陳超，黃快忠

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

秸稈灰對混凝土性能的影響及應用展望

陳超，黃快忠

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

試驗研究了秸稈灰對混凝土性能的影響。秸稈灰能夠在一定程度上提高普通混凝土早期強度，但對后期強度影響較小，在混凝土中的最佳摻量為 5%，在混凝土中的摻量宜在 10% 以下；秸稈灰不宜在高強混凝土中使用。秸稈灰中鉀、鈣、鈉、鎂、磷元素含量較大和未燃燒的固定碳一起作用會加速混凝土坍落度損失；“鹽析”現(xiàn)象會使混凝土表面出現(xiàn)一層薄膜，硬化后期產生一層“白斑”，致使混凝土質量降低。

秸稈灰；混凝土；坍落度損失

0 引言

應用混凝土礦物摻合料是為了改善混凝土性能，節(jié)約成本。隨現(xiàn)代混凝土技術的發(fā)展，許多工農業(yè)廢棄物不斷被應用到混凝土中，人們對礦物摻合料的認識形成以下共同點：無毒性，在一定范圍內能夠取代水泥制備出符合要求的混凝土的粉體材料。對于火力發(fā)電，燃煤發(fā)電是造成“高碳經濟”的主要原因之一，生物質燃料具有“零 CO2排放”特點，因此生物質燃料發(fā)電將成為各國發(fā)展”低碳經濟”的重要途徑之一[1]。然而，生物質熱化學轉化過程中產生的秸稈灰已逐漸成為經濟和環(huán)境的負擔，隨著生物質熱化學轉化技術的進一步發(fā)展，秸稈灰的利用問題逐步凸顯[2]。當前我國以生物質秸稈為燃料的電廠發(fā)展較快，秸稈灰的去向也亟待解決，秸稈灰含有一定數(shù)量的硅，以前被認作一種廢棄物，如今在水泥混凝土中應用日益廣泛，被視作一種綠色再生資源。

秸稈中含有客觀數(shù)量的二氧化硅，燃燒后會留下富含二氧化硅的灰，并且有一定火山灰活性[3]。已有研究表明：摻入秸稈灰的蒸壓砂漿強度將有所提高[4]，摻有秸稈灰普通砂漿甚至在低濃度硫酸鎂、硫酸鈉環(huán)境中抗壓強度也有一定增強，但是抗折強度有所降低，其摻量不宜超過 24%[5]。由此可見，秸稈灰不失為一種環(huán)保型礦物摻合料。本試驗用秸稈灰，是火力發(fā)電廠秸稈燃燒后的灰分，主要以麥稈為主，大部分呈粉狀，存在一定量燒熔結成的小塊，大部分是沒有固定形狀的細小顆粒，比表面積大于水泥、礦粉。

1 原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：采用黃石華新堡壘牌 P·O42.5 和 P·O52.5。

礦渣：取自武漢鋼鐵股份有限公司，將其粉磨至比表面積為 408m2/kg。

微硅粉：取自某硅鐵廠，比表面積 36520 m2/g。

秸稈灰：取自凱迪電力股份有限公司京山凱迪火力發(fā)電廠，它是農作秸稈焚燒后遺留下的產物，以麥稈為主，呈灰褐色。

粗集料：采用灰?guī)r碎石，質地堅硬，5～25mm 連續(xù)級配。

細集料：為產自岳陽洞庭湖的河砂，細度模數(shù) 2.6，級配良好。

外加劑：巴斯夫聚羧酸減水劑，減水率 26%，固含量18%（液態(tài)，膠凝材料摻量為 1.0%）。

原材料主要成分見表1。

表1 原材料的化學成分 %

1.2 試驗方法

將秸稈灰作礦物摻合料應用于混凝土中，研究秸稈灰對混凝土性能的影響。新拌混凝土拌合物性能按照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能實驗方法標準》測定；混凝土力學性能按照 GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》測定。秸稈灰單摻普通混凝土采用C45 強度等級，配合比設計見表2；研究秸稈灰、礦粉、微硅粉復摻方式以低水泥用量制備中低強度等級混凝土，配合比見表3；高強混凝土 C80 配合比見表4。

表2 C45 普通混凝土配合比 kg/m3

表3 中低強度等級混凝土配合比 kg/m3

表4 高強混凝土實驗室配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 秸稈灰對普通混凝土性能的影響

試驗采用秸稈灰單摻方式，結果見表5。

表5 普通 C45 混凝土試驗結果

圖1 摻量與 60min 坍損規(guī)律

圖2 摻量與強度規(guī)律

由表5、圖1 可以看出，隨秸稈灰摻量的增加新拌混凝土坍落度逐漸減小，其 60min 坍落度損失急劇增大；而通過拌合現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，但當摻量達到 10% 以上時新拌混凝土表面”硬化”較快，表面出現(xiàn)一層薄膜，和易性迅速降低。

秸稈灰摻量大會嚴重影響混凝土和易性，造成坍落度損失增大，新拌混凝土“硬化”出現(xiàn)“瞬凝”趨勢。秸稈灰比表面積較大，摻入到混凝土中會吸收部分水分使混凝土坍落度有所降低。由表1 可知，秸稈灰中鉀含量達到了 14.72%，其次鈣、鎂、鈉、磷元素也有相當含量，這些元素以鹽類存在于混凝土中，全部或部分溶于水分散在膠凝材料中，隨齡期增長會結晶而產生“鹽析”現(xiàn)象，從而新拌混凝土表面出現(xiàn)一層薄膜，硬化后期表面會產生一層”白斑”，由于其強度較低所以混凝土表面質量欠佳，可能會導致起砂或剝落現(xiàn)象；同時隨結晶作用增長，其晶體強度增加會造成混凝土出現(xiàn)假硬化現(xiàn)象，導致坍落度損失較高；秸稈灰中含有未燃燒的固定碳，使灰的色澤較差，這些碳物質經過燃燒后質地疏松、強度低，并且性質穩(wěn)定，不參與化學反應，隨秸稈灰在混凝土分散后僅僅起到填充作用，并且吸收部分水分，會造成混凝土和易性進一步變差。

從圖2 可以看出，秸稈灰以 5% 的比例摻入到混凝土中可以較大幅度提升早期 3d 抗壓強度，其他摻量的混凝土早期強度也有一定程度的提高，秸稈灰對混凝土后期強度影響并不明顯，強度反而略有降低。

因此，秸稈灰能夠一定程度提高混凝土早期強度，但對后期強度影響不大，在混凝土中摻量不宜過大，其最佳摻量為 5%。表1 顯示秸稈灰中含有 68.48% 二氧化硅，其中部分二氧化硅為活性狀態(tài)，其參與二次火山灰反應消耗水化生成的 Ca(OH)2，生成 C-S-H 凝膠填充于混凝土中，同時一定程度地加速水泥水化反應，提高混凝土早期強度。但秸稈灰中活性二氧化硅含量有限，鹽類對后期強度有不利影響，未燃燒的碳含量較高且不參與反應，對混凝土后期強度影響較小，反而可能使混凝土強度有所降低。

2.2 秸稈灰、礦粉、微硅粉復摻對混凝土性能的影響

根據(jù)表4 制備混凝土，其結果如表6 所示。

表6 中低強度等級混凝土實驗結果

實際工程中為使混凝土的強度保證率達到 95%，C25、C30、C40 強度等級混凝土的配制強度 fcu，0應達到33.2MPa、38.2MPa、48.2MPa。由表6 可知 C25 強度等級混凝土和易性良好，均能滿足試配強度要求，其水泥用量低至130～140kg/m3，秸稈灰摻量分別達到了 24%、18%。C30強度等級混凝土中，當秸稈灰、微硅粉、礦粉三者復摻時，28d 強度能夠滿足試配強度要求，C30-1 編號水泥用量低至160kg/m3，而未摻礦粉的混凝土（C30-3、C30-4）強度未能滿足試配強度要求。C40 強度等級混凝土 28d 抗壓強度未能達到試配強度要求，但均大于 40MPa，而其水泥用量低至190kg/m3，其秸稈灰摻量分別為 9.0%、8.6%，因此可以進一步看出秸稈灰不宜在較高強度等級混凝土中使用，摻量不宜過大。

秸稈灰與其他礦物摻合料復摻，改善其單一作用，可以較低水泥用量制備普通混凝土，但其摻量不宜過大。采用此方法一方面可降低成本，另一方面達到了固廢利用的效果，保護環(huán)境。

2.3 秸稈灰作礦物摻合料試配高性能混凝土

按表5 配合比制備高強混凝土，結果如表7 所示。

表7 高強混凝土試驗結果

圖3 抗壓強度的變化規(guī)律

圖4 混凝土 7d/28d 值

試驗拌合現(xiàn)場混凝土和易性能良好，但當秸稈灰摻量達到 10% 以上時，混凝土坍落度損失依舊較大。圖3 為高強混凝土抗壓強度變化規(guī)律，當秸稈灰摻量低于 10% 時 7d 抗壓強度變化不大，均為 72～73MPa；28d 抗壓強度以 B2（秸稈灰摻量 5%）最高，但其他各組混凝土 28d 強度與 B2 相差較小（最大差值 4.7MPa）。計算各組混凝土 7d/28d 抗壓強度比值依次為 97.2%、92.8%、92.2%、93.5%、87.9%，從圖3可以直觀看出隨秸稈灰摻量增大、礦粉摻量減小，混凝土 7d和 28d 抗壓強度比值呈現(xiàn)下降趨勢，不難說明秸稈灰對混凝土后期強度影響較小，其活性低于礦粉。根據(jù) JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》當混凝土設計強度高于 C60時，配制強度應按公式（3-3）計算。當 fcu，k=60MPa 時，fcu，0≥69MPa；當fcu，k=70MPa時，fcu，0≥80.5MPa，因此上述混凝土僅達到 C60 強度等級，未能達到 C80 強度等級。

綜上所述，秸稈灰對新拌混凝土坍落度影響較小，但對坍落度損失影響較大，最佳摻量為 5%；膠凝活性低于礦粉，且不宜在高強高性能混凝土中使用。

3 結論

（1）秸稈灰會加速混凝土坍落度損失，“鹽析”現(xiàn)象會使混凝土表面出現(xiàn)一層薄膜，摻量大的混凝土硬化后期表面會產生一層“白斑”，導致質量降低；

（2）適當摻量的秸稈灰能夠在一定程度上提高普通混凝土早期強度，但對后期強度影響較小，在混凝土中的摻量宜在 10% 以下，最佳摻量為 5%；

（3）秸稈灰與微硅粉、礦粉復摻改善其單一作用，可以較低水泥用量制備普通混凝土；秸稈灰不宜在高強高性能混凝土中使用。

4 秸稈灰應用展望

秸稈灰是農作物根莖經燃燒后遺留下的產物，因此其中含有大量的鉀、鈣、鈉、鎂、磷等礦物質元素，它們不僅會影響混凝土和易性，并且也不利于混凝土強度的發(fā)展，還會對后期耐久性能產生有害影響?？紤]到秸稈灰中鉀元素含量大，可以通過元素分離（提?。┘夹g從秸稈灰中提取鉀，一方面秸稈灰中鉀得到有效利用，另一方面又減少了秸稈灰作混凝土礦物摻合料中的雜質元素。由于秸稈灰在普通燃燒方式下并不能夠充分燃燒，含有相當數(shù)量的固定碳，對混凝土產生不利影響，所以可以將秸稈灰進行煅燒急冷處理，不僅可以減少秸稈灰中固定碳含量，而且可以使其中活性二氧化硅含量增高，大大提高了秸稈灰的膠凝活性。

秸稈灰中富集礦物質元素，不失為一種良好的肥料，在中國缺少鉀資源的背景下，利用含鉀豐富的秸稈灰生產肥料，具有廣闊的市場前景，況且許多農民都有將草木灰用作肥料的經歷，也易于接受這種肥料,因此利用秸稈灰制作鉀肥在性價比方面具有較強的競爭優(yōu)勢。同時，還可以利用秸稈灰配制保溫隔熱涂料，其在可見光區(qū)的最大反射率可達 90%以上，平均反射率高達 85%[6-7]；秸稈灰作為添加劑制備免燒陶粒，不僅可以降低免燒陶粒密度，還可以使其比表面積顯著增加[8]。

以生物質為主要燃料的火力發(fā)電正迅速發(fā)展，作為秸稈類作物燃燒的灰分，秸稈灰富含相當數(shù)量礦物質并具有一定化學活性，現(xiàn)有研究仍主要集中在傳統(tǒng)無機非金屬領域和灰本身的燃燒特性方面，而在其他領域研究較少，需加大研究應用力度實現(xiàn)資源的深層次利用。

[1] 王雄．玉米秸稈拱灰混凝土實驗及機理分析[D]．北京，北京科技大學，2009.

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[6] 陳雅娟．秸稈灰廢物利用涂料的配方優(yōu)化研究[D]．武漢，武漢理工大學，2011.

[7] 柯敢．基于秸稈灰綜合利用的保溫隔熱環(huán)保涂料研制[D].武漢，武漢理工大學，2011.

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［通訊地址］福建省廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)鳳山村風美四路 39號（361027）

Effects of straw ash on the property of concrete

Chen chao, Huang kuaizhong
(Xiamen Academy of Building Research Group Co. Ltd., Fujian Xiamen 361004)

The influence of Straw ash on concrete was studied. Suitable dosage of straw ash could improve the early strength of ordinary concrete, but little to the long-term strength. The content in concrete should be below 10%, the optimal content was about 5%. Straw ash should not be used in high strength concrete. There were amounts of potassium, calcium, sodium, magnesium, phosphorus in straw ash, and combined with unburned carbon, it would seriously affect the slump loss of concrete. “Salting out” phenomenon could make the surface of concrete filled with a layer of thin-film, a layer of “white spot” would be appeared in late hardening,then it would cut down the quality of concrete.

straw ash; concrete; slump loss

陳超，男，碩士，廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司助理工程師，研究方向：建筑材料與工程。