60转/分钟的搅拌速度下加速搅拌，得到改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土；
步骤六：将改性稻壳灰纳米二氧化硅混凝土浇筑到试模中振捣密实，并将试模放置在室温中养护24小时，然后将混凝土样品从试模中移除并放置在标准养护室中养护到规定龄期，并在规定养护龄期里，对混凝土样品的抗压强度、抗折强度、抗冲刷性能、干缩值进行测定。
2.根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤一中，控制稻壳灰平均粒径在6~10μm。
3. 根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤二中，所述稻壳灰与碳酸钠粉的质量比为(53~55) : (45~47)。
4.根据权利要求1或3所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤二中，每隔一小时对马弗炉中的稻壳灰与碳酸钠粉搅拌一次，排出煅烧过程中产生的二氧化碳气体。
5.根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤三中，每505~510kg的稀硫酸中添加490~495kg的固体硅酸钠进行反应；其中，稀硫酸的浓度为32%。
6.根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤四中，所述的纳米二氧化硅的颗粒尺寸控制在12~20nm之间。
7.根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤四中，所述的纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物中硫酸根离子含量在0.089~0.104%。
8. 根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤五中，所述的水泥、纳米二氧化硅与硫酸钠的混合物、细骨料、粗骨料、聚羧酸减水剂以及拌合水的质量比为(340~350) : (27~30) : (540~545) : (1400~1405) : (0.68~0.69) : (110~115)。
9.根据权利要求1所述的一种使用改性稻壳灰制备高抗冲刷纳米二氧化硅混凝土的方法，其特征在于：步骤六中，在标准养护室中养护的具体条件为：温度20~23℃，湿度85~95%。
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