秸稈灰基混凝土抗壓強(qiáng)度及凈水特性試驗(yàn)研究

許鵬 王正君 康浩

摘 要：本次試驗(yàn)研究不同摻量（0%、5%、10%、15%）的玉米秸稈灰對混凝土抗壓強(qiáng)度和凈水特性的影響。采用X射線衍射（XRD）檢測玉米秸稈灰的微觀結(jié)構(gòu)，其化學(xué)組成由X射線熒光光譜法（XRF）確定?；炷量箟簭?qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)方法檢測，凈水性能主要檢測水體pH值、總固體溶解量（TDS）、總氮含量和化學(xué)需氧量（COD）幾個(gè)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：把含70%以上火山灰成分的玉米秸稈灰摻入混凝土的試件，其抗壓強(qiáng)度明顯高于不摻的試件，玉米秸稈的最佳M摻量為10%。摻入秸稈灰的試件在凈水試驗(yàn)中使試驗(yàn)水體pH值保持在7 ～ 10，有利于凈水微生物生長凈化水體。秸稈灰混凝土對污水中TDS和總氮含量有較好的去除效果。而試件在試驗(yàn)前期對污水中COD去除效果較差，但當(dāng)試樣表面形成生物薄膜后，凈水效果顯著增強(qiáng)。當(dāng)設(shè)計(jì)孔隙率為20%、玉米秸稈灰摻量為10%時(shí)，生物質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度更大，凈水性能更加優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：秸稈灰;生物質(zhì)混凝土;抗壓強(qiáng)度;凈水特性;資源循環(huán)利用

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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(tài)混凝土具有較高的透水和透氣性能，而生物質(zhì)混凝土也屬于生態(tài)混凝土，因而生物質(zhì)混凝土也具有該性能[1]。秸稈灰基生態(tài)混凝土的這些特性為其提供了許多應(yīng)用可能，如透水路面、吸音材料、絕熱材料、河道湖泊和水體凈化材料[2-4]。

我國水污染的主要矛盾是排污量與水體承載能力嚴(yán)重不足，每年排放的COD和氨氮等為全球之最。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2015年中國的廢水排放總量約為735.3億t，生活污水約占總排放量的72.8%，其中COD、TDS和氨氮排放量為主要污染物[5]。雖然我國污染物減排效果顯著，但我國廢水排放總量較大，減排形式依然嚴(yán)峻，解決形式不容樂觀。較有研究表明，大量使用生態(tài)透水混凝土改善水質(zhì)，是十分可靠的措施[6]。生態(tài)混凝土通過其過濾作用使固液分離，從而使總磷、溶解磷和總氮含量降低[7-8]。因此，秸稈灰生態(tài)混凝土作為改善水體的措施之一，有著廣泛的應(yīng)用潛力。然而需要進(jìn)一步深入研究是：以尋找凈化水體最佳的方法，同時(shí)防止有害物質(zhì)對水體的二次污染，并探究生物質(zhì)混凝土與普通混凝土強(qiáng)度及耐久性的機(jī)理差異。本次試驗(yàn)以農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈灰作為摻合料，探究不同摻量（不摻、5%、10%、15%）制備的混凝土對抗壓強(qiáng)度和污水凈化特性的影響，進(jìn)一步探索農(nóng)業(yè)廢棄物（如玉米秸稈等）在混凝土中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)使用哈爾濱一家工廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥。表1列出了水泥 的基本技術(shù)指標(biāo)。玉米秸稈灰是在實(shí)驗(yàn)室加工制取的。玉米秸稈是從哈爾濱周邊農(nóng)村購買的。外加劑使用HSC聚羧酸型減水劑。粗骨料為粒徑為5 ～ 15 mm的碎石。細(xì)骨料為河沙，符合規(guī)范JGJ 52 - 2012。水為可飲用的自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)配合比

本次試驗(yàn)選取固定孔隙率為20%，用5%、10%和15%的玉米秸稈灰基來代替水泥來制備混凝土，對照組的混凝土試樣不摻加玉米秸稈灰基。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，計(jì)算得到玉米秸稈灰混凝土配合比，見表2。

1.2.2 模擬生活污水

本次試驗(yàn)所用污水為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬污水，參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]，設(shè)計(jì)的配合比見表3。將配置的生活污水在適宜的條件下，培養(yǎng)24 h后，再進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制備秸稈灰

使用GLJZ-8-1800馬弗爐將玉米秸稈樣品加熱至預(yù)定的溫度并保持一定時(shí)間。為了制備玉米秸稈灰，在燃燒時(shí)使用帶有兩個(gè)絲網(wǎng)架的不銹鋼籠來盛放玉米秸稈。在籠子下方放置一塊污漬少的鋼鍋，以捕捉通過物品落下的灰燼。收集秸稈灰，再將收集到的秸稈灰放置在坩堝中，并于馬沸爐中加熱處理。樣品處理?xiàng)l件為600 ℃和2 h。再將處理后的樣品置于MITR小型攪拌球磨機(jī)中加工處理，以制取顆粒更加細(xì)小的玉米秸稈灰。

1.3.2 秸稈灰基檢測方法

使用MS - 3000型激光衍射儀測定玉米秸稈灰基的粒徑分布。玉米秸稈灰燒失量（LOI）通過測量單位重量干燥的生物質(zhì)灰分在900 ℃加熱3 h后的質(zhì)量損失來確定。LOI計(jì)算為燒制期間質(zhì)量損失的百分比。為了確定樣品的結(jié)晶相，以2θ = 10° ～ 80°范圍內(nèi)的掃描角進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析?；曳值幕瘜W(xué)組成由X射線熒光檢測器（XRF）檢測。

1.3.3 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測

因?yàn)榻斩捇一镔|(zhì)混凝土尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，故本次試驗(yàn)采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081 - 2016所規(guī)定的檢測方法[11]。因本次混凝土試樣為多孔結(jié)構(gòu)，所以本次試驗(yàn)主要檢測混凝土的抗壓強(qiáng)度，觀察其能否滿足工程實(shí)際需求，即抗壓強(qiáng)度≥ 10 MPa[12]。同時(shí)試驗(yàn)不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1.3.4 混凝土凈水性能檢測方法

用pH酸度計(jì)測定水體的pH值。水體的化學(xué)需氧量采用6B - 500型COD分析儀進(jìn)行檢測。相關(guān)研究表明，使用具有測量總?cè)芙夤腆w功能的電導(dǎo)率計(jì)來檢測水中溶解的總固體不僅簡單、方便，而且適用于基層和實(shí)際項(xiàng)目中大批量樣品的規(guī)?；瘷z測[13]。在水體經(jīng)過電導(dǎo)率儀檢測到TDS含量后，與采用相關(guān)規(guī)范檢測方法測量出的結(jié)果無顯著性差異。因此，本次試驗(yàn)采用3175 - 307A型臺式電導(dǎo)率儀，來直接檢測水體總?cè)芙夤腆w（TDS）含量。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 11891 - 1989）規(guī)定，本次試驗(yàn)采用Kjeltec 2100 - Foss型凱氏定氮儀測試試驗(yàn)水中的總氮含量[14]。

1.3.5 室內(nèi)凈水試驗(yàn)方法

在室內(nèi)污水凈化試驗(yàn)中，將混凝土試樣置于蒸餾水中24 h后，取出瀝干;再將其放置在塑料容器中，容器盛滿已經(jīng)培養(yǎng)好的污水;之后，將容器置于震蕩臺上震動。試驗(yàn)條件：自然通風(fēng)，自然光照，溫度為20 ℃左右的室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 秸稈灰基的特性

玉米秸稈灰的粒度分布。觀察中灰樣，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過球磨之后的秸稈灰中顆粒主要分布在1 ～ 100 μm之間。秸稈灰基可以作為超細(xì)粉體用在混凝土中，玉米秸稈灰樣中的細(xì)小顆?？赡軙涌焖嗨戏磻?yīng)的速率。

相關(guān)研究表明[15-16]，秸稈灰基顆粒具有不同的形狀和不規(guī)則的形態(tài)，并且顆粒有很大的差異，一些飛灰顆粒的纖維結(jié)構(gòu)仍然存在，具有一定的微集料效應(yīng)。而經(jīng)過球磨后的飛灰顆粒幾乎不存在纖維結(jié)構(gòu)，且主要微觀結(jié)構(gòu)以球體形式存在。

玉米秸稈灰分的XRD圖譜。石英、方解石、赤鐵礦、鉀鹽和硬石膏是玉米秸稈灰基的主要成分，它具有一定的自由形態(tài)的無定形結(jié)構(gòu)。秸稈灰樣中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卡中的標(biāo)準(zhǔn)峰值位置可以檢測的圖譜峰值很好地對應(yīng)。

由XRF檢測到的灰樣化學(xué)成分見表4。經(jīng)過觀察可知，SiO2和Al2O3的總和大于70%，Na2O + 0.66K2O的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.6%。經(jīng)檢測飛灰中有機(jī)物含量的燒失量測試損失值為3.41%左右，低于6.0%。雖然Na2O + 0.66K2O的總量不滿足ASTM - C 618的標(biāo)準(zhǔn)，但除此之外的其他條件都滿足規(guī)定[17]。因此玉米秸稈灰基可以應(yīng)用在摻合料中，部分替代水泥制備普通強(qiáng)度的混凝土或者高性能和超高性能混凝土。同時(shí)對灰樣進(jìn)行pH值檢測，發(fā)現(xiàn)其pH值較高，約為12.21。這可能是灰樣中含有較多的金屬氧化物，較高的堿性會對混凝土的性能有所影響，是產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象的原因之一。

2.2 秸稈灰混凝土抗壓強(qiáng)度分析

經(jīng)加溫和球磨處理后的秸稈灰以不同的摻量制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸的混凝土，制備完成的試樣放置養(yǎng)護(hù)28 d，之后檢測試樣的抗壓強(qiáng)度?；炷恋目箟簭?qiáng)度。摻加秸稈灰的試件抗壓強(qiáng)度較對照組更為優(yōu)異。本次試驗(yàn)選取的3種摻量（5%、10%、15%）最適宜的摻量為10%，此時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，河道護(hù)坡、城市景觀基礎(chǔ)等工程要求混凝土抗壓強(qiáng)度≥ 10 MPa[12]，本次試驗(yàn)制取的試樣均滿足要求。因此，秸稈灰制備的混凝土可以應(yīng)用于河道護(hù)坡、城市景觀基礎(chǔ)以及湖泊濕地等工程中。

2.3 秸稈灰基混凝土凈水性能分析

2.3.1 秸稈灰混凝土對水體pH值的影響

在水體凈化過程中，凈水秸稈灰混凝土不同摻量以及浸泡時(shí)間的不同，影響水體酸堿度的變化情況，觀察到，在整個(gè)測試期間，測試水體的pH通常先增加然后減小，隨著時(shí)間的推移，水體的pH逐漸趨于酸堿平衡。水體pH值在試驗(yàn)前期增大的原因是：玉米秸稈灰基制備的混凝土有較高的堿性，在浸泡試驗(yàn)過程中，混凝土存在堿性物質(zhì)釋放的過程。水體pH值下降的原因是：水泥與秸稈灰中的Ca（OH）2與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)，降低水體堿性，使試驗(yàn)水體趨于酸堿平衡。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)先對混凝土進(jìn)行沖洗浸泡等處理措施，減少混凝土對水體酸堿度的影響。整個(gè)試驗(yàn)過程中，所有試樣的pH值均沒有超過10，且沒有低于7，不會對水生物造成影響，也不會危害凈水微生物的生長。

2.3.2 秸稈灰混凝土對水體TDS的影響

試驗(yàn)水體總?cè)芙夤腆w（TDS）含量受混凝土中不同摻量的秸稈灰以及浸泡時(shí)間的影響。試驗(yàn)水體中溶解固體總量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，特別的是在試驗(yàn)早期到中期，水體中的TDS含量持續(xù)升高。分析原因?yàn)椋涸谠囼?yàn)的前中期，水體溶解污染物的速率較大，因此TDS增長速度較快。浸泡一定時(shí)間后，總?cè)芙夤腆w含量降低，這意味著混凝土逐漸吸附水中污染物，與污染物中離子發(fā)生反應(yīng)。觀察發(fā)現(xiàn)對照組水體TDS變化不明顯;在試驗(yàn)的最后階段，10%摻量的試驗(yàn)組TDS含量顯著減少，表明其優(yōu)異的離子吸附性能和去除效率。

2.3.3 秸稈灰混凝土對水體總氮的影響

試驗(yàn)水體氨氮含量受浸泡時(shí)長、秸稈灰摻量的影響。對比發(fā)現(xiàn)，5%和10%摻量的試驗(yàn)組去除總氮效果顯著，而其他兩組去除總氮效果較弱。由于玉米秸稈灰中較高的堿性物質(zhì)含量，加快了與水體中氮離子反應(yīng)速率，促進(jìn)了微生物生長，因而較高的秸稈灰基摻量可能導(dǎo)致水體氮含量升高。當(dāng)有適當(dāng)摻量的生物質(zhì)混凝土形成薄膜以及試樣大孔隙結(jié)構(gòu)，這都促使生物質(zhì)混凝土吸附水體中的氮元素，加強(qiáng)其凈化水體的能力。

2.3.4 秸稈灰混凝土對COD的影響

混凝土試樣的不同摻量對水體COD的影響和凈化時(shí)間之間的關(guān)系。摻量為10%的試驗(yàn)組去污效果相對較好，而所有試驗(yàn)組試驗(yàn)前中期均無明顯的規(guī)律。這是由于玉米秸稈灰混凝土成分復(fù)雜，含有較高的活性物質(zhì)，致使試驗(yàn)前中期有機(jī)物含量變化劇烈。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到后期時(shí)，混凝土試樣形成的吸附膜開始降解有機(jī)物，因此水體COD含量下降至一定程度。

3 結(jié)論

（1）玉米秸稈灰中含有70%的火山灰活性成分，且燒失量和其他雜質(zhì)含量較低符合相關(guān)規(guī)范要求，是一種較為優(yōu)良的混凝土摻合料;

（2）本次試驗(yàn)秸稈灰基最佳摻量為10%，制備的試件抗壓強(qiáng)度有明顯的提升。此時(shí)，試件在降低COD影響和總氮含量、吸附溶解性固體、穩(wěn)定水體pH值等方面效果顯著。在河道護(hù)坡、池塘護(hù)壁等工程中有著廣泛的應(yīng)用潛力。

參 考 文 獻(xiàn)

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