生物質(zhì)電廠灰水泥膠砂力學(xué)性能試驗研究

姜榮輝，王正君，張光順，李 真，熊奧運，郭 琳

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.壽光市雙王城生態(tài)經(jīng)濟(jì)園區(qū)管理委員會，山東 壽光 262700)

當(dāng)今綠色發(fā)展成為我國新時代的主題，習(xí)近平同志在十九大報告中指出，要加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國。現(xiàn)今大量的秸稈已被用于電廠發(fā)電的燃料，而在利用生物質(zhì)的同時，生物質(zhì)電廠灰也成為我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，現(xiàn)階段我國年排渣量已達(dá)上億噸[1]。大量的電廠灰若不加處理會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染土壤和大氣，若將其排入水系中會造成河流淤塞，其中的有毒物質(zhì)還對人體造成危害[2]。因此，電廠灰的處理和利用問題已引起人們廣泛的關(guān)注，合理利用生物質(zhì)電廠灰渣已成為解決利用生物質(zhì)的關(guān)鍵一環(huán)。

在建筑行業(yè)中，用火山灰作為水泥的摻合料，不但可以改善水泥的某些性能，還能達(dá)到提高水泥產(chǎn)量和節(jié)能降耗的目的[3]。相關(guān)研究表明，生物質(zhì)電廠灰具有火山灰活性，可以用作摻合料來部分代替水泥摻入混凝土中[4]，這不僅減少了在生產(chǎn)水泥過程中產(chǎn)生的溫室氣體，而且也有效的解決電廠灰渣被廢棄的問題。

本次通過對電廠灰理化特性的分析與研究，探究生物質(zhì)電廠灰的應(yīng)用潛能，為生物質(zhì)發(fā)電廠解決廢棄灰渣提供途徑。本文以國能望奎電廠的生物質(zhì)電廠灰作為摻合料摻入水泥中，對制備的電廠灰水泥膠砂3 d、7 d、14 d、28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度與對照組水泥膠砂對比，來分析并研究生物質(zhì)電廠灰摻入水泥膠砂中的強(qiáng)度性能，以探究生物質(zhì)電廠灰在水泥膠砂中的利用前景和發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 生物質(zhì)電廠灰

本次試驗電廠灰取自國能望奎生物質(zhì)直燃電廠，該發(fā)電廠主要利用當(dāng)?shù)刎S富的玉米秸桿進(jìn)行直燃發(fā)電，是一家以生物質(zhì)為燃料的專業(yè)環(huán)保型發(fā)電公司，是世界第一個以玉米秸稈為主要燃料的生物質(zhì)發(fā)電項目，玉米秸稈灰等農(nóng)業(yè)廢棄物的燃燒灰燼含有大量的游離態(tài)硅，有較高的火山灰活性，是潛在的水泥替代材料[5]。

本次試驗選用由旋風(fēng)分離器采集的飛灰，由圖1可看出，該電廠灰由于堿性和濕度較大，已結(jié)渣成球形塊狀，不可直接用來作為水泥膠砂摻合料，因此先將該電廠灰在101-1A型電熱鼓風(fēng)干燥箱105℃溫度下進(jìn)行烘干4 h后取出，研磨然后經(jīng)過0.25 mm的篩子篩分后作為水泥膠砂摻料的原始電廠灰(見圖2)。

圖1 原狀電廠灰

圖2 磨細(xì)電廠灰

1.1.2 水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂

本次試驗采用黑龍江省天鵝牌水泥；廈門艾思?xì)W牌中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 試驗方法

1.2.1 電廠灰粒徑分析

本次試驗使用激光衍射儀Mastersizer 3000測定經(jīng)過磨細(xì)后的電廠灰粒度分布，測量粒度當(dāng)量直徑范圍為0.02～2000.00 mm。試驗中將處理后的電廠灰樣品分散在蒸餾水介質(zhì)中，開始測量時，激光遮擋度設(shè)置在10%～15%之間，超聲波攪拌60 s后開始測定。

1.2.2 電廠灰化學(xué)成分分析

本次試驗使用X射線熒光光譜分析儀(XRF)測量該生物質(zhì)電廠灰化學(xué)組成及含量，進(jìn)而分析該電廠灰活性。

1.2.3 電廠灰水泥膠砂

在本次試驗中電廠灰水泥膠砂中除電廠灰外不摻入其他的添加物，制備水泥膠砂試件的水膠比為0.5。在制備水泥膠砂過程中用135 g的電廠灰代替部分水泥。以普通硅酸鹽水泥膠砂試件作為對照組，分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d、28 d后，取出進(jìn)行抗折、抗壓試驗。水泥膠砂抗折與抗壓試驗(見圖3、圖4)。

圖4 抗壓試驗圖

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)電廠灰的特性分析

圖5 粒度分級及累積分布曲線

通過對磨細(xì)電廠灰粒度分析可知，該磨細(xì)電廠灰顆粒比表面積為38.91 m2/kg，Dx (10)為27.10 μm。根據(jù)相關(guān)對火山灰分析的材料可知，比表面積大于30 m2/kg的材料適合用作火山灰材料，因此該電廠灰可以用作水泥膠砂的摻合料[4]。由圖5顆粒分級曲線可看出該電廠灰粒度主要分布在2.42～240.00 μm之間，粒徑在111.00 μm時體積密度最高，可達(dá)12.51%；其累計體積曲線在58.90 μm急劇上升后上升速率又減小，直至達(dá)到100%。該電廠灰雖然粒徑較小且集中分布在110.00 μm左右，但根據(jù)美國ASTMC-618的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可知，電廠灰的粒徑相比火山灰材料較大，這嚴(yán)重影響了電廠灰作為摻合料的使用[3]。

2.2 生物質(zhì)電廠灰化學(xué)組成

由XRF測定出來的該生物質(zhì)電廠灰的化學(xué)組成見表1。由表中可以看出該電廠灰主要成分為SiO2和Al2O3，共占52.81%，是該電廠灰活性的有利成分，但其中含有11.27%的K2O、3.38%的Fe2O3和3.13%的MgO，Na2O+0.658K2O的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.6%[6]，雖然K2O、Na2O和MgO易生成較多玻璃體，在水化反應(yīng)中會促進(jìn)堿硅反應(yīng)，但MgO含量過高，對安定性會帶來不利影響，同時過量的Fe2O3對電廠灰的活性也不利。

表1 生物質(zhì)電廠灰化學(xué)組成 %

2.3 電廠灰水泥膠砂抗折強(qiáng)度分析

圖6～圖9是普通硅酸鹽水泥與電廠灰水泥膠砂28 d抗折試驗圖，在圖中可以看出抗折試驗后，斷裂都在中部呈向右側(cè)傾斜，其斷面表觀是相對比較平整的傾斜面。其水泥膠砂與電廠灰水泥膠砂的3 d、7 d、14 d、28 d的抗折強(qiáng)度如表2所示，可以看出電廠灰水泥膠砂在3 d、7 d、14 d、28 d的抗折強(qiáng)度都低于普通硅酸鹽水泥膠砂的抗折強(qiáng)度，即在摻入電廠灰后的水泥膠砂的抗折強(qiáng)度降低[7]，但通過普通硅酸鹽水泥膠砂與電廠灰水泥膠砂的強(qiáng)度比可以看出，在3 d強(qiáng)度比為0.54，之后逐漸增加，到28 d時強(qiáng)度比已達(dá)0.72，其趨勢已經(jīng)逐漸接近水泥膠砂抗折強(qiáng)度。

圖6 水泥28 d原件

圖7 水泥28 d抗折

圖8 電廠灰水泥28 d原件

圖9 電廠灰水泥28 d抗折圖

種類抗折強(qiáng)度/MPa3 d7 d14 d28 d水泥4.806.307.108.30磨細(xì)電廠灰2.603.904.706.00強(qiáng)度比0.540.620.660.72

2.4 電廠灰水泥膠砂抗壓強(qiáng)度分析

圖10、圖11是普通硅酸鹽水泥膠砂與電廠灰水泥膠砂28 d抗壓試驗圖，在圖中可以看出抗壓試驗后，兩個試件的裂縫都從頂部貫穿到底部，且電廠灰水泥膠砂的抗壓試驗后破損程度較大。其水泥膠砂與電廠灰水泥膠砂的3 d、7 d、14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度如表3所示，可以看出電廠灰水泥膠砂在3 d、7 d、14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度都低于普通硅酸鹽水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度，即在摻入電廠灰后的水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度降低，這也與之前的預(yù)測相符合。其強(qiáng)度比在3 d時為0.54，在28 d時已達(dá)0.63，其強(qiáng)度比趨勢也已逐漸接近水泥抗壓強(qiáng)度[8-9]。

圖10 水泥28 d抗壓圖

圖11 電廠灰水泥28 d抗壓圖

種類抗壓強(qiáng)度/MPa3 d7 d14 d28 d水泥24.4032.5038.2043.30磨細(xì)電廠灰13.2018.7022.9027.30強(qiáng)度比0.540.580.600.63

實驗結(jié)果證明了由于電廠灰的顆粒粒徑較大，且含有一些不利于水泥膠砂強(qiáng)度的雜質(zhì)，直接作為摻合料會影響水泥膠砂的強(qiáng)度，但用作摻合料電廠灰水泥膠砂仍具有較好的性能，因此該電廠灰可以作為水泥膠砂的摻合料以備后續(xù)研究，但不可直接應(yīng)用于工程中。

3 結(jié) 論

本文通過對國能望奎生物質(zhì)電廠灰的特性分析，并對其作為摻合料的水泥膠砂強(qiáng)度的對比，分析得出如下結(jié)論：

(1)電廠飛灰由于顆粒粒徑比天然火山灰顆粒大，而比表面積較小，且表觀形狀不規(guī)則，極易結(jié)渣成塊，嚴(yán)重影響了其作為摻合料的性能，未經(jīng)處理的電廠灰不可直接作為摻合料。

(2)SiO2和Al2O3是該電廠灰中主要的化學(xué)成分，但其中含有大量的K2O和MgO，不利于電廠灰性質(zhì)，嚴(yán)重影響其作為水泥膠砂摻合料的性能。

(3)電廠灰水泥膠砂3 d、7 d、14 d、28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度相比于同齡期的普通硅酸鹽水泥都大大降低，且不滿足規(guī)范要求，因此生物質(zhì)電廠灰不可直接用作摻合料，需對其進(jìn)行其他處理(灼燒、酒精萃取等)后再應(yīng)用于工程中。