# 厄瓜多尔稻壳灰波特兰火山灰混凝土物理力学性能及离子传输相关指标评价

《Sustainable Chemistry for the Environment》：Evaluation of physical and mechanical properties and ionic transport-related indicators in portland-pozzolanic concretes produced with rice husk ash: Potential applications in Ecuador

　　

稻壳灰(RHA)是一种富含硅质的辅助胶凝材料，其性能取决于处理条件和替代水平。本研究评估了在650 °C条件下受控燃烧75 min并经酸浸预处理的稻壳灰(RHA-650/75)所制备混凝土的物理力学性能和离子传输相关指标。以稻壳灰替代水平为水泥质量的0、3、7、9、11和14 wt.%配制混凝土混合物，采用0.50的名义水胶比。研究人员评估了至60天龄期的工作性、硬化密度、抗压强度、有效孔隙率和表面电阻率。稻壳灰的掺入增加了维持目标坍落度所需的超塑化剂用量，而各混合物间的硬化密度差异小于0.6%。3%稻壳灰掺量获得最高抗压强度，60天时达到31.38 MPa，较对照组高10.7%。有效孔隙率在9%稻壳灰掺量时达到最小值(6.99%)，而表面电阻率从对照组的30.11 kΩ·cm增至14%稻壳灰掺量时的37.67 kΩ·cm。在60天时，含7-14%稻壳灰的混合物根据AASHTO T 358被归类为具有极低氯离子渗透性。各性能指标的最优掺量差异表明，抗压强度、有效孔隙率和表面电阻率提供了互补但不等价的信息。在所研究的条件下，3-7%稻壳灰掺量范围为潜在结构应用提供了最有利的综合平衡。

# 基于厄瓜多尔稻壳灰的波特兰火山灰混凝土物理力学性能及离子传输相关指标评价：潜在应用研究解读

## 1. 研究背景与意义

混凝土作为基础设施建设不可或缺的核心材料，其生产过程中波特兰水泥的制造涉及石灰石脱碳和熟料烧制，贡献了可观的温室气体排放。降低水泥熟料系数、采用辅助胶凝材料是迈向低碳胶凝体系的重要途径。辅助胶凝材料的作用机制涵盖填充效应、成核效应和火山灰效应，但其表现取决于材料组成、细度、反应活性、水泥适应性及养护条件等多种因素。

稻壳灰作为农业工业废弃物，因其受控燃烧后可获得以无定形结构为主的富硅灰分，成为一种极具吸引力的辅助胶凝材料。稻壳灰可改善颗粒堆积、促进二次胶凝产物形成，并细化孔隙结构。然而，稻壳灰的活性取决于稻壳来源与预处理方式、燃烧条件、残余碳含量、研磨程度及硅质结构等多重因素，因此难以建立普遍适用的最优替代水平。低至中等的替代量可能改善力学性能和微观结构性能，而较高掺量则可能因需水量增加、工作性降低及熟料稀释效应而削弱强度。

仅以抗压强度作为评价指标存在明显不足：有效孔隙率描述的是水可进入的孔隙比例，而表面电阻率通过连通孔隙通路间接反映离子传输能力。由于电阻率同时受饱和程度、孔隙溶液组成及孔隙网络连通性等因素影响，应将其视为互补性指标而非耐久性的直接度量。因此，使强度最大化的稻壳灰掺量与使可进入孔隙率最小化或电阻率最大化的掺量可能存在差异。

在厄瓜多尔，水稻生产集中于瓜亚斯省、洛斯里奥斯省和马纳比省等沿海省份，这为将当地产生的稻壳转化为辅助胶凝材料、支持区域资源循环利用提供了契机。然而，这一潜力需要经过适当的预处理和受控燃烧以获得适宜的化学和矿物学特性。目前，针对源于厄瓜多尔稻壳、在明确热工条件下制备并经酸浸预处理的灰分掺入GU型波特兰水泥混凝土的研究证据仍然有限。已有研究分别评估了稻壳灰混凝土的工作性与抗弯强度、综合力学响应或在固定替代水平下的耐久性评估，但在同一试验设计内对性能特异性最优替代水平进行明确比较的研究仍较为缺乏。

## 2. 研究设计与关键技术方法

本研究采用定量实验方法，系统评估了以不同比例稻壳灰部分替代GU型波特兰水泥对波特兰火山灰混凝土物理力学性能及相关离子传输指标的影响。研究设置了5个稻壳灰替代水平(3%、7%、9%、11%和14%)及对照组(0%)，设计特征强度为21 MPa。所有混合物的名义水胶比和骨料比例保持恒定，仅调整超塑化剂掺量以实现可比的工作性。每种实验条件均进行三次重复测试(n=3)，结果以算术平均值±标准差表示。

研究方法涵盖以下关键技术手段：采用波长色散X射线荧光光谱法测定稻壳灰的氧化物组成；采用X射线衍射法表征其矿物学特征；按照ASTM C204标准采用透气法测定勃氏细度；依据ASTM C188标准测定比重；通过砂浆强度活性指数评估火山灰活性。混凝土性能评估方面，依据ASTM C642标准测定硬化密度，采用自动液压试验机测定7、14、28和60天抗压强度，使用基于温纳四电极排列的Giatec Surf?装置按AASHTO T 358标准测定表面电阻率，有效孔隙率依据ASTM C1585标准制备试件并参考RILEM CPC 11.3真空饱水法测定。数据通过单因素方差分析和Fisher最小显著差数多重比较检验进行统计处理，并采用析因分析评估龄期与稻壳灰掺量的交互效应。稻壳灰制备自厄瓜多尔马纳比省采集的稻壳，经酸浸预处理后在650 °C下受控燃烧75 min，所得灰分标记为RHA-650/75。本研究所用数据集已存放于Mendeley Data数据库(https://doi.org/10.17632/hnv7tbz8sc.1)。

本研究所用稻壳灰(即RHA-650/75)经X射线衍射分析，其衍射图谱在约15°至35° 2θ范围内呈现宽泛弥散峰，最大值位于约22° 2θ附近，与无定形二氧化硅(SiO₂；JCPDS卡片No. 29-0085)参考位置一致，表明材料主要为无定形态。化学组成方面，二氧化硅(SiO₂)含量达90.62 wt.%，二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化铁(Fe₂O₃)合计含量为92.14 wt.%，烧失量仅为0.04 wt.%。勃氏细度为465 m²/kg，比重为2.07，强度活性指数为91%。上述化学组成、强度活性指数和XRD定性结果支持RHA-650/75作为人工火山灰材料的潜力。

## 3. 研究结果与分析

### 3.1 工作性(坍落度)

混凝土工作性分析分为两个阶段。在固定超塑化剂掺量(70 mL)的初始阶段，坍落度随稻壳灰掺量增加而逐渐降低，对照组为114 mm，3%、7%、9%、11%和14%掺量分别降至93.67、91.33、81.00、69.00和55.00 mm。这一趋势表明稻壳灰的掺入增加了维持相同稠度所需的水量或减水剂用量，可归因于灰分的高比表面积和多孔结构促进水分吸收并增加颗粒间摩擦。在第二阶段，通过调整超塑化剂掺量将坍落度恢复至110-120 mm范围，3%、7%、9%、11%和14%掺量所需额外掺量分别为18、31、48、72和79 mL。方差分析确认稻壳灰替代率对工作性有显著影响(p < 0.05)。

### 3.2 密度

28天硬化混凝土密度未随稻壳灰含量增加呈单调下降趋势。3%、7%和9%掺量的混合物密度分别为2349.33、2353.78和2350.11 kg/m³，略高于对照组的2341.67 kg/m³；而11%和14%掺量分别为2340.22和2334.67 kg/m³，略低于对照组。各混合物间的密度差异小于0.6%，不应将此解释为胶凝基质密实化的直接证据。统计分析表明差异显著(p < 0.05)，其中3%、7%和9%掺量间无显著差异，11%和14%掺量间亦无显著差异。

### 3.3 抗压强度

抗压强度对稻壳灰掺量和养护龄期均表现出依赖性响应。7天时强度范围为14.75至17.55 MPa，3%掺量和对照组获得最高值，较高掺量则逐渐下降。14天时对照组和3%掺量分别达到21.48和21.62 MPa。28天时3%掺量达到最高值27.92 MPa，超过对照组的26.67 MPa；7%和9%掺量分别达到27.10和26.58 MPa；而11%和14%掺量降至23.22和21.22 MPa。60天时保持相同的层级趋势，对照组为28.35 MPa，3%、7%、9%、11%和14%掺量分别达到31.38、29.82、28.25、25.52和24.65 MPa，证实随掺量增加强度性能逐渐下降。从实际角度出发，所有混合物在28天和60天均超过21 MPa的特征强度，但余量存在明显差异。3%掺量较对照组在28天和60天分别提高4.7%和10.7%。统计分析显示掺量百分比在28天时显著影响抗压强度(p < 0.05)，龄期×稻壳灰掺量的析因分析表明两因素及其交互作用均具有统计学显著性，模型拟合优度R2 = 96.43%。

### 3.4 表面电阻率

表面电阻率随养护龄期和稻壳灰含量增加而系统性提高。对照组从7天时的25.67 kΩ·cm增至60天时的30.11 kΩ·cm。28天时，电阻率从3%掺量的32.00 kΩ·cm增至14%掺量的35.22 kΩ·cm。60天时，3%、7%、9%、11%和14%掺量分别达到34.78、37.11、37.22、37.44和37.67 kΩ·cm。根据AASHTO T 358的判定标准，表面电阻率在21至37 kΩ·cm之间表示低氯离子渗透性，37至254 kΩ·cm之间表示极低渗透性。因此，所有混合物在7、14和28天均处于低渗透性范围；60天时，对照组和3%掺量(30.11和34.78 kΩ·cm)仍属此类，而7-14%掺量(37.11-37.67 kΩ·cm)被归为极低氯离子渗透性类别。与抗压强度不同，电阻率即使在最高稻壳灰掺量下仍持续增加，表明力学性能与电学响应的部分解耦。

### 3.5 有效孔隙率

有效孔隙率对稻壳灰掺入呈现非单调响应，在9%掺量前持续降低，此后随掺量增加而升高。28天时，有效孔隙率从对照组的8.22%降至3%、7%和9%掺量的7.50%、7.41%和7.39%，随后在11%和14%掺量时升至7.83%和8.45%。60天时对应值分别为对照组7.55%，3%、7%和9%掺量为7.09%、7.01%和6.99%，11%和14%掺量为7.56%和8.24%。所有混合物在60天时的均值均低于28天。9%掺量在两个龄期均呈现最低数值平均值，但与3%和7%掺量在统计上相当。单因素方差分析确认稻壳灰替代率在28天(F(5, 12) = 10.33, p < 0.001)和60天(F(5, 12) = 9.34, p < 0.001)均显著影响有效孔隙率。Fisher最小显著差数检验表明，含3%、7%和9%稻壳灰的混合物在两个龄期均无显著差异。

### 3.6 综合性能比较与集成性能意义

RHA-650/75兼具高二氧化硅含量(90.62 wt.%)和低烧失量(0.04 wt.%)，其化学特征与文献中受控灰分的性能相似，明显优于无控燃烧灰分(二氧化硅80.70 wt.%，烧失量14.68 wt.%)。本研究内部，最大抗压强度位于3%掺量，最小有效孔隙率位于9%掺量，最高表面电阻率位于14%掺量，揭示了各性能指标的差异化响应。与已有文献报道的5-20%最优掺量范围相比，本研究确定的最佳性能掺量较低，这可能与当地酸浸处理RHA-650/75的特性(包括煅烧和研磨条件及其潜在的高需水量)有关。此外，名义水胶比未针对稻壳灰吸水进行修正，以及较高掺量下超塑化剂用量的增加，可能改变了有效水分的可用性和胶凝材料响应。在所研究的条件下，3-7%掺量范围在力学性能方面提供了最有利的平衡。

### 3.7 研究局限性

本研究未对硬化混凝土进行扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析或压汞法表征。因此，所提出的颗粒堆积、火山灰反应、水化产物形成和孔隙网络改性等效应属于文献支持的阐释而非实验证实的机制。有效孔隙率和表面电阻率是互补但间接的指标。有效孔隙率量化了在特定试验条件下水可进入的孔隙比例，而电阻率还受孔隙连通性、曲折度、饱和度、温度及孔隙溶液化学组成的影响。混合水被多孔稻壳灰吸收的量未予以量化，且调节工作性所采用的不同超塑化剂掺量可能影响混合物的响应。研究结果限于所用原材料、稻壳灰来源与处理条件、配合比、养护制度及替代水平。

## 4. 结论

稻壳灰的掺入显著影响了新拌态行为，但对硬化密度影响较小。在固定超塑化剂掺量下，坍落度从对照组的114 mm降至14%掺量时的55 mm；然而通过调整外加剂掺量可恢复110-120 mm的目标坍落度范围，各混合物间硬化密度差异小于0.6%。抗压强度响应呈剂量依赖性，3%稻壳灰掺量在60天时达到最高值(31.38 MPa)，较对照组(28.35 MPa)提高10.7%；7%掺量亦超过对照组(29.82 MPa)，而更高掺量产生逐渐不利的力学响应。物理和离子传输相关指标呈现不同趋势：最小有效孔隙率出现在9%掺量(60天时6.99%)，而表面电阻率随稻壳灰含量从对照组的30.11 kΩ·cm逐步增至14%掺量时的37.67 kΩ·cm。60天时，含7-14%稻壳灰的混合物达到AASHTO T 358定义的极低氯离子渗透性等级。没有任何单一稻壳灰掺量能够同时优化所有评价性能：最大抗压强度位于3%，最小有效孔隙率位于9%，最大表面电阻率位于14%。综合考虑工作性、抗压强度发展及互补的物理和传输相关指标，在所研究的条件下，3-7%替代范围对于潜在结构应用提供了最有利的总体平衡。这一推荐范围特定于RHA-650/75、所用原材料、配合比、超塑化剂调整及养护制度，其更广泛的适用性需要通过微观结构表征和直接耐久性测试加以验证。