秸秆灰基混凝土抗压强度及净水特性试验研究

许鹏 王正君 康浩

摘 要：本次试验研究不同掺量（0%、5%、10%、15%）的玉米秸秆灰对混凝土抗压强度和净水特性的影响。采用X射线衍射（XRD）检测玉米秸秆灰的微观结构，其化学组成由X射线荧光光谱法（XRF）确定。混凝土抗压强度采用标准方法检测，净水性能主要检测水体pH值、总固体溶解量（TDS）、总氮含量和化学需氧量（COD）几个指标。试验结果表明：把含70%以上火山灰成分的玉米秸秆灰掺入混凝土的试件，其抗压强度明显高于不掺的试件，玉米秸秆的最佳M掺量为10%。掺入秸秆灰的试件在净水试验中使试验水体pH值保持在7 ～ 10，有利于净水微生物生长净化水体。秸秆灰混凝土对污水中TDS和总氮含量有较好的去除效果。而试件在试验前期对污水中COD去除效果较差，但当试样表面形成生物薄膜后，净水效果显著增强。当设计孔隙率为20%、玉米秸秆灰掺量为10%时，生物质混凝土抗压强度更大，净水性能更加优异。

关键词：秸秆灰;生物质混凝土;抗压强度;净水特性;资源循环利用

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2019）01-0107-06

Abstract： The effect of corn straw ash with different content（0%， 5%， 10% and 15%） on compressive strength and water purification characteristics of concrete was studied. The microstructure of corn stalk ash was determined by X ray diffraction（XRD）. And the chemical composition was determined by X ray fluorescence（XRF）. Concrete compressive strength was measured using standard methods. The water purification performance mainly tested several indicators such as water pH value， total dissolved solids （TDS）， total nitrogen content and chemical oxygen demand （COD）. The results showed that： for corn stalk ash with more than 70% of pozzolanic activity content， the compressive strength of specimens mixed with concrete was significantly higher than that of unmixed specimens. And the optimal dosage of corn straw was 10%. The concrete mixed with straw ash in the water purification test to maintain the pH of the test water at 7 to 10， was conducive to the purification of water purification microorganisms. The concrete mixed with straw ash had a good removal effect on TDS and total nitrogen content in sewage. The COD removal efficiency in the sewage was poor in the early stage of the test. However， when the biofilm was formed on the surface of the sample， the water purification effect was significantly enhanced. When the design porosity was 20% and the corn straw ash content was 10%， the biomass concrete has greater compressive strength and better water purification performance.

Keywords： Straw ash; biomass concrete; compressive strength; water purification characteristics; resource recycling

0 引言

生態混凝土具有较高的透水和透气性能，而生物质混凝土也属于生态混凝土，因而生物质混凝土也具有该性能[1]。秸秆灰基生态混凝土的这些特性为其提供了许多应用可能，如透水路面、吸音材料、绝热材料、河道湖泊和水体净化材料[2-4]。

我国水污染的主要矛盾是排污量与水体承载能力严重不足，每年排放的COD和氨氮等为全球之最。据不完全统计，2015年中国的废水排放总量约为735.3亿t，生活污水约占总排放量的72.8%，其中COD、TDS和氨氮排放量为主要污染物[5]。虽然我国污染物减排效果显著，但我国废水排放总量较大，减排形式依然严峻，解决形式不容乐观。较有研究表明，大量使用生态透水混凝土改善水质，是十分可靠的措施[6]。生态混凝土通过其过滤作用使固液分离，从而使总磷、溶解磷和总氮含量降低[7-8]。因此，秸秆灰生态混凝土作为改善水体的措施之一，有着广泛的应用潜力。然而需要进一步深入研究是：以寻找净化水体最佳的方法，同时防止有害物质对水体的二次污染，并探究生物质混凝土与普通混凝土强度及耐久性的机理差异。本次试验以农业废弃物玉米秸秆灰作为掺合料，探究不同掺量（不掺、5%、10%、15%）制备的混凝土对抗压强度和污水净化特性的影响，进一步探索农业废弃物（如玉米秸秆等）在混凝土中的应用。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验使用哈尔滨一家工厂生产的硅酸盐水泥。表1列出了水泥 的基本技术指标。玉米秸秆灰是在实验室加工制取的。玉米秸秆是从哈尔滨周边农村购买的。外加剂使用HSC聚羧酸型减水剂。粗骨料为粒径为5 ～ 15 mm的碎石。细骨料为河沙，符合规范JGJ 52 - 2012。水为可饮用的自来水。

1.2 试验设计

1.2.1 设计配合比

本次试验选取固定孔隙率为20%，用5%、10%和15%的玉米秸秆灰基来代替水泥来制备混凝土，对照组的混凝土试样不掺加玉米秸秆灰基。根据相应规范，计算得到玉米秸秆灰混凝土配合比，见表2。

1.2.2 模拟生活污水

本次试验所用污水为实验室内模拟污水，参考相关文献[9-10]，设计的配合比见表3。将配置的生活污水在适宜的条件下，培养24 h后，再进行试验。

1.3 试验方法

1.3.1 制备秸秆灰

使用GLJZ-8-1800马弗炉将玉米秸秆样品加热至预定的温度并保持一定时间。为了制备玉米秸秆灰，在燃烧时使用带有两个丝网架的不锈钢笼来盛放玉米秸秆。在笼子下方放置一块污渍少的钢锅，以捕捉通过物品落下的灰烬。收集秸秆灰，再将收集到的秸秆灰放置在坩埚中，并于马沸炉中加热处理。样品处理条件为600 ℃和2 h。再将处理后的样品置于MITR小型搅拌球磨机中加工处理，以制取颗粒更加细小的玉米秸秆灰。

1.3.2 秸秆灰基检测方法

使用MS - 3000型激光衍射仪测定玉米秸秆灰基的粒径分布。玉米秸秆灰烧失量（LOI）通过测量单位重量干燥的生物质灰分在900 ℃加热3 h后的质量损失来确定。LOI计算为烧制期间质量损失的百分比。为了确定样品的结晶相，以2θ = 10° ～ 80°范围内的扫描角进行X射线衍射（XRD）分析。灰分的化学组成由X射线荧光检测器（XRF）检测。

1.3.3 混凝土抗压强度检测

因为秸秆灰基生物质混凝土尚无国家标准，故本次试验采用国家标准GB/T50081 - 2016所规定的检测方法[11]。因本次混凝土试样为多孔结构，所以本次试验主要检测混凝土的抗压强度，观察其能否满足工程实际需求，即抗压强度≥ 10 MPa[12]。同时试验不同掺量对混凝土抗压强度的影响。

1.3.4 混凝土净水性能检测方法

用pH酸度计测定水体的pH值。水体的化学需氧量采用6B - 500型COD分析仪进行检测。相关研究表明，使用具有测量总溶解固体功能的电导率计来检测水中溶解的总固体不仅简单、方便，而且适用于基层和实际项目中大批量样品的规模化检测[13]。在水体经过电导率仪检测到TDS含量后，与采用相关规范检测方法测量出的结果无显著性差异。因此，本次试验采用3175 - 307A型台式电导率仪，来直接检测水体总溶解固体（TDS）含量。根据国家标准（GB 11891 - 1989）规定，本次试验采用Kjeltec 2100 - Foss型凯氏定氮仪测试试验水中的总氮含量[14]。

1.3.5 室内净水试验方法

在室内污水净化试验中，将混凝土试样置于蒸馏水中24 h后，取出沥干;再将其放置在塑料容器中，容器盛满已经培养好的污水;之后，将容器置于震荡台上震动。试验條件：自然通风，自然光照，温度为20 ℃左右的室温。

2 试验结果与分析

2.1 秸秆灰基的特性

玉米秸秆灰的粒度分布。观察中灰样，发现经过球磨之后的秸秆灰中颗粒主要分布在1 ～ 100 μm之间。秸秆灰基可以作为超细粉体用在混凝土中，玉米秸秆灰样中的细小颗粒可能会加快水泥水合反应的速率。

相关研究表明[15-16]，秸秆灰基颗粒具有不同的形状和不规则的形态，并且颗粒有很大的差异，一些飞灰颗粒的纤维结构仍然存在，具有一定的微集料效应。而经过球磨后的飞灰颗粒几乎不存在纤维结构，且主要微观结构以球体形式存在。

玉米秸秆灰分的XRD图谱。石英、方解石、赤铁矿、钾盐和硬石膏是玉米秸秆灰基的主要成分，它具有一定的自由形态的无定形结构。秸秆灰样中Si、K、Cl、Fe和Ca等主要元素，以SiO2、KCl、Fe2O3和CaCO3等化合物形式存在，并且PDF卡中的标准峰值位置可以检测的图谱峰值很好地对应。

由XRF检测到的灰样化学成分见表4。经过观察可知，SiO2和Al2O3的总和大于70%，Na2O + 0.66K2O的含量远远高于0.6%。经检测飞灰中有机物含量的烧失量测试损失值为3.41%左右，低于6.0%。虽然Na2O + 0.66K2O的总量不满足ASTM - C 618的标准，但除此之外的其他条件都满足规定[17]。因此玉米秸秆灰基可以应用在掺合料中，部分替代水泥制备普通强度的混凝土或者高性能和超高性能混凝土。同时对灰样进行pH值检测，发现其pH值较高，约为12.21。这可能是灰样中含有较多的金属氧化物，较高的碱性会对混凝土的性能有所影响，是产生盐析现象的原因之一。

2.2 秸秆灰混凝土抗压强度分析

经加温和球磨处理后的秸秆灰以不同的掺量制备标准尺寸的混凝土，制备完成的试样放置养护28 d，之后检测试样的抗压强度。混凝土的抗压强度。掺加秸秆灰的试件抗压强度较对照组更为优异。本次试验选取的3种掺量（5%、10%、15%）最适宜的掺量为10%，此时混凝土的抗压强度最大。依据相关规范，河道护坡、城市景观基础等工程要求混凝土抗压强度≥ 10 MPa[12]，本次试验制取的试样均满足要求。因此，秸秆灰制备的混凝土可以应用于河道护坡、城市景观基础以及湖泊湿地等工程中。

2.3 秸秆灰基混凝土净水性能分析

2.3.1 秸稈灰混凝土对水体pH值的影响

在水体净化过程中，净水秸秆灰混凝土不同掺量以及浸泡时间的不同，影响水体酸碱度的变化情况，观察到，在整个测试期间，测试水体的pH通常先增加然后减小，随着时间的推移，水体的pH逐渐趋于酸碱平衡。水体pH值在试验前期增大的原因是：玉米秸秆灰基制备的混凝土有较高的碱性，在浸泡试验过程中，混凝土存在碱性物质释放的过程。水体pH值下降的原因是：水泥与秸秆灰中的Ca（OH）2与空气中的CO2发生反应，降低水体碱性，使试验水体趋于酸碱平衡。因此，在工程应用中，应先对混凝土进行冲洗浸泡等处理措施，减少混凝土对水体酸碱度的影响。整个试验过程中，所有试样的pH值均没有超过10，且没有低于7，不会对水生物造成影响，也不会危害净水微生物的生长。

2.3.2 秸秆灰混凝土对水体TDS的影响

试验水体总溶解固体（TDS）含量受混凝土中不同掺量的秸秆灰以及浸泡时间的影响。试验水体中溶解固体总量呈现先增后减的趋势，特别的是在试验早期到中期，水体中的TDS含量持续升高。分析原因为：在试验的前中期，水体溶解污染物的速率较大，因此TDS增长速度较快。浸泡一定时间后，总溶解固体含量降低，这意味着混凝土逐渐吸附水中污染物，与污染物中离子发生反应。观察发现对照组水体TDS变化不明显;在试验的最后阶段，10%掺量的试验组TDS含量显著减少，表明其优异的离子吸附性能和去除效率。

2.3.3 秸秆灰混凝土对水体总氮的影响

试验水体氨氮含量受浸泡时长、秸秆灰掺量的影响。对比发现，5%和10%掺量的试验组去除总氮效果显著，而其他两组去除总氮效果较弱。由于玉米秸秆灰中较高的碱性物质含量，加快了与水体中氮离子反应速率，促进了微生物生长，因而较高的秸秆灰基掺量可能导致水体氮含量升高。当有适当掺量的生物质混凝土形成薄膜以及试样大孔隙结构，这都促使生物质混凝土吸附水体中的氮元素，加强其净化水体的能力。

2.3.4 秸秆灰混凝土对COD的影响

混凝土试样的不同掺量对水体COD的影响和净化时间之间的关系。掺量为10%的试验组去污效果相对较好，而所有试验组试验前中期均无明显的规律。这是由于玉米秸秆灰混凝土成分复杂，含有较高的活性物质，致使试验前中期有机物含量变化剧烈。当试验进行到后期时，混凝土试样形成的吸附膜开始降解有机物，因此水体COD含量下降至一定程度。

3 结论

（1）玉米秸秆灰中含有70%的火山灰活性成分，且烧失量和其他杂质含量较低符合相关规范要求，是一种较为优良的混凝土掺合料;

（2）本次试验秸秆灰基最佳掺量为10%，制备的试件抗压强度有明显的提升。此时，试件在降低COD影响和总氮含量、吸附溶解性固体、稳定水体pH值等方面效果显著。在河道护坡、池塘护壁等工程中有着广泛的应用潜力。

参 考 文 献

[1]CHANDRAPPA A K， BILIGIRI K P. Pervious concrete as a sustainable pavement material-research findings and future prospects： a state-of-the-art review[J].Construction and Building Materials， 2016（111）：262-274.

[2]LUO X， XU J Y， BAI E， et al. Mechanical properties of ceramics - cement based porous material under impact loading[J]. Materials & Design， 2014 （55）：778-784.

[3]JANG J G， AHN Y B， SOURI H， et al. A novel eco-friendly porous concrete fabricated with coal ash and geopolymeric binder： heavy metal leaching characteristics and compressive strength[J]. Construction and Building Materials， 2015（79）： 173-181.

[4]KIM G M， JANG J G， NAEEM F， et al. Heavy metal leaching， CO2 uptake andmechanical characteristics of carbonated porous concrete with alkali-activatedslag and bottom ash[J]. Construction and Building Materials，2015， 9（3）： 283-294.

[5]中华人民共和国国家统计局.中国环境统计年鉴2016[M]. 中国统计出版社， 2016.

National Bureau of Statistics of the People's Republic of China. China Environmental Statistics Yearbook 2016[M]. Beijing： China Statistics Press， 2016.

[6]PARK S B， TIA M. An experimental study on the water-purification properties of porous concrete[J]. Cement and Concrete Research，2004，34（2）：177-184.

[7]LUCK J D， WORKMAN S R， COYNE M S， et al. Solid material retention and nutrient reduction properties of pervious concrete mixtures[J]. Biosystems Engineering，2008，100（3）：401-408.

[8]TAGHIZADEH M M， TORABIAN A， BORGHEI M， et al. Feasibility study of water purification using vertical porous concrete filter[J]. International Journal of Environmental Science and Technology， 2007， 4（4）： 505-512.

[9]KIM G M， JANG J， KHALID H R， et al. Water purification characteristics of pervious concrete fabricated with CSA cement and bottom ash aggregates[J]. Construction and Building Materials， 2017（136）： 1-8.

[10]PARK S， LEE B J， LEE J， et al. A study on the seawater purification characteristics of water-permeable concrete using recycled aggregate[J]. Resources Conservation and Recycling， 2010， 54（10）： 65-665.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土抗压强度试验方法标准 GB/T50081-2016 [S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2016.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People's Republic of China. Standard test method for compressive strength of ordinary concrete GB/T50081-2016[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2016.

[12]CARRERA J， VICENT T， LAFUENTE F J. Effect of influent COD/N ratio on biological nitrogen removal（BNR） from high-strength ammonia industrial waste water[J]. Process Biochemi-stry，2004，39（12）：2035-2041.

[13]洪祥奇.电导率仪测定生活饮用水中溶解性总固体方法的研究[J].现代预HONG X Q. Study on detecting total dissolved solids in drinking water with conductivity meter[J]. Modern Preventive Medicine，2007（18）：3539-3540.

[14]国家环境保护局. 水质、凯氏氮的测定 GB 11891-1989 [S]. 北京：中国标准出版社， 1989.

National Environmental Protection Agency. Determination of water quality and kjeldahl nitrogen GB 11891-1989[S]. Beijing： China Standard Press， 1989.

[15]刘勇.生物质灰对水泥基复合凝胶材料水化硬化性能的影响研究[D]. 济南： 山东农业大学，2017.

LIU Y. Influence of the biomass ash during the hydration and hardening process of complex binders[D]. Jinan： Shandong Agricultural University， 2017.

[16]劉勇，冯竟竟，于雷，等.生物质灰对水泥硬化浆体抗压强度影响的试验研究[J].硅酸盐通报，2017，36（5）：1718-1722.

LIU Y， FENG J J， YU L， et al. Experimental study on influence of biomass ash on compressive strength of hardened cement paste[J]. Silicate Notifications， 2017， 36（5）： 1718-1722.

[17]ASTM.ASTM-C 618： standard specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete[S]. 2012.