生物质灰与硅粉复掺在混凝土中的应用研究现状①

□□ 时廷俊，王正君，刘中坤，吴 昊

(黑龙江大学 水利电力学院 寒区水利工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

随着我国对混凝土功能特性的要求不断提高，高强度、高性能混凝土得到了快速发展，但在追求高强高性能的同时，低碳绿色混凝土也进行深入研究，用一些工业废渣取代部分水泥，因而绿色混凝土逐渐成为建筑材料领域的研究热点。生物质能作为一种高效的可再生能源，被广泛应用于发电及产热等方面。在《可再生能源法》制定后，我国的生物质发电行业开始了迅速发展。根据国家可再生能源中长期项目计划，生物质发电在2010年已达到5.5 GW，在2020年达到30 GW[1]。随着采用生物质能发电的电厂建立，产生的生物质灰却成了高排量废渣之一，每年的排渣量能达到上亿t。由于产生的废渣较多，许多生物质发电厂未能对其进行及时有效地处理，只进行了简单处理，如直接堆积、简单填埋、水处理等方式，严重破坏了周围的生态环境，同时，对人们的健康安全也有着一定的威胁，因此，以绿色低碳且更高效的方式处理生物质灰迫在眉睫。火山灰由于具有极高的活性，在建筑行业中被广泛作为混凝土的掺合料和水泥的混合材料，通过用火山灰部分替代水泥可以实现水泥和混凝土的可持续发展。一些研究发现，生物质灰具有火山灰的活性，可以替代部分P·O水泥，且是回收工农业废弃物的很好选择之一。这不仅减少了工农业生物质电厂灰堆积污染的问题，也减少了水泥的使用量，对环境的破坏降低。

硅粉是生产硅铁和硅金属的粉末状副产品。硅粉因其SiO2含量极高、纳米级的颗粒度及较高的火山灰活性对混凝土性能的提高有着显著的促进作用，如今已成为生产高性能混凝土的重要原材料，用于建造城市高层建筑和混凝土桥梁。本文对生物质灰和硅粉的理化性质、在混凝土中的研究现状进行分析，并对生物质灰和硅粉复掺代替部分水泥的可行性进行分析和展望。

1 生物质灰理化性质及作为混凝土掺合料的相关研究

1.1 生物质灰理化性质

生物质灰的化学成分主要由硅酸盐、钾盐、钙盐以及铝的化合物等组成，其中灰分中硅酸盐的含量最高，该硅酸盐中含有较多的无定形SiO2，并且对灰分的酸碱性测定显示均呈现出一定的碱性。然而生物质灰分中的颗粒粒径较大且大多呈不规则状，但通过机械粉磨处理后颗粒不规则状及粒径能得到大幅度下降，且球形颗粒增多，颗粒级配明显改善，具有一定的微集料效应。这不仅提高了灰分的火山灰活性，也达到了作为混凝土掺合料的性能指标。

1.2 生物质灰作为掺合料的相关研究

Biricik H等[2]对小麦秸秆进行特定温度下的预处理，测得小麦秸秆灰分中SiO2的含量达到了73%，且在670 ℃燃烧5 h下获得的火山灰性能最好，通过粉磨处理后使用小麦秸秆灰是最有效的方法。因此，从小麦秸秆中获得的灰分可以用作火山灰材料掺入到混凝土中，对混凝土性能起到了改善作用。

Ferreira E G A等[3]发现将甘蔗秸秆在400 ℃下预燃20 min，分别在600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃温度下搁置1 h，可以获得反应灰烬。而在90 d后对灰分进行断层摄影表征表明，在600 ℃处理后的甘蔗秸秆灰具有较小的孔隙率，此外样品中的孔隙率随着煅烧温度的升高而增加。试验结果表明，甘蔗秸秆灰中含有较高成分的无定形SiO2和巨大的比表面积，具有火山灰活性，且能替代20%的P·O水泥。

许鹏等[4]研究在低温和不同时间条件下直接燃烧获得的秸秆灰分，结果表明，温度的影响与秸秆灰的除杂效果呈正相关，在600 ℃和3 h燃烧条件下得到的灰分具有较好的火山灰活性，适合用作混凝土的掺合料。在此基础上又选用最佳的方式对玉米秸秆灰进行了特定预处理，试验结果发现，掺有高活性玉米秸秆灰的混凝土，抗压强度比对照组试件抗压强度明显提高。当玉米秸秆的灰分含量为10%、设计孔隙率为20%时，生物质灰分混凝土试件其抗压强度不仅明显提高，而且还具有更好的净水性能[5]。

针对提高生物质灰的火山灰活性，刘巧玲等[6]预先对油菜秸秆进行水洗，然后将其自然干燥，在这种处理方式下可以使SiO2的质量百分比增大60%以上，将水洗过的油菜秸秆在恒温500 ℃下燃烧5 h后，获得的灰分中SiO2潜在水硬性得到了最充分地活化。刘保华等[7]发现油菜秸秆灰的掺入能降低混凝土导热系数，对混凝土的保温性有着明显的改善作用，并且在合理的配合比下，油菜秸秆灰混凝土的抗压强度比普通混凝土要高出许多，其工作性能良好，在工程中可用作墙体保温材料。

王维红等[8]研究了稻壳灰对水泥胶砂及混凝土性能的影响，通过对稻壳灰粉机械研磨，发现随着研磨时间的增加其胶砂强度也在增加，但研磨时间>45 min后，稻壳灰胶砂强度却与研磨时长呈负相关性，由此可知，稻壳灰在研磨45 min时活性被完全激发，达到最佳的火山灰活性。将该条件处理后的稻壳灰掺入到水泥中，当含量为10%时，对水泥的凝结时间和需水量影响并不多大。而在稻壳灰替代部分水泥掺入混凝土时发现，混凝土早期龄期抗压强度随着稻壳灰掺量的增加而逐渐降低，混凝土养护到28 d和56 d时，混凝土抗压强度是先增加后降低，混凝土抗压强度最高时稻壳灰掺入量为20%。然而通过向粉煤灰基料中添加稻壳灰后，对制备的混凝土进行测试，发现稻壳灰的掺入明显降低了Cl-扩散系数和6 h的电通量，表明稻壳灰对于混凝土抗Cl-渗透性能起到显著改善作用。

蔡星等[9]以生物质灰渣作为原料，与石灰、水泥等按一定比例复掺制备加气混凝土，通过改变加气混凝土的钙硅比来研究在加入不同掺量生物质灰渣后加气混凝土砌块的相关性能，试验发现钙硅比为0.86时，生物质灰渣加气混凝土不仅强度达到了峰值，还具有良好的体积稳定性。

2 硅粉理化性质及作为混凝土掺合料的相关研究

2.1 硅粉理化性质

硅粉的颗粒非常细小，平均粒径仅为0.10～0.20 μm，具有远比粉煤灰、矿渣粉、水泥等粉体材料大得多的比表面积，用氮吸附法测得的BET比表面积达到15 000～22 000 m2/kg。由于无定形SiO2的大量存在、极细的颗粒粒径和巨大的比表面积使得硅粉具有很高的火山灰活性。而硅粉颗粒多为球形颗粒，颗粒之间能产生一定的滚珠效应，减少了固体颗粒间的内摩擦力，使得硅粉能与其他物料形成很好的填充密实效果，这不仅降低了混凝土孔隙率，还能减少混凝土使用过程中的离析、分层、沉降和泌水现象，从而改善混凝土的力学性能和工作性能。SiO2粉末易在水中形成-Si-OH基团，并具有很强的亲水性，其更快的火山灰反应速度在促进水泥熟料的水化反应中发挥着很大的作用，它还与水泥熟料矿物水化释放的游离体Ca(OH)2反应，生成稳定高强的低钙硅比的C-S-H凝胶。

2.2 硅粉作为掺合料的相关研究

硅粉因为具有较高的活性对混凝土性能有着显著的促进作用，在混凝土中的应用日益广泛和成熟。吴辉琴等[10]研究在外掺硅粉的条件下，对混凝土早龄期的抗压强度和弹性模量的影响，试验结果表明，加入硅粉可以改善混凝土内部的孔结构，降低骨料与水胶体之间的孔隙率，增加混凝土的密实度，从而有效地提高了混凝土的早期强度和弹性模量。

王维红等[11]通过向稻壳灰中添加矿物掺合料(硅粉、粉煤灰)复合取代水泥后发现，矿物掺合料的超叠加效应使得水化产物在微观结构上具有更加致密、空隙小、大晶体数量少的特点，从而显著提高了混凝土的抗压强度，并改善了其对Cl-渗透的能力。

张强[12]为改善油菜秸秆灰混凝土早期强度较低的缺点，选用火山灰活性高和填充效果好的硅粉，将油菜秸秆灰和硅粉进行双掺加入到混凝土中，对双掺混凝土的力学性能和工作性能进行测试发现，当加入的硅粉含量在10%时，混凝土的抗压强度可以提高24%。

黄金林等[13]将硅粉掺入透水混凝土中，硅粉的掺入量与透水混凝土抗压强度呈正相关，而随着硅粉掺量的增加混凝土的透水系数先增大后减小，当单掺硅粉的含量为6.0%时为最优。在复掺硅粉和聚丙烯纤维的透水混凝土中，复掺条件下的透水混凝土抗压强度和透水系数却与单掺硅粉条件下的抗压强度和透水性效果相当。

梁朝军[14]采用正交试验法研究了微硅粉和引气减水剂对C40混凝土性能的影响。试验结果发现，微硅粉的掺入量是影响混凝土抗Cl-渗透性和抗压强度的主要因素，当微硅粉掺量为8%时，混凝土性能增强效果最为明显，从而可以有效阻止Cl-在混凝土中的渗透，进一步阻止其与内部钢筋的反应，使混凝土的耐久性得到改善。

杨艳娟等[15]研究了双掺粉煤灰和硅粉对透水混凝土力学性能、有效孔隙率和透水性的影响。试验结果表明，双掺粉煤灰和硅粉能起到一定的叠加效应，粉煤灰和硅粉复掺后对混凝土性能均有明显改善，且当粉煤灰和硅粉的掺量分别为15%、10%时，制得的透水混凝土抗压强度和透水系数最佳。

3 结语

随着我国对于绿色环保和可持续发展的不断重视，低碳绿色混凝土在一定程度上取代传统混凝土成为未来的发展趋势。而科研人员对生物质灰研究的逐渐深入，其独特性能渐渐被发掘出来，使得生物质灰在建筑行业方面的应用研究越来越成熟。

生物质灰作为部分掺合料掺入到混凝土中，其某些良好的力学性能和工作性能能与普通混凝土相媲美，从而替代部分水泥，减少水泥的使用量，达到节能降耗的目的。而硅粉具有较高的火山灰活性效应和更适宜的颗粒级配，可以有效提升混凝土的力学性能，针对生物质灰混凝土早期强度较低、耐久性较差的缺点，将生物质灰和硅粉采用一定比例复掺到混凝土当中，两者之间互补，会很好地改进混凝土的性能。

由于影响混凝土性能的因素比较复杂，且不同生物质灰在不同处理条件下，其掺入混凝土中所测得的性能各异，很难确定某种生物质灰和硅粉复掺的最佳替代比例以提高混凝土的综合性能，因此，寻找最佳的替代比例将是未来研究的主要方向。