低碳背景下土木工程實(shí)踐教學(xué)
——稻殼資源化利用實(shí)驗(yàn)分析與探討

江飛飛, 馬 劍, 王佳雷

(江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院, 江蘇張家港 215600)

土木工程實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解理論知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)操作的技能與方法，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維能力。近些年，在“碳中和”的大背景下，未來能源和節(jié)能減排逐漸成為研究熱點(diǎn)，水泥行業(yè)的碳排放約占我國總排放的20%，低碳水泥基膠凝體系的開發(fā)逐漸成為未來土木材料的新方向。

本研究旨在打破傳統(tǒng)以教師講授和演示為主的模式，擺脫學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上對(duì)教師的過分依賴。轉(zhuǎn)變思路，采取以學(xué)生為主，教師為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探究，提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作與思考能力。下面詳細(xì)介紹該實(shí)驗(yàn)的主要環(huán)節(jié)和實(shí)施情況。

1 稻殼資源化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t水泥熟料，需要消耗0.2 t的煤炭，同時(shí)產(chǎn)生2 t的氮硫化物和二氧化碳。因此，在混凝土中，尋找綠色環(huán)保的膠凝材料部分替代水泥，減小水泥用量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及土木行業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為了當(dāng)前面臨的迫切問題。

稻殼是水稻加工時(shí)的廢棄物，約占稻谷總質(zhì)量的1/5，我國每年約產(chǎn)生4 000 t的稻殼。稻殼質(zhì)地堅(jiān)硬，含有大量的無定形硅，不易被環(huán)境中的細(xì)菌分解，隨意丟棄易造成環(huán)境污染。而將稻殼在通過合理的煅燒制度可生產(chǎn)得到高品質(zhì)的稻殼灰，具有較高的火山灰活性及特有的顆粒特性，可有效提高水泥基材料強(qiáng)度及增長。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

稻殼灰的品質(zhì)主要取決于碳含量和非晶態(tài)SiO2含量，非晶相含量決定了稻殼灰的化學(xué)反應(yīng)程度，煅燒前的酸浸預(yù)處理是稻殼灰獲得高含量無定型SiO2的關(guān)鍵，酸處理后可去除稻殼中的晶化催化劑，降低燃燒過程中SiO2的結(jié)晶度。稻殼中含有大量Na、K等堿金屬離子，會(huì)與SiO2發(fā)生共晶反應(yīng)形成低熔點(diǎn)鹽包裹在碳的表面，阻礙碳與氧氣的接觸，使其無法完全燃燒，酸處理能夠有效去除稻殼中的堿金屬離子，避免碳的不完全燃燒，且堿金屬離子的減少也能夠使稻殼灰用于水泥基材料中減少堿硅酸、堿骨料反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)采用酸預(yù)處理稻殼，參考相關(guān)文獻(xiàn)的煅燒制度，自制高活性稻殼灰，以提高稻殼灰的品質(zhì)，并用于水泥基膠凝體系改善其宏觀性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)稻殼攪碎、磨細(xì)成稻殼粉，采用質(zhì)量濃度為2.5%的稀鹽酸作為預(yù)處理劑浸泡稻殼粉，固液比為1∶10，預(yù)處理時(shí)間為1 h，每20 min攪拌一次使稻殼粉充分酸化。

(2)預(yù)處理結(jié)束后采用80目不銹鋼網(wǎng)篩過濾，用清水反復(fù)沖洗、過濾3遍，將酸化后的稻殼粉放入烘干箱烘干至塊狀，采用破碎機(jī)對(duì)塊體破碎成粉。

(3)將裝有一定量稻殼粉的坩堝放入馬弗爐中進(jìn)行加熱，由常溫至600 ℃升溫1 h，保溫0.5 h，反復(fù)煅燒3次得到白色稻殼灰。詳細(xì)制備過程如圖1所示。

圖1 稻殼灰預(yù)處理及加工過程

2.3 性能測定

X射線熒光分析用于確定粉體中元素的種類和含量，將待測樣品用瑪瑙研缽粉磨后，采用型號(hào)為Axios mAX的X射線熒光光譜儀進(jìn)行測試，得到物質(zhì)的元素質(zhì)量比或氧化物的質(zhì)量比。

采用動(dòng)態(tài)色譜法測量氮?dú)馕搅?，根?jù)氮?dú)獾葴匚交蛎摳角€，得到樣品的比表面積。在進(jìn)行吸附測量之前應(yīng)通過“脫氣”除去吸附劑表面的物理吸附物質(zhì)，先將待測粉體樣品裝在U型的樣品管內(nèi)，使含有一定比例吸附質(zhì)的混合氣體流過樣品，根據(jù)吸附前后氣體濃度變化來確定被測樣品對(duì)吸附質(zhì)分子(N2)的吸附量。通過測定氮?dú)夥謮簆/p0下樣品吸附氮?dú)饬靠衫L制出氮?dú)獾葴匚交蛎摳角€，從而求得樣品的比表面積或孔徑分布。

采用JSM-6700F掃描電鏡觀測稻殼灰粉體顆粒的表面形貌及孔隙特征，為避免粉體高真空下被抽走，并增強(qiáng)粉體顆粒導(dǎo)電性，對(duì)稻殼灰進(jìn)行噴金處理，真空條件為5×10-5Pa，工作電壓為20 kV。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分分析

從圖2可以看出，普通稻殼灰成黑色，含有大量碳，而酸處理得到的稻殼灰呈純白色，表明稀酸預(yù)處理方式有效降低了稻殼灰中的碳含量。從表1可以知道，稻殼灰主要成分SiO2含量為78.25%，從圖3(a)中可以看出，SiO2主要為方石英，在2θ為21.98°、28.44°、31.46°和36.08°出現(xiàn)SiO2結(jié)晶相特征峰，晶面分別為101、111、102和200，采用Jade軟件計(jì)算得到稻殼灰結(jié)晶度為47.73%。由圖3(b)可知，稀鹽酸預(yù)處理得到的稻殼灰在對(duì)應(yīng)SiO2衍射角的位置出現(xiàn)了較寬的峰包，表明稻殼灰中以活性物質(zhì)非晶態(tài)SiO2為主要物相，酸處理大大提高了稻殼灰的活性。

圖2 稻殼灰預(yù)處理前后的外觀形貌對(duì)比

表1 稀鹽酸處理前后稻殼灰的化學(xué)組成 單位：%

圖3 稻殼灰的XRD圖譜

3.2 孔結(jié)構(gòu)

采用BET氮吸附法測得的比表面積為207.8 m2/g，采用BJH法得到稻殼灰孔體積分布的吸附等溫線中，在4～5 nm出現(xiàn)假峰，因此采用脫附曲線計(jì)算稻殼灰的孔體積分布，如圖4所示，根據(jù)單位質(zhì)量累計(jì)孔體積的計(jì)算，得到稻殼灰的孔隙率為67.04%。

圖4 稻殼灰的孔體積分布

由氮吸附法測得的比表面積，通常對(duì)于多孔硬化水泥基材料為內(nèi)表面積，對(duì)于粉體材料為外表面積，由于稻殼灰的多孔結(jié)構(gòu)提供了更多的內(nèi)表面，測得的比表面積為內(nèi)表面積和外表面積之和，因此，稻殼灰的比表面積遠(yuǎn)大于水泥和。氮吸附法主要測試材料的微孔孔徑分布，測量最大上限為500 nm，而實(shí)際測量只能達(dá)到100～200 nm，由圖4可知，稻殼灰的微孔主要集中于2～10 nm。

3.3 微觀形貌

圖5為稻殼灰的微觀形貌特征。由圖5可以看出，稻殼灰顆粒呈多邊、角狀，其多孔表面和凹陷結(jié)構(gòu)表明它具有高比表面積和高孔隙性。稻殼灰顆粒的孔結(jié)構(gòu)主要以小尺寸凹坑為主，也存在部分的開口孔和小尺寸坑道。

圖5 稻殼灰的SEM圖像

4 教學(xué)方式與實(shí)驗(yàn)拓展

4.1 教學(xué)方式

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式基礎(chǔ)上，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，采用“講授—討論—理論設(shè)計(jì)—實(shí)施實(shí)驗(yàn)—再討論”的閉環(huán)形式，教學(xué)特色主要體現(xiàn)在幾點(diǎn)：

(1)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較了普通稻殼灰和酸處理后稻殼灰的性能差異，使學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)預(yù)處理對(duì)產(chǎn)品性能有重大影響。

(2)實(shí)驗(yàn)中采用了較多材料學(xué)專業(yè)的大型設(shè)備和微觀分析方法，實(shí)習(xí)了土木工程專業(yè)和材料學(xué)專業(yè)的交叉融合，有利于培養(yǎng)復(fù)合型人才。

(3)在實(shí)驗(yàn)中引入了節(jié)能減排和綠色可持續(xù)發(fā)展的理念，同時(shí)也為高值資源化利用農(nóng)業(yè)廢棄物提供了有效途徑，有利于新農(nóng)村建設(shè)。

4.2 實(shí)驗(yàn)拓展

作為開放性選修實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們根據(jù)自身科研需求和興趣。可在幾個(gè)方面開展進(jìn)一步研究：

(1)選用不同種類和不同濃度的酸對(duì)稻殼進(jìn)行預(yù)處理，如硝酸、硫酸或有機(jī)酸。

(2)研究不同質(zhì)量稻殼灰替代水泥對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。

(3)研究稻殼灰-水泥基材料的耐久性能。

5 總結(jié)

課題組對(duì)稻殼資源化利用實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革已經(jīng)持續(xù)進(jìn)行了2年，初步培養(yǎng)了本科生的發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、動(dòng)手解決問題的能力，使學(xué)生初步熟悉了科研流程和科研方法，為今后的讀研或工作打下了良好的基礎(chǔ)。