引言

针对目前我国水泥工业中CO2排放量较大的现状，本项目拟利用TiO2和稻草灰作原料，以减少水泥的使用。

在此基础上，采用扫描电镜和 CT扫描技术，分析水泥基材料在单向受压条件下的破坏机理，并采用 MATLAB计算裂纹长度。

由于国内基建工程的发展，对普通硅酸盐混凝土的需求急剧增加。然而，在生产中，因其排放的CO2较多，导致了严重的环境污染。

2021年，中国的水泥年产量达到23.8亿吨，而每吨水泥的生产需要1吨CO2，因此，光是水泥工业就有23.8亿吨CO2的排放量。为此，急需用新的材料来代替某些类型的水泥。

现在很多学者都在研制一种新型的可以取代粉煤灰，稻壳灰，甘蔗渣，炉渣，偏高岭土等常见的硅酸钙，将这些取代的水泥加入到混凝土中，既可以改善其工作特性，又可以降低其使用的数量。减少了水泥厂对环保的冲击，从而有效地减轻了环保压力。

近几年来，随着人们对纳米技术的研究和应用，人们对其进行了广泛的研究。已有研究显示，用TiO2代替一定比例的胶凝材料，可显著提升胶凝材料的强度、耐久性、胶凝材料及胶凝材料的显微组织。

我国是全球第二大玉米生产大国，年均产粮2.726亿吨，但在秋季收割之后，由于没有进行高效处置，一些农户私下燃烧，导致了区域大气环境的恶化，燃烧过程中所释放出的有毒气体也对人类的身体健康造成了威胁。

针对目前我国存在的玉米秸秆难以处置等问题，一些研究人员建议对其进行高温非破坏性处置，再以其灰渣代替水泥。

纳米TiO2和稻草灰渣都是改善混凝土强度的重要手段，而在国家能源短缺和生态破坏的背景下，降低水泥用量和增加固体废弃物的综合利用成为当前迫切需要解决的问题。

针对这一现状，项目拟将纳米TiO2和稻草灰相结合，以其为原料，以其为原料，考察其工作特性，以其抗压性和抗拉性为主要指标，以 SEM观测其在不同掺入比例下的细观结构。

在此基础上，通过 CT数据平均的改变作为判定标准，探索 CT数据平均与混凝土破坏之间的关系，采用 MATLAB软件完成裂纹的识别、抽取，并进行裂纹长度的统计分析。

并对其在单向加载下的破坏行为进行了研究。本项目的成果将对二氧化钛稻草粉煤灰在水泥中的应用具有一定的借鉴意义。

在掺入原料后，采用缩漏仪测定其收缩率，并按国家有关规定的《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定其收缩率。

压缩强度是通过 CT扫描机上的载荷装置得到的。用WDW-300通用测试仪测定了劈开拉伸强度。

（CT 扫描仪）

显微试验使用了JSM-5600LV型电镜，将显微影像放大5000倍，对一个养护周期为28天的混凝土进行了试验，试验样品是从一个在单轴压力下，被破坏后的试件的中间部位取得的。

三峡大学仁和医院 CT设备（飞利浦光耀 CT）进行了 CT检查，该设备具有1500 W的输出功率，检测准确度为83微米。

为了高效地获取单向受压时的 CT影像，本项目拟通过在 CT扫描装置上加装一台可同时获取受力状态下的 CT影像，并获取其应力-变形关系。

CT扫描器以0.4秒的速率转动，间隔0.5 mm，每一块混凝土样品大约有479幅2 D图片。

（CT 图像的放大部分）

可以看出，随着混合料掺量的增大，坍落度呈现出了一个先上升后下降的过程，并且呈现出了A4>A3>A5>A2>A1的变化，在加入A4的情况下，混凝土的流动性比较好，其最大值达到了202 mm，但是，过量的混合料（A5）会使混凝土的坍落度降低。

这是因为大量的草木灰由于其比表面较大，会吸附更多的水分，从而使草木灰和NiO2发生反应，从而使草木灰和NiO2发生反应，从而产生更高的表面积。

从而提高了混凝土中骨料间的摩擦力，抑制了骨料移位，降低了水泥石的流动，降低了塌落。并且可以看出，任何一种拌和材料的加入都能显著地改善混凝土的坍落度。

与A1 （素混凝土）相比，A2~A5的掺量增加了6.82%,11.36%,14.77%,8.52%，说明了在混凝过程中加入了纳米二氧化钛和稻草灰会增加其工作性能，这是因为纳米二氧化钛和稻草灰会比水泥的密度小。

而纳米TiO2和稻草灰具有更细的颗粒尺寸，在集料之间产生“滚珠”作用，使水泥浆具有更好的流动性能和更好的塌落性能。

为此，在保持纳米SiO2用量恒定的前提下，麦秸灰必须适当加入，以避免过度加入引起的离析和泌水等问题，从而对混凝土的工作性质造成不利的影响。

利用试验装置测得的应力—变形关系，可以得出在各种掺入材料条件下，混凝土的抗压强度随时间的改变而改变的规律。

从图中可以看出，添加了纳米二氧化硅和稻草灰会对混凝土的初期抗压强度的改善作用不大，但会对其以后的性能产生明显的改善作用。

（抗压强度）

在经过7天的养护后，各种混合料的混凝土的抗压强度呈现出一种非线性的增长，并且增长的速度很慢。与A1相比，A2~A5提高了22.22%，提高了27.78%，提高了44.44%，提高了47.12%。这是因为在初期阶段，其增强的速度很慢。

然而，由于SiO2和稻草灰都需要在碱性条件下进行化学反应，不能生成足够数量的C-S-H胶来填补孔隙，从而使其成为增强水泥性能的理想选择，且只是部分孔隙被用来填补。

在养护28 d的时候，随着稻草灰掺量的增加，混凝土的抗压强度呈现出先提高后降低的趋势，A2~A5较A1分别提高了12.90%,29.03%,48.38%,45.16%，最大压缩强度达到了47 MPa，

这是因为，在水泥中添加的纳米TiO2和稻草灰粉，既能起到燃烧碳氢化合物的作用，又能起到填充孔隙、降低孔隙率的作用，从而改善水泥石的致密性能。

但随着稻草灰渣的不断加入，胶凝材料的品质随之不断降低，造成胶凝材料的生成量不断减小，同时也不能为稻草灰渣和纳米SiO2之间的熔融作用，从而造成胶凝材料的抗压强度不断降低。

通过对不同养护年限、不同掺入率的水泥石进行劈拉强度测试。结果表明，添加纳米SiO2和稻草灰对砼的初期抗拉性能的改善作用不大，但对其后期抗拉性能的改善作用明显。

经过7天的养护，其抗张强度只有0.82 MPa。结果表明：在28天的养护时间内，不同含量的纳米SiO2与稻草灰配比，其拉伸强度分别为2.1,2.9,3.5,4.4,4.2 MPa。与养护时间相比，7天的增幅为156.09%,222.22%,218.19%,238.46%,201.57%。

（抗拉强度）

同时，由于其快速水化过程中会生成一定数量的钙（OH2)，加速了SiO2与草木灰的协同作用，生成了大量的凝胶材料，并将其填满，增加了颗粒间的界面结合，使得在受到外部压力时，不会出现明显的变形和偏移，从而提升了材料的抗张强度。

同时可以看出，在养护28 d的条件下，随着混合料的加入，材料的抗拉强度呈现出了先升高后降低的状态，所以，在添加纳米二氧化钛和稻草灰的时候，要适当地加入。

显微试验选取了在28天后，添加了A1,A4,A5的混凝土样品。在素砼（A1）中，空洞较多，骨料间的粘合效应不佳，凝胶材料很少。

在A4掺量下，混凝土中的大孔和联通孔隙显著减小，这是因为10%的纳米二氧化钛-15%的稻草灰会协同生成大量的凝胶材料填充孔隙，改善孔隙结构。

同时凝胶材料对骨料的包覆作用更好，从而使混凝土的致密程度更高，因此，在A4掺量下，混凝土的抗压性和抗拉性都是最好的。

随着稻草灰用量的不断增大，混凝土中的大孔洞和联通孔洞也随之增大，细观结构呈现出明显的低致密性特征。

而A5用量虽然也有一些胶凝材料，但是其生成的胶凝材料含量很少，不能很好地填满孔洞，从而使其抗压和抗拉性能降低。

研究发现，随着水泥稳定碎石的加入，水泥稳定碎石的塌落率呈现出先增大后减小的变化规律；同时，添加10%的纳米二氧化钛和15%的稻草灰，对其初期的抗压性和抗拉性的改善作用不大，但对其后期的增强作用明显。

参考资料

《超高性能混凝土在大跨度铁路桥梁钢桥面铺装中的应用》《含粗骨料超高性能混凝土的力学性能》《普通混凝土力学性能试验方法标准》