謝明軒

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境問題愈發(fā)凸顯，環(huán)境友好型原料制備結(jié)構(gòu)功能材料越發(fā)受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注。ASTM 標(biāo)準(zhǔn)（美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）及其他國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均對非煤燃燒材料的使用提出了嚴(yán)格要求，采用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)（秸稈、木材等）配合粉煤灰制備建材已逐步成為研究熱點(diǎn)[1]。《京都議定書》中，明確提出針對六種溫室氣體進(jìn)行削減，包括：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）。水泥行業(yè)是全球二氧化碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，世界各國鼓勵水泥行業(yè)在生產(chǎn)過程中減少二氧化碳的排放。中國混凝土與水泥制品協(xié)會在《低碳環(huán)保要求下的水泥混凝土創(chuàng)新》中估算，到2050 年，全球水泥預(yù)計(jì)產(chǎn)量增加2.5 倍，意味著全球人為二氧化碳排放量將會持續(xù)增加。采用生物質(zhì)作為原料替代部分水泥用于混凝土生產(chǎn)，是降低水泥消耗、減少二氧化碳排放的一種解決方案。

生物質(zhì)的來源主要包括森林殘留物、農(nóng)業(yè)殘留物和其他生物質(zhì)資源，全球每年約產(chǎn)生上千億噸生物質(zhì)。將生物質(zhì)與煤一同作為燃料燃燒是最經(jīng)濟(jì)有效的可再生能源生產(chǎn)方式之一。通常在傳統(tǒng)的大型燃煤鍋爐中，生物質(zhì)的添加量＜10%。燃煤鍋爐中，使用的煤炭總量越高，所摻入的生物質(zhì)基數(shù)也越高，通過規(guī)?；茫梢灾庇^展現(xiàn)可再生能源的優(yōu)勢，具有顯著的社會與經(jīng)濟(jì)效益。有研究表明[2-3]，含生物質(zhì)燃燒灰砂漿制備的混凝土，其力學(xué)性能與普通混凝土相似。

通常，生物質(zhì)燃燒灰中的鈉、鉀含量高于粉煤灰，氧化鋁含量少于粉煤灰[4]，無機(jī)材料的成分和含量的變化波動大于粉煤灰。即使是相同類型的生物質(zhì)，對應(yīng)燃燒灰的性質(zhì)也因氣候、季節(jié)、儲存方式和地理來源等不同而有所差異。許多生物質(zhì)燃燒灰具有與粉煤灰相似的火山灰性質(zhì)，如稻殼、木材、麥秸稈、甘蔗秸稈等的燃燒灰，在作為礦物添加劑加入到混凝土材料中時，可提高混凝土的性能[5-6]。

中國作為建筑大國，需大量混凝土建材滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，同時，中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的數(shù)量龐大的生物質(zhì)資源亟待利用[7]，因此，研究生物質(zhì)原料替代部分水泥制備混凝土顯得尤為重要。本文以不同類型生物質(zhì)燃料灰和含生物質(zhì)粉煤灰為摻合料制備混凝土，通過設(shè)置不同試驗(yàn)組及制備不同的混凝土試樣，研究了不同生物質(zhì)材料對混凝土需水量及力學(xué)性能的影響，評估了生物質(zhì)摻雜替代部分水泥，用于制備混凝土的可行性。

2 試驗(yàn)原料制備及分析

在混凝土中可利用的粉煤灰包括ASTM 等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的C 級粉煤灰和F 級粉煤灰。該分類依據(jù)于粉煤灰中所含二氧化硅+氧化鋁+三氧化二鐵的總量。粉煤灰的組成與燃料灰有較大差異，這主要是由于SO3的存在[8]。

本試驗(yàn)所用粉煤灰和生物質(zhì)燃料灰包括：C類粉煤灰、F 類粉煤灰、秸稈燃燒灰和木材燃燒灰。由于木材灰分低且在煤中的摻加量占比少，無法進(jìn)行準(zhǔn)確試驗(yàn)，采用燃煤電廠的20%（wt）木材燃燒灰與80wt%C 級或80wt%F 級粉煤灰混合，并分別命名為木材燃燒灰1和木材燃燒灰2。木材燃燒灰團(tuán)聚嚴(yán)重，為了保證更好的混合效果，木材燃燒灰在進(jìn)行試驗(yàn)前，全部通過ASTM #10 篩子（篩孔0.2cm）。不同級別粉煤灰與生物質(zhì)燃燒灰的化學(xué)成分存在差異，其元素分析及燒失量分析見表1。

表1 粉煤灰、生物質(zhì)灰的元素分析及燒失量分析，%

本試驗(yàn)所使用的硅酸鹽水泥I、II均符合ASTM C-150標(biāo)準(zhǔn)。粗骨料按ASTM C-33 99a進(jìn)行篩分，重量百分比分別為45%（1.27～2.54cm）、45%（0.95～1.27cm）、9.5%（0.48～0.95cm）和0.5%（0.24～0.48cm）。試驗(yàn)所用其他材料為細(xì)骨料（砂）、水和空氣表面活性劑。試驗(yàn)材料制備混凝土摻混比例如下：水與總膠凝材料（水泥+粉煤灰）質(zhì)量比為0.5，粉煤灰與水泥質(zhì)量比為1∶3，細(xì)骨料的質(zhì)量根據(jù)膠凝材料和水的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，通過試驗(yàn)，使混凝土坍落度和空氣含量處于合理范圍內(nèi)。制備混凝土?xí)r，水泥和粉煤灰經(jīng)人工混合后，放入機(jī)械攪拌機(jī)中充分混合。木材燃燒灰不易與其他材料混合，需提前過篩并強(qiáng)化攪拌，以形成均勻的樣品。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同生物質(zhì)原料對混凝土需水量的影響

混凝土主要由普通硅酸鹽水泥、砂子、碎石（≤10mm）、外加劑、摻合料和水等組成。水是混凝土中必不可少的組成部分，適量的水是混凝土完成水化反應(yīng)、實(shí)現(xiàn)預(yù)期混凝土性能的必要條件，同時，生物質(zhì)燃燒灰作為混凝土摻合料時，其火山灰性質(zhì)也需要在水的作用下才能實(shí)現(xiàn)?；炷列杷恐庇^體現(xiàn)了混凝土原料的粒度及孔隙情況。一方面，當(dāng)混凝土原料粒度較細(xì)時，其具有較大的比表面積，會增加其表面吸水性。另一方面，粉煤灰或生物質(zhì)灰作摻合料時，粉煤灰或生物質(zhì)灰的細(xì)粒度可以填充水泥與粉煤灰或生物質(zhì)灰的縫隙，進(jìn)而減少混凝土需水量。因此，當(dāng)試驗(yàn)組混凝土的需水量與空白對照組混凝土的需水量相似時，表明試驗(yàn)組混凝土的粒度與孔隙情況較為符合理想狀態(tài)。

圖1為不同原料試樣制備混凝土的需水量平均值。除木材燃燒灰外，其他試樣混合物混凝土的需水量與純水泥混合物混凝土相似或更低。木材燃燒灰具有不規(guī)則的顆粒形狀、高孔隙度（圖2）和較高的燒失量（表1），因此，所制備的混凝土需水量較高。高溫處理后的粉煤灰產(chǎn)生的孔隙少的球形顆粒具有填充作用，增加了混凝土的流動性，減少了混凝土的需水量，導(dǎo)致粉煤灰混凝土的需水量普遍較低。粉煤灰替代水泥的比例越高，混凝土達(dá)到相似性能的需水量越大。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用生物質(zhì)灰摻配粉煤灰制備混凝土的需水量與普通混凝土需水量相似，生物質(zhì)摻雜用于制備混凝土在粒度與孔隙方面具有可替代性。

圖1 不同原料試樣制備混凝土的需水量平均值

圖2 木材燃燒灰的掃描電鏡圖SEM（多孔和團(tuán)聚形態(tài)）

3.2 不同生物質(zhì)原料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

對不同試樣制備的混凝土材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，檢測方法如下：固化抗壓試驗(yàn)待測樣品，測試試驗(yàn)樣品混凝土1、3、7、28、56d抗壓強(qiáng)度。本次抗壓強(qiáng)度檢測設(shè)備采用136t級試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)平行檢測3 次，提供平均數(shù)據(jù)，確保試驗(yàn)結(jié)果在合理的置信區(qū)間內(nèi)。

圖3為不同試樣制備的混凝土抗壓強(qiáng)度隨時間的變化情況。由圖3可以看出，純水泥混合物混凝土前7d抗壓強(qiáng)度最高，除木材燃燒灰外，其余生物質(zhì)燃燒灰的28～56d 抗壓強(qiáng)度基本與純水泥相當(dāng)，表明生物質(zhì)燃燒灰對抗壓強(qiáng)度早期強(qiáng)度的促進(jìn)作用不大，但對于晚期強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)發(fā)揮著重要作用。普通混凝土抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥凝膠與骨料間的粘結(jié)力，生物質(zhì)燃燒灰替代部分水泥制備混凝土試樣，其中的礦化物質(zhì)起到了與常規(guī)原料類似的膠凝和水化作用。一般情況下，粗骨料的強(qiáng)度高于水泥強(qiáng)度和水泥與骨料間的粘結(jié)力，因此，粗骨料強(qiáng)度對混凝土強(qiáng)度不會有大的影響，但如果粗骨料中含有大量的軟弱顆粒、針片狀顆粒以及粗骨料中泥塊含量、有機(jī)質(zhì)含量、硫化物及硫酸鹽含量等較高時，則會對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響。

圖3 不同試樣制備的混凝土抗壓強(qiáng)度隨時間的變化情況

木材燃燒灰與秸稈燃燒灰的抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明：木材和秸稈等生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的燃燒灰具有火山灰特性，這與稻殼、麥秸稈和甘蔗秸稈灰分的研究一致[10]；木材和秸稈燃燒灰不同程度地影響混凝土材料抗壓強(qiáng)度，采用木材燃燒灰制備的混凝土試樣，抗壓強(qiáng)度略低，但能夠滿足混凝土抗壓強(qiáng)度要求。如前所述，木材燃燒灰混合物混凝土抗壓強(qiáng)度低是由于木材燃燒灰具有較大的粒徑，在形成穩(wěn)定力學(xué)結(jié)構(gòu)上存在孔隙缺陷。

3.3 不同生物質(zhì)原料對混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

對不同試樣制備的混凝土材料進(jìn)行抗彎強(qiáng)度檢測，檢測方法如下：固化彎曲試驗(yàn)待測樣品，固化時間為56d，其他試驗(yàn)條件與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)條件一致。采用136t級試驗(yàn)機(jī)提供分析檢測數(shù)據(jù)，確保試驗(yàn)結(jié)果在合理的置信區(qū)間內(nèi)。

圖4顯示了固化56d不同試樣制備的混凝土材料的抗彎強(qiáng)度結(jié)果。在生物質(zhì)燃燒灰中，除純木材燃燒灰外，其余試驗(yàn)組的56d抗彎強(qiáng)度均與純水泥混合物混凝土數(shù)值相當(dāng)?？箯潖?qiáng)度是混凝土性能的重要控制指標(biāo)，該數(shù)值是否滿足設(shè)計(jì)要求，將直接影響混凝土整體質(zhì)量和使用壽命。生物質(zhì)灰作為水泥替代原料制備混凝土試樣，其中的礦化物質(zhì)起到了與常規(guī)原料類似的膠凝和水化作用，與純粉煤灰的生物質(zhì)灰沒有顯著的差異。該試驗(yàn)中的木材燃燒灰混合物混凝土的抗彎性能與其低抗壓強(qiáng)度一致，是由于大粒徑會影響其抗彎強(qiáng)度[11]。該試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)作為替代原料制備混凝土的抗彎強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 不同試樣制備的混凝土56d抗彎強(qiáng)度

4 結(jié)語

在本研究中，不同類型生物質(zhì)燃燒灰被作為替代原料用于制備混凝土材料。生物質(zhì)燃燒灰混凝土在抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度方面均達(dá)到了與正常混凝土相似的力學(xué)性能。在滿足試樣強(qiáng)度的前提下，采用生物質(zhì)燃燒灰制備的混凝土可以很好地減少水泥消耗，從而減少二氧化碳排放。

（1）生物質(zhì)燃燒灰制備混凝土的需水量略高于傳統(tǒng)的粉煤灰制備的混凝土，木材燃燒灰摻配粉煤灰的需水量略高于純水泥制品。

（2）在抗壓強(qiáng)度方面，純水泥混合物混凝土的前7d 抗壓強(qiáng)度最高。除木材燃燒灰外，其余生物質(zhì)燃燒灰混凝土的28～56d抗壓強(qiáng)度基本與純水泥混合物混凝土相當(dāng)，表明生物質(zhì)燃燒灰對混凝土早期強(qiáng)度的促進(jìn)作用不大，但對于晚期強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)發(fā)揮著重要作用。

（3）在抗彎強(qiáng)度方面，除純木材燃燒灰外，其余試驗(yàn)組粉煤灰的56d 抗彎強(qiáng)度均與純水泥組實(shí)驗(yàn)數(shù)值相當(dāng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)作為替代原料制備混凝土的抗彎強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求。