生物質灰與硅粉復摻在混凝土中的應用研究現(xiàn)狀①

□□ 時廷俊，王正君，劉中坤，吳 昊

(黑龍江大學 水利電力學院 寒區(qū)水利工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

隨著我國對混凝土功能特性的要求不斷提高，高強度、高性能混凝土得到了快速發(fā)展，但在追求高強高性能的同時，低碳綠色混凝土也進行深入研究，用一些工業(yè)廢渣取代部分水泥，因而綠色混凝土逐漸成為建筑材料領域的研究熱點。生物質能作為一種高效的可再生能源，被廣泛應用于發(fā)電及產(chǎn)熱等方面。在《可再生能源法》制定后，我國的生物質發(fā)電行業(yè)開始了迅速發(fā)展。根據(jù)國家可再生能源中長期項目計劃，生物質發(fā)電在2010年已達到5.5 GW，在2020年達到30 GW[1]。隨著采用生物質能發(fā)電的電廠建立，產(chǎn)生的生物質灰卻成了高排量廢渣之一，每年的排渣量能達到上億t。由于產(chǎn)生的廢渣較多，許多生物質發(fā)電廠未能對其進行及時有效地處理，只進行了簡單處理，如直接堆積、簡單填埋、水處理等方式，嚴重破壞了周圍的生態(tài)環(huán)境，同時，對人們的健康安全也有著一定的威脅，因此，以綠色低碳且更高效的方式處理生物質灰迫在眉睫?；鹕交矣捎诰哂袠O高的活性，在建筑行業(yè)中被廣泛作為混凝土的摻合料和水泥的混合材料，通過用火山灰部分替代水泥可以實現(xiàn)水泥和混凝土的可持續(xù)發(fā)展。一些研究發(fā)現(xiàn)，生物質灰具有火山灰的活性，可以替代部分P·O水泥，且是回收工農(nóng)業(yè)廢棄物的很好選擇之一。這不僅減少了工農(nóng)業(yè)生物質電廠灰堆積污染的問題，也減少了水泥的使用量，對環(huán)境的破壞降低。

硅粉是生產(chǎn)硅鐵和硅金屬的粉末狀副產(chǎn)品。硅粉因其SiO2含量極高、納米級的顆粒度及較高的火山灰活性對混凝土性能的提高有著顯著的促進作用，如今已成為生產(chǎn)高性能混凝土的重要原材料，用于建造城市高層建筑和混凝土橋梁。本文對生物質灰和硅粉的理化性質、在混凝土中的研究現(xiàn)狀進行分析，并對生物質灰和硅粉復摻代替部分水泥的可行性進行分析和展望。

1 生物質灰理化性質及作為混凝土摻合料的相關研究

1.1 生物質灰理化性質

生物質灰的化學成分主要由硅酸鹽、鉀鹽、鈣鹽以及鋁的化合物等組成，其中灰分中硅酸鹽的含量最高，該硅酸鹽中含有較多的無定形SiO2，并且對灰分的酸堿性測定顯示均呈現(xiàn)出一定的堿性。然而生物質灰分中的顆粒粒徑較大且大多呈不規(guī)則狀，但通過機械粉磨處理后顆粒不規(guī)則狀及粒徑能得到大幅度下降，且球形顆粒增多，顆粒級配明顯改善，具有一定的微集料效應。這不僅提高了灰分的火山灰活性，也達到了作為混凝土摻合料的性能指標。

1.2 生物質灰作為摻合料的相關研究

Biricik H等[2]對小麥秸稈進行特定溫度下的預處理，測得小麥秸稈灰分中SiO2的含量達到了73%，且在670 ℃燃燒5 h下獲得的火山灰性能最好，通過粉磨處理后使用小麥秸稈灰是最有效的方法。因此，從小麥秸稈中獲得的灰分可以用作火山灰材料摻入到混凝土中，對混凝土性能起到了改善作用。

Ferreira E G A等[3]發(fā)現(xiàn)將甘蔗秸稈在400 ℃下預燃20 min，分別在600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃溫度下擱置1 h，可以獲得反應灰燼。而在90 d后對灰分進行斷層攝影表征表明，在600 ℃處理后的甘蔗秸稈灰具有較小的孔隙率，此外樣品中的孔隙率隨著煅燒溫度的升高而增加。試驗結果表明，甘蔗秸稈灰中含有較高成分的無定形SiO2和巨大的比表面積，具有火山灰活性，且能替代20%的P·O水泥。

許鵬等[4]研究在低溫和不同時間條件下直接燃燒獲得的秸稈灰分，結果表明，溫度的影響與秸稈灰的除雜效果呈正相關，在600 ℃和3 h燃燒條件下得到的灰分具有較好的火山灰活性，適合用作混凝土的摻合料。在此基礎上又選用最佳的方式對玉米秸稈灰進行了特定預處理，試驗結果發(fā)現(xiàn)，摻有高活性玉米秸稈灰的混凝土，抗壓強度比對照組試件抗壓強度明顯提高。當玉米秸稈的灰分含量為10%、設計孔隙率為20%時，生物質灰分混凝土試件其抗壓強度不僅明顯提高，而且還具有更好的凈水性能[5]。

針對提高生物質灰的火山灰活性，劉巧玲等[6]預先對油菜秸稈進行水洗，然后將其自然干燥，在這種處理方式下可以使SiO2的質量百分比增大60%以上，將水洗過的油菜秸稈在恒溫500 ℃下燃燒5 h后，獲得的灰分中SiO2潛在水硬性得到了最充分地活化。劉保華等[7]發(fā)現(xiàn)油菜秸稈灰的摻入能降低混凝土導熱系數(shù)，對混凝土的保溫性有著明顯的改善作用，并且在合理的配合比下，油菜秸稈灰混凝土的抗壓強度比普通混凝土要高出許多，其工作性能良好，在工程中可用作墻體保溫材料。

王維紅等[8]研究了稻殼灰對水泥膠砂及混凝土性能的影響，通過對稻殼灰粉機械研磨，發(fā)現(xiàn)隨著研磨時間的增加其膠砂強度也在增加，但研磨時間>45 min后，稻殼灰膠砂強度卻與研磨時長呈負相關性，由此可知，稻殼灰在研磨45 min時活性被完全激發(fā)，達到最佳的火山灰活性。將該條件處理后的稻殼灰摻入到水泥中，當含量為10%時，對水泥的凝結時間和需水量影響并不多大。而在稻殼灰替代部分水泥摻入混凝土時發(fā)現(xiàn)，混凝土早期齡期抗壓強度隨著稻殼灰摻量的增加而逐漸降低，混凝土養(yǎng)護到28 d和56 d時，混凝土抗壓強度是先增加后降低，混凝土抗壓強度最高時稻殼灰摻入量為20%。然而通過向粉煤灰基料中添加稻殼灰后，對制備的混凝土進行測試，發(fā)現(xiàn)稻殼灰的摻入明顯降低了Cl-擴散系數(shù)和6 h的電通量，表明稻殼灰對于混凝土抗Cl-滲透性能起到顯著改善作用。

蔡星等[9]以生物質灰渣作為原料，與石灰、水泥等按一定比例復摻制備加氣混凝土，通過改變加氣混凝土的鈣硅比來研究在加入不同摻量生物質灰渣后加氣混凝土砌塊的相關性能，試驗發(fā)現(xiàn)鈣硅比為0.86時，生物質灰渣加氣混凝土不僅強度達到了峰值，還具有良好的體積穩(wěn)定性。

2 硅粉理化性質及作為混凝土摻合料的相關研究

2.1 硅粉理化性質

硅粉的顆粒非常細小，平均粒徑僅為0.10～0.20 μm，具有遠比粉煤灰、礦渣粉、水泥等粉體材料大得多的比表面積，用氮吸附法測得的BET比表面積達到15 000～22 000 m2/kg。由于無定形SiO2的大量存在、極細的顆粒粒徑和巨大的比表面積使得硅粉具有很高的火山灰活性。而硅粉顆粒多為球形顆粒，顆粒之間能產(chǎn)生一定的滾珠效應，減少了固體顆粒間的內(nèi)摩擦力，使得硅粉能與其他物料形成很好的填充密實效果，這不僅降低了混凝土孔隙率，還能減少混凝土使用過程中的離析、分層、沉降和泌水現(xiàn)象，從而改善混凝土的力學性能和工作性能。SiO2粉末易在水中形成-Si-OH基團，并具有很強的親水性，其更快的火山灰反應速度在促進水泥熟料的水化反應中發(fā)揮著很大的作用，它還與水泥熟料礦物水化釋放的游離體Ca(OH)2反應，生成穩(wěn)定高強的低鈣硅比的C-S-H凝膠。

2.2 硅粉作為摻合料的相關研究

硅粉因為具有較高的活性對混凝土性能有著顯著的促進作用，在混凝土中的應用日益廣泛和成熟。吳輝琴等[10]研究在外摻硅粉的條件下，對混凝土早齡期的抗壓強度和彈性模量的影響，試驗結果表明，加入硅粉可以改善混凝土內(nèi)部的孔結構，降低骨料與水膠體之間的孔隙率，增加混凝土的密實度，從而有效地提高了混凝土的早期強度和彈性模量。

王維紅等[11]通過向稻殼灰中添加礦物摻合料(硅粉、粉煤灰)復合取代水泥后發(fā)現(xiàn)，礦物摻合料的超疊加效應使得水化產(chǎn)物在微觀結構上具有更加致密、空隙小、大晶體數(shù)量少的特點，從而顯著提高了混凝土的抗壓強度，并改善了其對Cl-滲透的能力。

張強[12]為改善油菜秸稈灰混凝土早期強度較低的缺點，選用火山灰活性高和填充效果好的硅粉，將油菜秸稈灰和硅粉進行雙摻加入到混凝土中，對雙摻混凝土的力學性能和工作性能進行測試發(fā)現(xiàn)，當加入的硅粉含量在10%時，混凝土的抗壓強度可以提高24%。

黃金林等[13]將硅粉摻入透水混凝土中，硅粉的摻入量與透水混凝土抗壓強度呈正相關，而隨著硅粉摻量的增加混凝土的透水系數(shù)先增大后減小，當單摻硅粉的含量為6.0%時為最優(yōu)。在復摻硅粉和聚丙烯纖維的透水混凝土中，復摻條件下的透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)卻與單摻硅粉條件下的抗壓強度和透水性效果相當。

梁朝軍[14]采用正交試驗法研究了微硅粉和引氣減水劑對C40混凝土性能的影響。試驗結果發(fā)現(xiàn)，微硅粉的摻入量是影響混凝土抗Cl-滲透性和抗壓強度的主要因素，當微硅粉摻量為8%時，混凝土性能增強效果最為明顯，從而可以有效阻止Cl-在混凝土中的滲透，進一步阻止其與內(nèi)部鋼筋的反應，使混凝土的耐久性得到改善。

楊艷娟等[15]研究了雙摻粉煤灰和硅粉對透水混凝土力學性能、有效孔隙率和透水性的影響。試驗結果表明，雙摻粉煤灰和硅粉能起到一定的疊加效應，粉煤灰和硅粉復摻后對混凝土性能均有明顯改善，且當粉煤灰和硅粉的摻量分別為15%、10%時，制得的透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)最佳。

3 結語

隨著我國對于綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的不斷重視，低碳綠色混凝土在一定程度上取代傳統(tǒng)混凝土成為未來的發(fā)展趨勢。而科研人員對生物質灰研究的逐漸深入，其獨特性能漸漸被發(fā)掘出來，使得生物質灰在建筑行業(yè)方面的應用研究越來越成熟。

生物質灰作為部分摻合料摻入到混凝土中，其某些良好的力學性能和工作性能能與普通混凝土相媲美，從而替代部分水泥，減少水泥的使用量，達到節(jié)能降耗的目的。而硅粉具有較高的火山灰活性效應和更適宜的顆粒級配，可以有效提升混凝土的力學性能，針對生物質灰混凝土早期強度較低、耐久性較差的缺點，將生物質灰和硅粉采用一定比例復摻到混凝土當中，兩者之間互補，會很好地改進混凝土的性能。

由于影響混凝土性能的因素比較復雜，且不同生物質灰在不同處理條件下，其摻入混凝土中所測得的性能各異，很難確定某種生物質灰和硅粉復摻的最佳替代比例以提高混凝土的綜合性能，因此，尋找最佳的替代比例將是未來研究的主要方向。