生物質(zhì)灰—水泥基膠凝材料性能研究進展

趙耀

（濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，山東濟南 250022）

1 研究背景

隨著各國逐步進入城市化和工業(yè)化的時代，水泥產(chǎn)業(yè)成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)之一。2015 年，水泥的產(chǎn)量第一次超過了40 億t。中國水泥的年產(chǎn)量為24 億t，占世界總產(chǎn)量的57.3%，是世界上生產(chǎn)水泥最多的國家，緊隨其后的是印度，其水泥年產(chǎn)量占據(jù)世界總產(chǎn)量的6.6%，位居第三的是美國，水泥產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的2.0%[1]。水泥作為國民經(jīng)濟建設的重要基礎原材料，目前國內(nèi)外無替代品，雖然隨著工藝設備的進步，環(huán)境污染大大改善但是資源消耗依舊很高。

圖1 2015 年世界水泥產(chǎn)量（USGS, 1993—2016）

近年來，對于緩解溫室效應，減小環(huán)境壓力的追求促使水泥工業(yè)尋找可以作為水泥替代品的“廢物”材料。大多數(shù)情況下，這些材料都是通過自然或者人工方式獲得的，比如農(nóng)產(chǎn)品、工業(yè)副產(chǎn)品等[2]。如今應用比較廣泛的是粉煤灰、硅灰、礦渣等廢棄材料以及秸稈灰、稻殼灰等生物質(zhì)灰作為輔助性膠凝材料來替代水泥[3]。然而，生物質(zhì)的燃燒是一個巨大的環(huán)境問題，導致空氣質(zhì)量惡化，霧霾狀況和對人類健康的嚴重影響[4]，并且生物質(zhì)材料用于生物質(zhì)電廠發(fā)電的效率以及利用率低，因而生物質(zhì)材料用于發(fā)電只能解燃眉之急，并不是使其得以有效利用并創(chuàng)造環(huán)境經(jīng)濟效益的根本解決之法。

2 生物質(zhì)灰—水泥基膠凝材料的研究現(xiàn)狀

目前，生物質(zhì)灰增強水泥基材料已成為全球性的研究熱點之一，各個國家都有學者結合所在區(qū)域生長的生物質(zhì)灰開展相關研究，研究工作主要圍繞以下幾個方面進行。

2.1 活化工藝對生物質(zhì)灰活性的影響

2.1.1 煅燒制度對生物質(zhì)灰中硅鋁相活性的影響。

Bahurudeen 和Santhanam[5]收集一些廢熱發(fā)電爐廢棄的甘蔗渣，將其在500～550℃下燃燒。這些樣品需要經(jīng)過進一步的處理，在600～900℃，增量為100℃下燃燒90min。實驗結果表明，樣品在700～800℃的燃燒過程中，達到ASTM 定義火山灰的最低要求。并且樣品在煅燒到900℃時，由于結構的晶體化導致其火山灰活性指數(shù)最低。

2.1.2 粒度以及比表面積對水泥基材料的影響

2009 年，Rukzan[6]等人測試研磨對稻殼灰化學和物理性能的影響。為此，稻殼灰被磨碎直到75%、30%、15%和3%被保留在325 目篩上。作者的結論是，這些灰燼的化學成分沒有明顯的變化。此外，實驗發(fā)現(xiàn)灰燼滿足ASTM 的火山灰活性系數(shù)要求，但最合適的是15%被保留的稻殼灰，與空白組的抗壓強度和孔隙率相當。在3%保留灰分的情況下，強度和孔隙率比15%更合適，但利用的能源更高。

總體來說，煅燒溫度在600℃時生物質(zhì)灰中殘?zhí)己可伲瑢λ嗷牧狭W性能的副作用最小，且生物質(zhì)灰的粒度不易過少容易造成團聚。

2.2 生物質(zhì)灰對水泥基材料力學性能的影響

2014 年，陳超和黃快忠[7]試驗了秸稈灰的摻加對混凝土性能的影響。秸稈灰在一定程度上能夠提高混凝土的早期抗壓強度，但對后期影響不大且摻量不宜過大，在10%以內(nèi)。不同種類的生物質(zhì)灰對水泥混凝土的影響體現(xiàn)在不同養(yǎng)護周期以及不同摻量，總體來說生物質(zhì)灰的摻加能夠在一定程度上提高水泥基材料的力學性能。

2.3 生物質(zhì)灰對水泥基材料耐久性的影響

水泥在使用過程中也存在著損耗問題，其中硫酸鹽侵蝕以及氯離子侵蝕就是影響水泥基材料結構耐久性的一個重要因素。

目前秸稈灰、稻殼灰等生物質(zhì)灰作為輔助膠凝材料對水泥基材料的性能在一定程度上都能起到增強作用，從而能夠部分取代水泥，減少水泥用量以及溫室氣體的排放，實現(xiàn)資源的再利用，降低成本。

雖然生物質(zhì)灰在建筑資源方面取得了不俗的研究進展，但是由于生物質(zhì)灰種類繁多，品質(zhì)不一，仍然存在利用效率以及灰分的活性對水泥基材料造成的影響。

圖2 近年來各區(qū)域的玉米年產(chǎn)量（USDA，WASDE，2/9/2019）

大多數(shù)情況下，在發(fā)展中國家玉米秸稈被當做廢物丟棄或者通過露天焚燒污染空氣，造成嚴重的經(jīng)濟和健康問題[8]。

那么，對廢棄的秸稈進行再處理將其制備成為具有活性的秸稈灰，使其成為綠色環(huán)保的建材資源應用于建筑行業(yè)中，對于解決可持續(xù)發(fā)展問題具有至關重要的作用，從另一方面來說，水泥是建筑行業(yè)最重要的材料之一，并且其生產(chǎn)需要大量的天然材料和能源，即生產(chǎn)1t 水泥需要消耗1.7t 的原材料[8]，違背可持續(xù)發(fā)展的理念，秸稈灰等生物質(zhì)灰具有火山灰活性、可循環(huán)利用的特點，因而可用其替換水泥制備綠色混凝土建材。

3 結論

雖然對生物質(zhì)—水泥基膠凝材料的研究已經(jīng)開展大量的研究，但是對生物質(zhì)灰的處理方式、生物質(zhì)灰中硅鋁含量的調(diào)控、摻量以及微觀機理的研究較少。對生物質(zhì)灰的煅燒溫度、煅燒時間以及冷卻處理的方式不同會影響生物質(zhì)灰中氧化硅和氧化鋁含量和晶型，進而影響生物質(zhì)灰的火山灰活性，但目前的研究中對于生物質(zhì)灰的煅燒和冷卻機制沒有系統(tǒng)的總結和規(guī)律性的研究，對不同生物質(zhì)灰的前期處理缺乏指導性的方法。由于前期的處理手段沒有最大限度激發(fā)生物質(zhì)灰的火山灰活性，導致生物質(zhì)灰在水泥中應用時以微粉填充作用為主，較大摻量摻加時水泥性能有較明顯的減弱，因而在實際使用時摻量較小。目前廣泛研究生物質(zhì)灰水泥基復合材料的宏觀性能研究，隨著不同種類生物質(zhì)灰的應用，由于灰分本身成分、結構上的差異，使其在水泥基材料中的作用有所差異，而對于不同種類生物質(zhì)灰微觀機理上的不同還有待進一步研究。