生物质灰—水泥基胶凝材料性能研究进展

赵耀

（济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室，山东济南 250022）

1 研究背景

随着各国逐步进入城市化和工业化的时代，水泥产业成为世界上最大的产业之一。2015 年，水泥的产量第一次超过了40 亿t。中国水泥的年产量为24 亿t，占世界总产量的57.3%，是世界上生产水泥最多的国家，紧随其后的是印度，其水泥年产量占据世界总产量的6.6%，位居第三的是美国，水泥产量占全球总产量的2.0%[1]。水泥作为国民经济建设的重要基础原材料，目前国内外无替代品，虽然随着工艺设备的进步，环境污染大大改善但是资源消耗依旧很高。

图1 2015 年世界水泥产量（USGS, 1993—2016）

近年来，对于缓解温室效应，减小环境压力的追求促使水泥工业寻找可以作为水泥替代品的“废物”材料。大多数情况下，这些材料都是通过自然或者人工方式获得的，比如农产品、工业副产品等[2]。如今应用比较广泛的是粉煤灰、硅灰、矿渣等废弃材料以及秸秆灰、稻壳灰等生物质灰作为辅助性胶凝材料来替代水泥[3]。然而，生物质的燃烧是一个巨大的环境问题，导致空气质量恶化，雾霾状况和对人类健康的严重影响[4]，并且生物质材料用于生物质电厂发电的效率以及利用率低，因而生物质材料用于发电只能解燃眉之急，并不是使其得以有效利用并创造环境经济效益的根本解决之法。

2 生物质灰—水泥基胶凝材料的研究现状

目前，生物质灰增强水泥基材料已成为全球性的研究热点之一，各个国家都有学者结合所在区域生长的生物质灰开展相关研究，研究工作主要围绕以下几个方面进行。

2.1 活化工艺对生物质灰活性的影响

2.1.1 煅烧制度对生物质灰中硅铝相活性的影响。

Bahurudeen 和Santhanam[5]收集一些废热发电炉废弃的甘蔗渣，将其在500～550℃下燃烧。这些样品需要经过进一步的处理，在600～900℃，增量为100℃下燃烧90min。实验结果表明，样品在700～800℃的燃烧过程中，达到ASTM 定义火山灰的最低要求。并且样品在煅烧到900℃时，由于结构的晶体化导致其火山灰活性指数最低。

2.1.2 粒度以及比表面积对水泥基材料的影响

2009 年，Rukzan[6]等人测试研磨对稻壳灰化学和物理性能的影响。为此，稻壳灰被磨碎直到75%、30%、15%和3%被保留在325 目筛上。作者的结论是，这些灰烬的化学成分没有明显的变化。此外，实验发现灰烬满足ASTM 的火山灰活性系数要求，但最合适的是15%被保留的稻壳灰，与空白组的抗压强度和孔隙率相当。在3%保留灰分的情况下，强度和孔隙率比15%更合适，但利用的能源更高。

总体来说，煅烧温度在600℃时生物质灰中残碳含量少，对水泥基材料力学性能的副作用最小，且生物质灰的粒度不易过少容易造成团聚。

2.2 生物质灰对水泥基材料力学性能的影响

2014 年，陈超和黄快忠[7]试验了秸秆灰的掺加对混凝土性能的影响。秸秆灰在一定程度上能够提高混凝土的早期抗压强度，但对后期影响不大且掺量不宜过大，在10%以内。不同种类的生物质灰对水泥混凝土的影响体现在不同养护周期以及不同掺量，总体来说生物质灰的掺加能够在一定程度上提高水泥基材料的力学性能。

2.3 生物质灰对水泥基材料耐久性的影响

水泥在使用过程中也存在着损耗问题，其中硫酸盐侵蚀以及氯离子侵蚀就是影响水泥基材料结构耐久性的一个重要因素。

目前秸秆灰、稻壳灰等生物质灰作为辅助胶凝材料对水泥基材料的性能在一定程度上都能起到增强作用，从而能够部分取代水泥，减少水泥用量以及温室气体的排放，实现资源的再利用，降低成本。

虽然生物质灰在建筑资源方面取得了不俗的研究进展，但是由于生物质灰种类繁多，品质不一，仍然存在利用效率以及灰分的活性对水泥基材料造成的影响。

图2 近年来各区域的玉米年产量（USDA，WASDE，2/9/2019）

大多数情况下，在发展中国家玉米秸秆被当做废物丢弃或者通过露天焚烧污染空气，造成严重的经济和健康问题[8]。

那么，对废弃的秸秆进行再处理将其制备成为具有活性的秸秆灰，使其成为绿色环保的建材资源应用于建筑行业中，对于解决可持续发展问题具有至关重要的作用，从另一方面来说，水泥是建筑行业最重要的材料之一，并且其生产需要大量的天然材料和能源，即生产1t 水泥需要消耗1.7t 的原材料[8]，违背可持续发展的理念，秸秆灰等生物质灰具有火山灰活性、可循环利用的特点，因而可用其替换水泥制备绿色混凝土建材。

3 结论

虽然对生物质—水泥基胶凝材料的研究已经开展大量的研究，但是对生物质灰的处理方式、生物质灰中硅铝含量的调控、掺量以及微观机理的研究较少。对生物质灰的煅烧温度、煅烧时间以及冷却处理的方式不同会影响生物质灰中氧化硅和氧化铝含量和晶型，进而影响生物质灰的火山灰活性，但目前的研究中对于生物质灰的煅烧和冷却机制没有系统的总结和规律性的研究，对不同生物质灰的前期处理缺乏指导性的方法。由于前期的处理手段没有最大限度激发生物质灰的火山灰活性，导致生物质灰在水泥中应用时以微粉填充作用为主，较大掺量掺加时水泥性能有较明显的减弱，因而在实际使用时掺量较小。目前广泛研究生物质灰水泥基复合材料的宏观性能研究，随着不同种类生物质灰的应用，由于灰分本身成分、结构上的差异，使其在水泥基材料中的作用有所差异，而对于不同种类生物质灰微观机理上的不同还有待进一步研究。