趙耀

（濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250022）

1 研究背景

隨著各國(guó)逐步進(jìn)入城市化和工業(yè)化的時(shí)代，水泥產(chǎn)業(yè)成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)之一。2015 年，水泥的產(chǎn)量第一次超過(guò)了40 億t。中國(guó)水泥的年產(chǎn)量為24 億t，占世界總產(chǎn)量的57.3%，是世界上生產(chǎn)水泥最多的國(guó)家，緊隨其后的是印度，其水泥年產(chǎn)量占據(jù)世界總產(chǎn)量的6.6%，位居第三的是美國(guó)，水泥產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的2.0%[1]。水泥作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)原材料，目前國(guó)內(nèi)外無(wú)替代品，雖然隨著工藝設(shè)備的進(jìn)步，環(huán)境污染大大改善但是資源消耗依舊很高。

圖1 2015 年世界水泥產(chǎn)量（USGS, 1993—2016）

近年來(lái)，對(duì)于緩解溫室效應(yīng)，減小環(huán)境壓力的追求促使水泥工業(yè)尋找可以作為水泥替代品的“廢物”材料。大多數(shù)情況下，這些材料都是通過(guò)自然或者人工方式獲得的，比如農(nóng)產(chǎn)品、工業(yè)副產(chǎn)品等[2]。如今應(yīng)用比較廣泛的是粉煤灰、硅灰、礦渣等廢棄材料以及秸稈灰、稻殼灰等生物質(zhì)灰作為輔助性膠凝材料來(lái)替代水泥[3]。然而，生物質(zhì)的燃燒是一個(gè)巨大的環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化，霧霾狀況和對(duì)人類健康的嚴(yán)重影響[4]，并且生物質(zhì)材料用于生物質(zhì)電廠發(fā)電的效率以及利用率低，因而生物質(zhì)材料用于發(fā)電只能解燃眉之急，并不是使其得以有效利用并創(chuàng)造環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的根本解決之法。

2 生物質(zhì)灰—水泥基膠凝材料的研究現(xiàn)狀

目前，生物質(zhì)灰增強(qiáng)水泥基材料已成為全球性的研究熱點(diǎn)之一，各個(gè)國(guó)家都有學(xué)者結(jié)合所在區(qū)域生長(zhǎng)的生物質(zhì)灰開(kāi)展相關(guān)研究，研究工作主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 活化工藝對(duì)生物質(zhì)灰活性的影響

2.1.1 煅燒制度對(duì)生物質(zhì)灰中硅鋁相活性的影響。

Bahurudeen 和Santhanam[5]收集一些廢熱發(fā)電爐廢棄的甘蔗渣，將其在500～550℃下燃燒。這些樣品需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理，在600～900℃，增量為100℃下燃燒90min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣品在700～800℃的燃燒過(guò)程中，達(dá)到ASTM 定義火山灰的最低要求。并且樣品在煅燒到900℃時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的晶體化導(dǎo)致其火山灰活性指數(shù)最低。

2.1.2 粒度以及比表面積對(duì)水泥基材料的影響

2009 年，Rukzan[6]等人測(cè)試研磨對(duì)稻殼灰化學(xué)和物理性能的影響。為此，稻殼灰被磨碎直到75%、30%、15%和3%被保留在325 目篩上。作者的結(jié)論是，這些灰燼的化學(xué)成分沒(méi)有明顯的變化。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灰燼滿足ASTM 的火山灰活性系數(shù)要求，但最合適的是15%被保留的稻殼灰，與空白組的抗壓強(qiáng)度和孔隙率相當(dāng)。在3%保留灰分的情況下，強(qiáng)度和孔隙率比15%更合適，但利用的能源更高。

總體來(lái)說(shuō)，煅燒溫度在600℃時(shí)生物質(zhì)灰中殘?zhí)己可?，?duì)水泥基材料力學(xué)性能的副作用最小，且生物質(zhì)灰的粒度不易過(guò)少容易造成團(tuán)聚。

2.2 生物質(zhì)灰對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響

2014 年，陳超和黃快忠[7]試驗(yàn)了秸稈灰的摻加對(duì)混凝土性能的影響。秸稈灰在一定程度上能夠提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但對(duì)后期影響不大且摻量不宜過(guò)大，在10%以內(nèi)。不同種類的生物質(zhì)灰對(duì)水泥混凝土的影響體現(xiàn)在不同養(yǎng)護(hù)周期以及不同摻量，總體來(lái)說(shuō)生物質(zhì)灰的摻加能夠在一定程度上提高水泥基材料的力學(xué)性能。

2.3 生物質(zhì)灰對(duì)水泥基材料耐久性的影響

水泥在使用過(guò)程中也存在著損耗問(wèn)題，其中硫酸鹽侵蝕以及氯離子侵蝕就是影響水泥基材料結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要因素。

目前秸稈灰、稻殼灰等生物質(zhì)灰作為輔助膠凝材料對(duì)水泥基材料的性能在一定程度上都能起到增強(qiáng)作用，從而能夠部分取代水泥，減少水泥用量以及溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，降低成本。

雖然生物質(zhì)灰在建筑資源方面取得了不俗的研究進(jìn)展，但是由于生物質(zhì)灰種類繁多，品質(zhì)不一，仍然存在利用效率以及灰分的活性對(duì)水泥基材料造成的影響。

圖2 近年來(lái)各區(qū)域的玉米年產(chǎn)量（USDA，WASDE，2/9/2019）

大多數(shù)情況下，在發(fā)展中國(guó)家玉米秸稈被當(dāng)做廢物丟棄或者通過(guò)露天焚燒污染空氣，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和健康問(wèn)題[8]。

那么，對(duì)廢棄的秸稈進(jìn)行再處理將其制備成為具有活性的秸稈灰，使其成為綠色環(huán)保的建材資源應(yīng)用于建筑行業(yè)中，對(duì)于解決可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題具有至關(guān)重要的作用，從另一方面來(lái)說(shuō)，水泥是建筑行業(yè)最重要的材料之一，并且其生產(chǎn)需要大量的天然材料和能源，即生產(chǎn)1t 水泥需要消耗1.7t 的原材料[8]，違背可持續(xù)發(fā)展的理念，秸稈灰等生物質(zhì)灰具有火山灰活性、可循環(huán)利用的特點(diǎn)，因而可用其替換水泥制備綠色混凝土建材。

3 結(jié)論

雖然對(duì)生物質(zhì)—水泥基膠凝材料的研究已經(jīng)開(kāi)展大量的研究，但是對(duì)生物質(zhì)灰的處理方式、生物質(zhì)灰中硅鋁含量的調(diào)控、摻量以及微觀機(jī)理的研究較少。對(duì)生物質(zhì)灰的煅燒溫度、煅燒時(shí)間以及冷卻處理的方式不同會(huì)影響生物質(zhì)灰中氧化硅和氧化鋁含量和晶型，進(jìn)而影響生物質(zhì)灰的火山灰活性，但目前的研究中對(duì)于生物質(zhì)灰的煅燒和冷卻機(jī)制沒(méi)有系統(tǒng)的總結(jié)和規(guī)律性的研究，對(duì)不同生物質(zhì)灰的前期處理缺乏指導(dǎo)性的方法。由于前期的處理手段沒(méi)有最大限度激發(fā)生物質(zhì)灰的火山灰活性，導(dǎo)致生物質(zhì)灰在水泥中應(yīng)用時(shí)以微粉填充作用為主，較大摻量摻加時(shí)水泥性能有較明顯的減弱，因而在實(shí)際使用時(shí)摻量較小。目前廣泛研究生物質(zhì)灰水泥基復(fù)合材料的宏觀性能研究，隨著不同種類生物質(zhì)灰的應(yīng)用，由于灰分本身成分、結(jié)構(gòu)上的差異，使其在水泥基材料中的作用有所差異，而對(duì)于不同種類生物質(zhì)灰微觀機(jī)理上的不同還有待進(jìn)一步研究。