生物质灰混凝土研究方法及现状分析

李嘉昊 王正君 贾明霖 尹博鑫

（黑龙江大学寒区水利工程重点实验室；黑龙江大学 水利电力学院）

0 引言

随着全球气候变暖，可持续发展变得原来越重要。我国作为农业大国，农作物资源丰富，但伴随着大量农作废弃物的产生。农业秸秆除少部分用于造纸、制砖等行业，大部分都是随地焚烧[1]，不但造成大量的资源浪费也给生态环境造成了严重的危害。

中国作为建筑大国，对于混凝土的需求量巨大，水泥作为重要原材料，用量随之攀升。而水泥行业是二氧化碳排放的重点行业，对环境造成了严重破坏。因此我们需要寻求更环保的建筑材料，其中就包括了生物质灰混凝土。生物质灰能够作为混凝土原料，是由于生物质秸秆灰在一定的燃烧时间、燃烧温度等条件下，灰基将产生一定量的活性物质。活性物质有利于水泥的水化反应，所以可以替代部分水泥作为混凝土的掺合料，减少水泥的用量同时也极大的利用了废弃秸秆。

1 秸秆灰的制备和处理

目前对于秸秆灰的制备是以燃烧热分解的方式，秸秆先在自然条件下进行预燃，预燃结束筛去未燃部分，再用马弗炉对秸秆粗灰进行煅烧，获得灰样后对灰样进行研磨筛分。

研究发现，不同作物的秸秆对煅烧温度和时间会有不同要求。如：麦秸适宜的燃烧条件是在570℃和670℃下持续燃烧5 小时，此时灰烬呈现白色，表示完全燃烧[2]；玉米秸秆在600℃下燃烧3 小时具有相对较高的活性，火山灰成分的含量达到ASTM 的C 级标准[3]；油菜秸秆在500℃恒温下燃烧5h 后，灰分中的无定形SiO2得到充分地活化[4]。具体秸秆灰的煅烧温度和时间可以通过分析不同条件下的灰基活性来确定。

煅烧后的秸秆灰，再经过机械研磨得到最终的灰样。研究发现：研磨过程可以有效地从生物质灰中得到硅酸盐；材料的细度决定着其火山灰活性，经过研磨的灰基具有更小的颗粒；研磨也可以帮助降低未完全燃烧碳对混凝土性能的影响。

2 生物质灰的理化分析

2.1 生物质灰的粒径测量与观察

生物质灰的颗粒大小在一定程度上决定着是否可以作为掺合料参与混凝土的制备。过大的粒径影响着灰分和水泥的拌合的同时，也对灰分的活性有所限制。所以对灰粒的研究也十分重要。

许鹏[5]利用激光粒度分析仪对小麦秸秆灰、高粱秸秆灰、水稻秸秆灰、大豆秸秆灰以及水泥作为对照组进行检测，检测结果见图1。由于秸秆灰未经处理，结果显示所有灰分的粒径都比水泥大。在力学性能检测中发现强度较普通混凝土都有所下降，所以可得到大粒径的灰分活性较低的结论。

图1 生物质灰颗粒分布图[5]

对生物质灰进行电子显微镜扫描检测时，发现小麦秸秆的灰分颗粒呈现不规则形，这种不规则的形状将会对混凝土的加工性造成影响[6]。在对生物质电厂灰的灰分观察中发现，秸秆灰颗粒也呈现不规则形态，并且众多颗粒呈多孔状（见图2）。在对混凝土进行拌合时，这些孔隙将会吸附大量的自由水，导致掺和料的流动性降低[7]，不利于施工的强度要求。研究发现对生物质灰进行煅烧研磨处理能很大程度地解决上述问题。

图2 秸秆灰微观形貌[7]

2.2 XRD 分析

XRD 法主要进行矿物成分的测定。

李烨等[8]对稻秸秆、麦秸秆、棉花秸秆的灰基通过X射线衍射发现，不同秸秆灰的晶相差别较大。例如在稻秸秆灰中晶相有石英、方石英、方解石，麦秸秆灰中晶相有石英、方石英、白云石。由此可知不同秸秆灰基中的活性物质含量有较大差别。

王淑娟等[7]对生物质发电厂秸秆灰进行了X 射线衍射检测，通过对XRD 图谱(见图3)的解析，可以确定：该生物质电厂灰的主要矿物成分是石英及其少部分长石，这里面存在着一定量的游离活性化合物即无定形SiO2，所以生物质电厂灰具备了相当好的活性，已经具备了成为火山灰质掺和材料的基础条件。

图3 秸秆灰XRD 图谱[7]

Muhammad Riaz Ahmad 等[6]在麦草粉煤灰混凝土的研究中，对研磨成粉的粉煤灰进行了XRD 分析（见图4），此前将9 份粉煤灰样品在500℃、600℃、700℃下燃烧1h、2h 和3h。利用软件对所有样品图谱的波峰进行识别，发现在任何情况下都有二氧化硅的存在，其中包含的无定形二氧化硅具有火山灰活性，并且在700℃下煅烧2 小时的样品的无定形二氧化硅含量比其他样品都要高。

图4 样品在500℃、600℃、700℃下燃烧1、2 和3 小时XRD 图[6]

2.3 XRF 分析

利用XRF 法对秸秆灰的化学组成及含量进行分析，可以粗略判断灰基中是否存在活性物质。姜荣辉[9]在对生物质电厂灰的研究中，采用XRF 法对灰基的化学组成进行了测定（见表1），结果显示该电厂灰SiO2和Al2O3占比达到52.81%，ASTM C-618 规定C 级火山灰要有50% 以上的SiO2和Al2O3含量，该生物质电厂灰的活性物质满足要求。

表1 生物质电厂灰化学组成[9]

单一的XRF 法仅能测得灰基的化学组成及含量，其活性只能通过生物质灰中的SiO2和Al2O3总量来判断，具有一定的局限性。为解决这个问题，可以同时进行XRD 分析和EDTA 容量法活性检测，计算出活性SiO2和活性Al2O3的含量[5]。具体方法如下：

⑴XRD 半宽法计算SiO2结晶度：

f——样本二氧化硅含量。

⑶EDTA 容量法测定非晶体Al2O3的溶出量及活性Al2O3含量。

许鹏[5]采用XRF 法检测了不同秸秆灰的化学组成和含量（见表2）。初步确定了高粱秸秆灰的有效成分达到73.94%，满足F 级的火山灰活性标准；小麦秸秆灰的有效物质含量达到52.40%，满足C 级火山灰成分标准。再利用XRD 分析法，对小麦、高粱、水稻、大豆秸秆灰进行晶体结构检测，结果表明燃烧后的主要成分是晶体，含有少量的无定形成分。为了准确计算活性成分含量，利用EDTA 容量法和活性二氧化硅计算公式分别计算了活性SiO2和活性Al2O3的含量，即活性物质含量=活性SiO2+活性Al2O3。结果显示高梁的活性物质大于小麦、水稻、大豆。

表2 样品化学成分[5]

3 秸秆灰混凝土性能检测

对于秸秆灰生物质混凝土，除要达到对资源的高度利用外，还要满足混凝土功能的要求。

大量文献表明，未经处理的秸秆灰作为掺合料时，混凝土的性能往往达不到规范要求[9]，而对秸秆灰进行煅烧、筛分、研磨处理后，混凝土的性能有明显的提升。例如小麦秸秆灰在700℃的温度下煅烧2 小时后抗压强度提升了7.5%满足强度要求。并且，秸秆灰的掺和量对混凝土的强度影响很大，过多的掺和量会导致强度的巨幅降低[11]。耐久性能方面，只考虑单一秸秆灰掺量对混凝土的抗冻性能影响时，掺和量没有决定性影响[12]。

4 总结

含有SiO2和Al2O3等活性物质的生物质灰，其活性物质会和水泥水化后产生的游离Ca(OH)2反应生成胶状物质[10]，原理上对混凝土的强度有帮助，但需要通过实验研究找出让混凝土强度有实质提高的具体条件。

目前的主要研究方向是寻找活性更强的秸秆灰种类以及替代水泥的比例，在未来可以在通过物理或化学手段提升灰分活性的方法上作进一步的研究。