蔗渣灰特性及其在建筑材料的應用研究綜述

黃 萍，徐 青，吳能森，李佳佳，鄭小燕

福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350108

隨著人口的增加與社會的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅猛，產(chǎn)生大量農(nóng)業(yè)垃圾。農(nóng)業(yè)垃圾通常用作生物質(zhì)燃料焚燒轉(zhuǎn)化為能源，以滿足工業(yè)發(fā)展的需要。焚燒后產(chǎn)生的生物質(zhì)灰是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈的最終廢棄物，產(chǎn)量正逐年增加。生物質(zhì)灰因富含二氧化硅（SiO2），具備資源可持續(xù)利用的特點，目前已成為建筑材料領域的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)灰如稻殼灰［1］、竹莖灰［2］、麥稈灰［3］等可用于制備混凝土、磚塊等建筑材料。

蔗渣灰是制糖業(yè)副產(chǎn)品甘蔗渣經(jīng)焚燒后由除塵裝置得到的灰分。蔗渣灰來源穩(wěn)定、基數(shù)大、燃燒所釋放的二氧化碳量遠低于植物生長周期中排放的氧氣量，是一種綠色材料［4］。自1998年Hernández等［5］發(fā)現(xiàn)蔗渣灰具有一定的火山灰活性后，大量的研究集中在將其應用于建筑材料領域。在建筑材料中合理利用蔗渣灰，既能保證建筑材料的性能，又可減少環(huán)境污染及資源浪費，符合當今社會綠色、可持續(xù)發(fā)展的要求，具有廣闊的應用前景。

1 蔗渣灰目前應用方式及存在問題

甘蔗是一種生長于熱帶和亞熱帶的農(nóng)作物，因其纖維莖中積累著豐富的蔗糖，是制糖工業(yè)的原料。現(xiàn)階段，我國蔗糖總產(chǎn)量僅次于巴西和印度，位居世界第三［6］。作為甘蔗生產(chǎn)大國，中國數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)顯示，2020年我國甘蔗播種面積達到1.353 38×106hm2，甘蔗產(chǎn)量達到1.081 210×108t。圖1顯示了蔗糖的生產(chǎn)工藝流程，每壓榨10 t甘蔗會產(chǎn)生約3 t甘蔗渣［7］。甘蔗渣是一種轉(zhuǎn)化效率很高的生物質(zhì)燃料，通常在糖廠鍋爐內(nèi)燃燒，燃燒后產(chǎn)生的蔗渣灰成為甘蔗產(chǎn)業(yè)鏈的最終廢棄物，約占甘蔗渣質(zhì)量的4%［8］。僅在中國，每年可生產(chǎn)1.25×106～2.00×106t蔗渣灰［9］。世界三大蔗糖生產(chǎn)國對蔗渣灰的處理有所不同，在印度通常作為廢棄物填埋處理［6］；而在巴西和中國，常與酒精或甘蔗餅相結合，用作甘蔗種植園的肥料［10］。然而，Sales等［11］的研究表明，蔗渣灰作為肥料無足夠的礦物質(zhì)營養(yǎng)，并且其浸出試驗顯示鋁、鉻、鉛和總酚超出了NBR 10006標準允許的水平。同時，Batra等［12］研究發(fā)現(xiàn)，蔗渣灰內(nèi)的未燃燒物質(zhì)和細顆粒，存在污染土壤和水源的隱患。因此，蔗渣灰無論是填埋處理或用作有機肥料，均有造成環(huán)境污染的可能。但將蔗渣灰應用于建筑材料領域，重金屬浸出并不會引起環(huán)境污染［4］。

圖1 蔗糖的生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of sugar cane

由于蔗渣灰富含SiO2并有一定的火山灰活性，且加工工藝簡單，國外學者開展了蔗渣灰在建筑材料領域的應用研究［9］，如利用蔗渣灰生產(chǎn)混凝土、磚塊和土壤固化劑等［10］。然而，國內(nèi)學者對蔗渣灰的特性及其利用價值的探索較為缺乏［6］。中國是世界第三大蔗糖生產(chǎn)國，蔗渣灰的研究和應用與國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相適應，既可助力推動中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也可以為開發(fā)綠色環(huán)保的建筑材料提供新思路。

2 蔗渣灰的特性

蔗渣灰的特性與其他生物質(zhì)灰相類似，具有多樣性，不能一概而論。甘蔗品種、生長環(huán)境、收獲設備、蔗渣純度、鍋爐設備、燃燒溫度和時間、蔗渣灰收集方法和處理方式等因素均會對蔗渣灰的性質(zhì)產(chǎn)生影響［13］。

2.1 宏觀形態(tài)

蔗渣灰在糖廠鍋爐內(nèi)燃燒時，由于燃燒不完全導致含碳量高，故呈現(xiàn)為黑色［13］。Embong等［14］對甘蔗渣進行不同溫度、不同時長的煅燒，得到的蔗渣灰細度和宏觀形貌差異較大。如圖2所示，隨著鍛燒溫度及時間的延長，顏色由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨Ｓ醒芯勘砻?，煅燒溫度?00℃時蔗渣灰開始結晶，超過800℃時產(chǎn)生白色結晶顆粒，900℃以上時呈現(xiàn)為白色灰分［15］。由于糖廠鍋爐內(nèi)燃燒溫度不受控制，所以原始蔗渣灰是由各種顏色和形狀混合而成，整體表現(xiàn)為深黑色至淺黑色不均質(zhì)粉狀。

圖2 在不同煅燒溫度煅燒不同時間后蔗渣灰的形貌［14］Fig.2 Appearance of sugar cane bagasse ashs with different calcination temperatures and durations［14］

2.2 物理性質(zhì)

從鍋爐中收集到的原始蔗渣灰為輕質(zhì)多孔纖維狀，具有較大的粒徑、高孔隙率、低比表面積（145～196 m2/kg）［14］。表1歸納了在近年研究中，原蔗渣灰及其在不同處理方式下的主要物理性質(zhì)。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，篩分和球磨均會對蔗渣灰的粒徑和比表面積產(chǎn)生較大影響，但表觀密度不發(fā)生改變。由于蔗渣灰的組成和形態(tài)受溫度影響，同一時段內(nèi)隨著煅燒溫度的提升，蔗渣灰的比表面積隨之提升［15］。

表1 不同處理方式下的蔗渣灰物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of sugar cane bagasse ash under different treatments

2.3 微觀形態(tài)

利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對蔗渣灰顆粒進行研究，發(fā)現(xiàn)其顆粒主要呈現(xiàn)纖維狀（圖3中A形態(tài)）、棱柱狀（圖3中B形態(tài)）、球狀（圖3中C形態(tài)）和不規(guī)則狀（圖3中D形態(tài)）4種形態(tài)。其中，棱柱狀顆粒和不規(guī)則顆粒富含硅（Si），這是蔗渣灰中SiO2含量高的本質(zhì)［28］；球形顆粒，是由無機物質(zhì)如磷（P）、鉀（K）、鎂（Mg）等在高溫下熔化形成［27］；而纖維顆粒中80%以上的元素組成是碳［28］。Batool等［28］為進一步觀察蔗渣灰中纖維顆粒的結構，通過不同放大倍數(shù)的SEM，發(fā)現(xiàn)纖維顆粒內(nèi)部微觀結構呈空心通道［圖4（b）］，這是細胞壁內(nèi)的細胞通道，其表面覆蓋均勻光滑的纖維素片層［圖4（c）］，即碳纖維狀的細胞結構［12］。

圖3 蔗渣灰的SEM圖［28］Fig.3 SEM image of sugar cane bagasse ash［28］

圖4 不同倍數(shù)下蔗渣灰纖維顆粒的SEM圖：（a）纖維顆粒，（b）纖維顆粒內(nèi)部空心通道，（c）纖維素片層［28］Fig.4 SEM images of sugar cane bagasse ash fiber particles under different magnifications：（a）fiber particles，（b）hollow channels inside fiber particles，（c）fiber sheet layer［28］

2.4 化學成分

盡管不同來源的蔗渣灰化學成分有所差異，但蔗渣灰的主要成分為SiO2，還包含鋁及其他金屬氧化物。通過表2歸納的部分文獻中蔗渣灰的化學成分發(fā)現(xiàn)，蔗渣灰中SiO2的質(zhì)量分數(shù)為50%～80%，三氧化二鐵（Fe2O3）的質(zhì)量分數(shù)為1%～10%，三氧化二鋁（Al2O3）的質(zhì)量分數(shù)為3%～15%，氧化鈣（CaO）的質(zhì)量分數(shù)為0.5%～5.0%，氧化鉀（K2O）的質(zhì)量分數(shù)為1.50%～10%。按照美國材料試驗標準ASTM C618-08a規(guī)范，當SiO2、Fe2O3、Al2O3的質(zhì)量總和占總質(zhì)量的70%時，可歸類為F類火山灰。根據(jù)該標準，表2中的蔗渣灰均可歸類為F級火山灰材料。

表2 蔗渣灰的化學成分Tab.2 Chemical composition of sugar cane bagasse ash %

2.5 礦物學組成

蔗渣灰中的礦物相有SiO2、Fe2O3和鈉長石（NaAlSi3O8）等［27］。其中，以非晶態(tài)SiO2石英相（Q）和晶態(tài)SiO2方石英相（C）為主［29］。SiO2的主要兩大來源：①在生長期間，甘蔗根系吸收土壤中的單硅酸（H4SiO4），運輸至甘蔗組織內(nèi)并沉淀；②收割甘蔗的過程，土壤砂石帶來［24］。因此，種植甘蔗的土壤條件（如干濕條件、金屬雜質(zhì)、酸堿值和肥料類型）通過影響收割的甘蔗從而對蔗渣灰的礦物成分含量產(chǎn)生影響［30］。煅燒溫度影響非晶態(tài)SiO2向晶態(tài)SiO2的轉(zhuǎn)化，因此蔗渣灰的礦物組成與煅燒溫度密切相關［31］。通過分析不同煅燒溫度下蔗渣灰的X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）［圖5］［15］，在700℃煅燒溫度下非晶態(tài)SiO2向結晶SiO2轉(zhuǎn)化；當煅燒溫度到800℃時，非晶態(tài)SiO2轉(zhuǎn)化為晶體SiO2，這表明隨著煅燒溫度的升高蔗渣灰內(nèi)SiO2結晶度增加。有研究指出，控制煅燒溫度在600℃，可以保證蔗渣灰以非晶態(tài)SiO2為主［32］。

圖5 煅燒蔗渣灰的XRD圖［15］Fig.5 XRD patterns of calcined sugar cane bagasse ash［15］

綜合上述研究結果：（1）原始蔗渣灰是一種富含SiO2的非均質(zhì)、F級火山灰材料；（2）不同的處理（如篩分、球磨及煅燒）方法對蔗渣灰的物理性質(zhì)（形狀、比表面積、平均粒徑等）、化學成分以及礦物學組成產(chǎn)生影響。因此，不同批次、不同來源的蔗渣灰性質(zhì)有所差異，需單獨分析其性質(zhì)才能確定最佳處理方法及應用范圍。

3 蔗渣灰用于建筑材料的處理方法

由于糖廠鍋爐鍛燒不均，導致蔗渣中木質(zhì)纖維未充分燃燒，因此得到了高含碳量、高燒失量、低非晶態(tài)SiO2含量（一般低于50%）的原始蔗渣灰［34］。而非晶態(tài)SiO2含量決定了蔗渣灰的火山灰活性。低火山灰活性、粗粒徑和高燒失量的原蔗渣灰對水泥砂漿的抗壓性能產(chǎn)生負面的影響［35］。因此，對原蔗渣灰進行合適的預處理提高其火山灰活性，是進一步開發(fā)蔗渣灰利用價值、拓寬蔗渣灰應用領域的關鍵。

3.1 控制煅燒條件

由蔗渣灰特性可知，煅燒溫度會顯著影響蔗渣灰的礦物組成、顆粒形態(tài)。實驗證明，通過控制煅燒溫度和煅燒時間可使蔗渣灰中部分SiO2保持非晶態(tài)形式，從而提高蔗渣灰的火山灰活性［32］。通過測試600、700、800、900℃溫度下蔗渣灰的強度活性指數(shù)，發(fā)現(xiàn)其隨溫度升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢［15］。文獻［33］指出，蔗渣灰在550℃溫度下煅燒3 h后強度活性指數(shù)提高了72%～95%。這與Cordeiro等［36］提出的最佳的煅燒溫度應在500～600℃且不超過800℃相近似。

煅燒條件對蔗渣灰火山灰活性的影響不僅限于煅燒溫度、煅燒時間，其他煅燒條件（如加熱速率［36］、煅燒設備［35］以及冷卻方式［15］）均會對蔗渣灰的火山灰活性造成影響。

3.2 降低粒徑細度

蔗渣灰與其他火山灰材料相似，其活性受到細度的影響［13］。通過增加蔗渣灰的細度，蔗渣灰的火山灰活性指數(shù)可以從50%增加到100%［16］。篩分與球磨是降低蔗渣灰細度的兩種主要方法。

纖維顆粒粒徑較大，通過篩網(wǎng)，可減少高碳含量的纖維狀顆粒。Paya等［38］通過850、150、45 μm篩網(wǎng)分別對原始蔗渣灰進行分級，再利用熱重分析儀（thermogravimetric analysis，TGA）分析，發(fā)現(xiàn)通過850、150 μm篩網(wǎng)可去除蔗渣灰中的高含碳量顆粒。

球磨是通過增加蔗渣灰比表面積，引入缺陷和反應核，減少結晶SiO2的負面影響，進而提高其火山灰活性［38］。有研究指出，蔗渣灰的細度與其火山灰活性指數(shù)之間呈線性關系［39］。將蔗渣灰球磨至特定的細度（300～320 m2/kg），可以激發(fā)其火山灰活性［40］；不同的球磨設備及球磨方法都會影響蔗渣灰的細度，如振動磨機較滾磨機在同樣的時間內(nèi)可得到較細的蔗渣灰［16］；一種兩段分級研磨方法，可降低蔗渣灰中結晶SiO2的含量［33］。

3.3 降低燒失量

蔗渣灰成分中包含的碳（碳酸鹽和非燃燒的有機碳）和水，用燒失量表示［41］。不充分的煅燒，會導致蔗渣灰燒失量較高，約在0.40%～24.15%之間［42］。加入燒失量高（大于10%）的蔗渣灰，會明顯降低混凝土早期抗壓強度［26］。

根據(jù)現(xiàn)有的研究結果，可以通過以下方法降低燒失量：①通過浮選［12］、工業(yè)振動篩［17］將未燃燒顆粒分離出來，剩下富含SiO2的顆粒；②通過控制煅燒溫度不低于550℃，但溫度過高的對降低燒失量的影響不再顯著［26］。

根據(jù)現(xiàn)有研究結果，蔗渣灰的火山灰活性隨加工方法的不同而有顯著差異。但僅靠單一方法效果不佳，需結合兩種以上的處理方法［17］。已有研究表明，煅燒處理會延長達到所需細度的球磨時間［33］。此外，室溫下延長蔗渣灰煅燒的冷卻時間（6 h）可改善蔗渣灰細度［13］。因此，篩分和球磨的處理一般先于煅燒處理。理想的處理方法應是步驟簡單、低能耗，并能達到蔗渣灰最佳的火山灰活性，但這一綜合處理策略目前有待進一步去探索。

4 蔗渣灰在建筑材料的應用研究

蔗渣灰因富含SiO2和具有一定的火山灰活性，在建筑材料領域中得到了廣泛的應用研究，并取得了較好的實驗結果。蔗渣灰應用于建筑材料可促進建筑材料領域的可持續(xù)性發(fā)展。

4.1 在混凝土生產(chǎn)的應用

混凝土是建筑領域中應用最廣泛的材料，但傳統(tǒng)混凝土原材料的生產(chǎn)不僅耗費資源，而且對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。混凝土原材料的綠色化已成為混凝土材料領域的研究趨勢。用蔗渣灰替代混凝土的原材料是蔗渣灰在建筑材料領域的研究熱點，研究發(fā)現(xiàn)蔗渣灰可作為綠色原材料替代混凝土中的水泥和骨料。

蔗渣灰可以用來替代水泥［43］，也可以與納米SiO2［44］、棕櫚油燃料灰［45］、稻殼灰［40］等混合替代水泥，可以生產(chǎn)出普通混凝土［9］、高性能混凝土［46］、自密實混凝土［47］、再生骨料混凝土［48］和堿激發(fā)混凝土［49］，并能改善混凝土的力學性能［27］，降低水化熱［50］，改善孔隙結構［46］，降低混凝土的滲透性［51］；添加高達20%～25%質(zhì)量分數(shù)的蔗渣灰替代水泥對混凝土的耐久性無負面影響［51］。Katare等［13］整理總結出了針對混凝土各種性能的最佳蔗渣灰質(zhì)量替代率范圍，并提出替代水泥時，25%為最佳替代率。

但由于蔗渣灰在電廠鍋爐中燃燒不均勻，部分蔗渣灰不具有良好的火山灰性，不宜作為水泥替代品使用。但可利用其SiO2含量高的特點，作為良好的骨料加入混凝土中。有研究指出，高SiO2含量的蔗渣灰，表現(xiàn)出與天然砂相似的物理性能，可作為細骨料使用［11］。Dayo等［52］用不同質(zhì)量分數(shù)（10%、20%、30%、40%）蔗渣灰代替河沙，結果表明，10%質(zhì)量分數(shù)的蔗渣灰替代河沙制備的混凝土抗折強度上升了14.41%。蔗渣灰通過進一步預處理，控制其粒徑大小作為細骨料的替代品，可提高混凝土的密實性［53-54］和耐久性［55］。

4.2 在磚塊生產(chǎn)的應用

研究人員將各種廢料用作制造磚塊的添加劑，以降低生產(chǎn)成本并提高磚塊的性能。目前，已有研究將蔗渣灰應用于生產(chǎn)非燒結磚［9］、人行道磚［10］、土磚［56］等。利用蔗渣灰生產(chǎn)磚塊，可以生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更環(huán)保的磚塊。

由于蔗渣灰內(nèi)高含量的SiO2，將5%質(zhì)量的蔗渣灰摻入燒制黏土磚，可以生產(chǎn)出更輕便、更環(huán)保的磚［56］。另一項試驗結果表明，在黏土磚［57］中，用蔗渣灰替代質(zhì)量分數(shù)高達20%的黏土，仍能保持磚塊的力學性能。Alavéz-Ramírez等［58］證明，用10%質(zhì)量分數(shù)的石灰與10%質(zhì)量分數(shù)的蔗渣灰混合生產(chǎn)土磚后，壓縮土磚的機械性能和耐久性顯著改善。

4.3 在地基處理中的應用

水泥作為一種土壤固化劑，廣泛應用于地基處理中。但水泥的生產(chǎn)排放大量二氧化碳，帶來極大的環(huán)境問題。近幾年來，如何生產(chǎn)綠色土壤穩(wěn)定劑是地基處理研究的熱點。利用蔗渣灰可以生產(chǎn)適合于不同土質(zhì)的固化劑。

蔗渣灰雖不能單獨作為土壤的穩(wěn)定劑，但5%質(zhì)量的蔗渣灰與水泥混合可作為土壤穩(wěn)定劑，降低水泥用量［59］。蔗渣灰摻合水泥對紅土的穩(wěn)定性起到了積極的作用，紅土的最大干密度、最佳含水率和穩(wěn)定基質(zhì)強度均隨著渣灰含量的增加而增大［60］。Sabat等［61］對膨脹土（粉質(zhì)黏土）固化劑進行研究，發(fā)現(xiàn)采用8%質(zhì)量分數(shù)的蔗渣灰與16%質(zhì)量分數(shù)的石灰泥混合為最佳固化結果。一項最新研究表明，質(zhì)量分數(shù)為60%的蔗渣灰和質(zhì)量分數(shù)為40%的高爐渣可以用作柔性路面加筋基層［62］。但蔗渣灰在地基處理中的應用，不同地質(zhì)情況下的使用效果不盡相同，目前在此方面的應用研究尚需進一步地探索。

5 總結與展望

中國是世界第三大蔗糖生產(chǎn)國，研究蔗渣灰的高價值利用，有助于促進我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。蔗渣灰在建筑材料領域的應用，不僅降低原材料成本，而且減少了環(huán)境污染，是符合可持續(xù)發(fā)展理念的環(huán)保建筑原材料。依據(jù)現(xiàn)有的蔗渣灰特性、處理方法以及應用研究現(xiàn)狀，得出以下結論并提出展望：

（1）蔗渣灰SiO2含量高，為F級火山灰材料；其形態(tài)、礦物學組成受煅燒條件的影響，物理性質(zhì)受到其品種、生長環(huán)境以及處理方式的影響。因此，對于不同來源的蔗渣灰需要逐一分析其性質(zhì)，以便制定出相適宜的處理方法和應用范圍。

（2）提高蔗渣灰的火山灰活性，可擴大其應用范圍。通過控制煅燒條件、降低粒徑細度、降低燒失量來提高蔗渣灰的火山灰活性。但單一的處理方式，不能高效地提高蔗渣灰火山灰活性，通常采用篩分、球磨、煅燒相結合的方法。然而，最佳的處理策略仍處于研究階段，尚未得到廣泛的研究應用。

（3）蔗渣灰作為水泥和骨料應用于混凝土材料，可降低環(huán)境影響、保證力學性能、提高混凝土耐久性，是目前蔗渣灰在建筑材料領域的熱點應用研究。蔗渣灰可作為生產(chǎn)多種環(huán)保型磚塊的原材料。摻入一定比例的蔗渣灰和水泥可以制備環(huán)境友好型土壤固化劑。但研究有限，含蔗渣灰土壤固化劑并未廣泛應用于各類土質(zhì)中，且對于其綜合性質(zhì)的研究較為空白。

（4）蔗渣灰在建筑材料領域的應用研究，已取得了良好的成效。在建筑材料領域中應用蔗渣灰，對于廢棄物管理、環(huán)境保護、降低建筑材料成本方面具有深遠意義，是符合可持續(xù)發(fā)展的應用。但蔗渣灰的綠色高值化利用，需要主產(chǎn)區(qū)政策引導和相關法規(guī)，形成生產(chǎn)鏈條，才能開展工程化應用。