謝明軒

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(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構功能材料越發(fā)受到各行業(yè)的廣泛關注。ASTM 標準（美國材料實驗協(xié)會標準）及其他國家相關標準中均對非煤燃燒材料的使用提出了嚴格要求，采用農(nóng)業(yè)生物質（秸稈、木材等）配合粉煤灰制備建材已逐步成為研究熱點[1]。《京都議定書》中，明確提出針對六種溫室氣體進行削減，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，全球水泥預計產(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資源，全球每年約產(chǎn)生上千億噸生物質。將生物質與煤一同作為燃料燃燒是最經(jīng)濟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，所摻入的生物質基數(shù)也越高，通過規(guī)?；?，可以直觀展現(xiàn)可再生能源的優(yōu)勢，具有顯著的社會與經(jīng)濟效益。有研究表明[2-3]，含生物質燃燒灰砂漿制備的混凝土，其力學性能與普通混凝土相似。

通常，生物質燃燒灰中的鈉、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，對應燃燒灰的性質也因氣候、季節(jié)、儲存方式和地理來源等不同而有所差異。許多生物質燃燒灰具有與粉煤灰相似的火山灰性質，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)濟建設需要，同時，中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的數(shù)量龐大的生物質資源亟待利用[7]，因此，研究生物質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燃料灰和含生物質粉煤灰為摻合料制備混凝土，通過設置不同試驗組及制備不同的混凝土試樣，研究了不同生物質材料對混凝土需水量及力學性能的影響，評估了生物質摻雜替代部分水泥，用于制備混凝土的可行性。

2 試驗原料制備及分析

在混凝土中可利用的粉煤灰包括ASTM 等現(xiàn)行標準規(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]。

本試驗所用粉煤灰和生物質燃料灰包括：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，無法進行準確試驗，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。木材燃燒灰團聚嚴重，為了保證更好的混合效果，木材燃燒灰在進行試驗前，全部通過ASTM #10 篩子（篩孔0.2cm）。不同級別粉煤灰與生物質燃燒灰的化學成分存在差異，其元素分析及燒失量分析見表1。

表1 粉煤灰、生物質灰的元素分析及燒失量分析，%

本試驗所使用的硅酸鹽水泥I、II均符合ASTM C-150標準。粗骨料按ASTM C-33 99a進行篩分，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）。試驗所用其他材料為細骨料（砂）、水和空氣表面活性劑。試驗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）質量比為0.5，粉煤灰與水泥質量比為1∶3，細骨料的質量根據(jù)膠凝材料和水的質量進行調整，通過試驗，使混凝土坍落度和空氣含量處于合理范圍內。制備混凝土時，水泥和粉煤灰經(jīng)人工混合后，放入機械攪拌機中充分混合。木材燃燒灰不易與其他材料混合，需提前過篩并強化攪拌，以形成均勻的樣品。

3 結果與討論

3.1 不同生物質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、實現(xiàn)預期混凝土性能的必要條件，同時，生物質燃燒灰作為混凝土摻合料時，其火山灰性質也需要在水的作用下才能實現(xiàn)。混凝土需水量直觀體現(xiàn)了混凝土原料的粒度及孔隙情況。一方面，當混凝土原料粒度較細時，其具有較大的比表面積，會增加其表面吸水性。另一方面，粉煤灰或生物質灰作摻合料時，粉煤灰或生物質灰的細粒度可以填充水泥與粉煤灰或生物質灰的縫隙，進而減少混凝土需水量。因此，當試驗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，混凝土達到相似性能的需水量越大。試驗結果表明，采用生物質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（多孔和團聚形態(tài)）

3.2 不同生物質原料對混凝土抗壓強度的影響

對不同試樣制備的混凝土材料進行抗壓強度檢測，檢測方法如下：固化抗壓試驗待測樣品，測試試驗樣品混凝土1、3、7、28、56d抗壓強度。本次抗壓強度檢測設備采用136t級試驗機，試驗機平行檢測3 次，提供平均數(shù)據(jù)，確保試驗結果在合理的置信區(qū)間內。

圖3為不同試樣制備的混凝土抗壓強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抗壓強度最高，除木材燃燒灰外，其余生物質燃燒灰的28～56d 抗壓強度基本與純水泥相當，表明生物質燃燒灰對抗壓強度早期強度的促進作用不大，但對于晚期強度的補強發(fā)揮著重要作用。普通混凝土抗壓強度主要取決于水泥凝膠與骨料間的粘結力，生物質燃燒灰替代部分水泥制備混凝土試樣，其中的礦化物質起到了與常規(guī)原料類似的膠凝和水化作用。一般情況下，粗骨料的強度高于水泥強度和水泥與骨料間的粘結力，因此，粗骨料強度對混凝土強度不會有大的影響，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、有機質含量、硫化物及硫酸鹽含量等較高時，則會對混凝土強度產(chǎn)生不良影響。

圖3 不同試樣制備的混凝土抗壓強度隨時間的變化情況

木材燃燒灰與秸稈燃燒灰的抗壓強度結果表明：木材和秸稈等生物質燃燒產(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度，采用木材燃燒灰制備的混凝土試樣，抗壓強度略低，但能夠滿足混凝土抗壓強度要求。如前所述，木材燃燒灰混合物混凝土抗壓強度低是由于木材燃燒灰具有較大的粒徑，在形成穩(wěn)定力學結構上存在孔隙缺陷。

3.3 不同生物質原料對混凝土抗彎強度的影響

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

圖4顯示了固化56d不同試樣制備的混凝土材料的抗彎強度結果。在生物質燃燒灰中，除純木材燃燒灰外，其余試驗組的56d抗彎強度均與純水泥混合物混凝土數(shù)值相當?？箯潖姸仁腔炷列阅艿闹匾刂浦笜?，該數(shù)值是否滿足設計要求，將直接影響混凝土整體質量和使用壽命。生物質灰作為水泥替代原料制備混凝土試樣，其中的礦化物質起到了與常規(guī)原料類似的膠凝和水化作用，與純粉煤灰的生物質灰沒有顯著的差異。該試驗中的木材燃燒灰混合物混凝土的抗彎性能與其低抗壓強度一致，是由于大粒徑會影響其抗彎強度[11]。該試驗結果表明，生物質作為替代原料制備混凝土的抗彎強度可以滿足設計要求。

圖4 不同試樣制備的混凝土56d抗彎強度

4 結語

在本研究中，不同類型生物質燃燒灰被作為替代原料用于制備混凝土材料。生物質燃燒灰混凝土在抗壓強度和抗彎強度方面均達到了與正?；炷料嗨频牧W性能。在滿足試樣強度的前提下，采用生物質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）在抗壓強度方面，純水泥混合物混凝土的前7d 抗壓強度最高。除木材燃燒灰外，其余生物質燃燒灰混凝土的28～56d抗壓強度基本與純水泥混合物混凝土相當，表明生物質燃燒灰對混凝土早期強度的促進作用不大，但對于晚期強度的補強發(fā)揮著重要作用。

（3）在抗彎強度方面，除純木材燃燒灰外，其余試驗組粉煤灰的56d 抗彎強度均與純水泥組實驗數(shù)值相當。試驗結果表明，生物質作為替代原料制備混凝土的抗彎強度可以滿足設計要求。