稻壳高活性生物质纳米结构SiO2的制备及其在高性能混凝土中的应用

The high-quality utilization of rice husk ash is beneficial to the disposal of agricultural residue and the sustainable development related to national economy development. In order to obtain the relative pure biomass amorphous nano-structured silica with high pozzolanic activity, the effect of water leaching pretreatment and heating course on the pozzolanic activity of rice husk ash is studied in this project. The effect of water leaching pretreatment on the atomic structures of silica, aggregate composition, particle size and microstructure of silicide of rice husk ash are determined. The reduction of alkali element contamination, the structural variation of silica and the sensitivity of silica crystallization to burning conditions under different leaching and heating treatment are also investigated. The optimal highly active ash are selected and submitted to the high performance concrete mixing, and the properties related to the workability, mechanical properties, durability and interfacial zone of rice husk ash concrete are compared with those of concrete incorporated with silica fume. The feasibility of application of activated rice husk ash in high performance concrete is determined. This project provides theoretical and technical guidance for the pretreatment method of rice husk ash, relieves environmental pressures and open up application of nano-materials to large low-priced concrete materials.

农业废弃物稻壳的高效利用，是我国社会经济可持续发展的重要环节。本项目采用水洗预处理稻壳再热解的方式，提取稻壳中活性无定形生物质纳米结构SiO2颗粒；研究处理过程对其原子的构型、团聚体的组成、颗粒大小以及硅化体的微观结构等影响规律，考察工艺参数对稻壳中碱金属杂质的去除效果、SiO2的结构变异及其结晶温度敏感性的作用条件；明确稻壳水洗预处理及热解工艺流程；对比分析稻壳灰SiO2与硅灰对高性能混凝土的骨料水泥石界面结构和毛细孔填充的增强改性作用，在工作性、强度、耐久性以及浆体、界面过渡区的显微结构的差异，确立高活性稻壳灰用于高性能混凝土生产的可行性。本研究将为稻壳的高质化利用提供重要的理论基础，并为稻壳预处理技术提供指导，不仅有利于最大限度地挖掘稻壳潜在的资源价值，缓解稻壳及其灰渣对环境的压力，而且有利于开创水泥混凝土等大宗价廉材料应用纳米技术改造的新局面。

本项目对降低稻壳中纳米SiO2结晶敏感性、提高SiO2火山灰反应活性，和预处理电炉热解稻壳灰用于高强高性能混凝土的可能性进行了系统研究, .研究表明，1h煮沸处理可以十分有效去除稻壳中金属杂质特别是碱金属的含量，而水沸2.5h可以一定程度上的去除金属杂质。通过烧失率、XRD、电导率测试和胶砂试验等分析发现，碱金属尤其K是稻壳灰中炭被包裹，从而产生无法氧化去除的固定炭灰黑色颗粒和使得SiO2颗粒结晶温度大幅下降的重要原因。水沸处理后使SiO2结晶点提高到了900℃维持7h，而未处理稻壳SiO2的结晶点是600℃维持4h。水沸预处理稻壳在1000℃下保温0.5h就出现了和900℃下维持32h相类似的结晶峰，而温度在1100℃和1200℃间维持2.5h，SiO2结晶就基本上完成了，可见温度和保温时间有助于晶核的生长的关键。随着温度上升，所得稻壳灰的活性和烧失率出现下降，且温度越高活性下降幅度越大。N2吸附分析表明水沸处理稻壳明显地优于未处理相同热解条件所得稻壳灰，孔增多，孔径变细，孔容变大，比表面积急剧上升。.不同水灰比胶砂和混凝土强度试验表明，未结晶稻壳灰可以用于配制各等级混凝土包括超高强混凝土，水灰比为0.22水沸处理电炉热解稻壳灰混凝土28d抗压强度达到了108.1MPa，好于凝聚硅灰。和气化稻壳相比，二次燃烧稻壳灰活性得到了提高，完全可以用于各类混凝土的配制，水灰比0.19时其28d抗压强度达到了104.4 MPa，和偏高岭土相接近；且水灰比越大增强效果越是明显，水灰比为0.3时，28d强度比空白混凝土增强了28MPa。 稻壳灰的加入使得混凝土的氯离子渗透性出现下降，水灰比越大效果越明显。电炉热解稻壳灰效果好于偏高岭土，和凝聚硅灰相当，而气化稻壳灰效果比它们稍差。.因此，从提高稻壳灰的火山灰活性和有效去除炭含量和降低稻壳灰中碱金属元素杂质进而降低SiO2结晶的温度敏感性来看，常压水沸2.5h预处理稻壳是种效果明显而又安全方便，经济绿色的方法。水沸处理热解稻壳灰可用于高性能混凝土的配制。