生物質(zhì)焚燒灰渣活性評(píng)價(jià)及制備生態(tài)砌塊研究

李邦強(qiáng)

(中國(guó)光大綠色環(huán)保有限公司,深圳 518033)

生物質(zhì)是通過(guò)光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體,經(jīng)燃燒后產(chǎn)生了生物質(zhì)灰、渣。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界生物質(zhì)灰、渣的年產(chǎn)量幾乎與煤灰相當(dāng),約為4.76億t[1]。但對(duì)于生物質(zhì)灰、渣的處理大部分仍采用土地填埋的方式,從而引發(fā)地下水系被污染、揚(yáng)塵造成空氣中懸浮顆粒含量過(guò)高等一系列環(huán)境問(wèn)題[2]。研究表明,生物質(zhì)灰、渣含有大量的堿金屬和堿土金屬元素,具有與粉煤灰類似的火山灰活性,在建材制備方面極具潛力[3]。但生物質(zhì)的來(lái)源廣泛,地域性差異不可避免,并且因其燃料的來(lái)源不同以及燃燒的技術(shù)條件不同,而具有不同的理化性質(zhì)[4]。但目前的研究針對(duì)性較強(qiáng)[5-7],鮮少有對(duì)不同來(lái)源的生物質(zhì)灰、渣的對(duì)比性研究,制約了多源生物質(zhì)灰、渣在建材領(lǐng)域的廣泛資源化應(yīng)用。因此,論文著手于不同地域來(lái)源的生物質(zhì)灰、渣的基本理化特性研究,并據(jù)此提出其在各種建材制品中的潛在用途,最后展開分析了生物質(zhì)灰、渣在生態(tài)砌塊制備方面的應(yīng)用。

1 生物質(zhì)灰、渣的基本理化特性

1.1 顆粒形貌分析

試驗(yàn)所取的10種生物質(zhì)灰、渣為焚燒秸稈、木板、樹皮等所產(chǎn)生的飛灰與爐渣。不同地域的生物質(zhì)灰、渣的主要燃燒原料、來(lái)源及爐型如表1所示。

表1 各種生物質(zhì)灰、渣的主要燃燒原料、來(lái)源及爐型

不同地域的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰、渣的顆粒形貌如圖1所示。由于試驗(yàn)所取生物質(zhì)原料的差異,生物質(zhì)灰多呈顆粒較小的粉末狀,而生物質(zhì)渣中含有較多的雜質(zhì)。如圖1所示,1#生物質(zhì)渣中含少量未燃燒完全的秸稈,3#渣中含少量鐵釘和螺栓,5#中含玻璃、鐵絲等雜質(zhì)較多。

圖2為五種生物質(zhì)渣的顆粒級(jí)配,具體檢測(cè)方法為:五種生物質(zhì)渣各取1 kg,放在振動(dòng)篩上震動(dòng)1 min后,稱取不同篩網(wǎng)上的篩余計(jì)算得出。結(jié)果表明,在對(duì)生物質(zhì)渣進(jìn)行建材(如摻合料)制備時(shí),需磨細(xì)處理后再利用,以改善其微集料效應(yīng),提高建材強(qiáng)度性能。其中,1#渣的顆粒粒徑較大,可以用于部分替代細(xì)骨料。3#渣粒徑較大,經(jīng)篩分后可以用來(lái)充當(dāng)混凝土的粗骨料或道路充填材料。

1.2 成分分析

對(duì)各種生物質(zhì)灰、渣的化學(xué)成分進(jìn)行分析,具體檢測(cè)方法為:將每種灰、渣取樣后放入坩堝中在105 ℃下烘干24 h達(dá)到絕干,粉磨后過(guò)200目篩網(wǎng),收集4～5 g過(guò)篩后的粉末進(jìn)行XRF分析,得到每種灰、渣的燒失量及化學(xué)成分,檢測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2可知,各種生物質(zhì)灰、渣的成分大致相同,主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO以及鉀、鈉鹽類等礦物成分,含量各異。其中,生物質(zhì)渣中的SiO2、Al2O3、Fe2O3基本都高于生物質(zhì)灰。這表明生物質(zhì)渣的火山灰活性將會(huì)更高,在進(jìn)行建材化利用時(shí)能夠增強(qiáng)灰制品和水泥制品的強(qiáng)度,提高其抗腐蝕能力[8]。

表2 生物質(zhì)灰、渣化學(xué)元素組成 w/%

除2#灰、5#灰和3#灰、渣外,其余灰、渣所含SiO2和Al2O3總量均超過(guò)55%,達(dá)到《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB/T1596—2017)中C類粉煤灰的要求,均可用于制備活性微粉。但4#灰中Si、Al含量較高,5#生物質(zhì)灰、渣的K、Na等含量較高,需分別經(jīng)過(guò)水洗脫氯、除堿后再利用。

此外,2#渣是所有灰、渣中硅鋁含量最高的,經(jīng)粉磨預(yù)處理后可滿足蒸壓加氣混凝土等產(chǎn)品的需求。但由于其中鈣含量較低,需將其脫氯脫碳后再用于制備各類建材。將1#灰進(jìn)行脫鹽處理、2#灰進(jìn)行高溫除碳脫氯后還可用于摻和料制備。

1.3 酸堿性及電導(dǎo)率分析

生物質(zhì)灰、渣的酸堿度高低直接影響建材制品的耐久性,其酸堿性的具體檢測(cè)方法為:取烘干生物質(zhì)灰、渣放入燒杯中,加入水,液固比為10∶1,放入轉(zhuǎn)子在磁力攪拌器上攪拌30 min后過(guò)濾出灰、渣得到清液。用pH計(jì)與電導(dǎo)率測(cè)試儀測(cè)出清液pH與電導(dǎo)率,結(jié)果見表3。

表3 生物質(zhì)灰、渣的pH及電導(dǎo)率分析

顯然,生物質(zhì)灰、渣均呈堿性。這是因?yàn)樯镔|(zhì)灰、渣中含有部分活性CaO,溶于水后形成堿性較強(qiáng)的Ca(OH)2,導(dǎo)致其pH穩(wěn)定介于9～13之間。將其用于混凝土制備,其堿性將能夠促進(jìn)火山灰反應(yīng)的進(jìn)行,生成的C-S-H凝膠有助于密實(shí)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高其強(qiáng)度[9,10]。此外,生物質(zhì)灰的電導(dǎo)率均高于對(duì)應(yīng)的生物質(zhì)渣,最高甚至達(dá)到20.7。

1.4 潛在水硬性分析

生物質(zhì)灰、渣原料的潛在水硬性越好,對(duì)應(yīng)的混凝土后期強(qiáng)度也就越高[11]。試驗(yàn)根據(jù)GB/T 13957—2005《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性檢測(cè)方法》中要求,依據(jù)爐型選取四種生物質(zhì)灰、渣進(jìn)行潛在水硬性分析。試餅浸水3 d后,若其邊緣保持完整則認(rèn)為具有潛在水硬性。

試驗(yàn)主要對(duì)2#灰、渣和5#灰、渣進(jìn)行了潛在水硬性的測(cè)試,試驗(yàn)見圖3。5#渣制備的試餅強(qiáng)度低,在拆模后無(wú)法繼續(xù)維持形狀發(fā)生開裂,5#灰制備的試餅浸水時(shí)在水中散開,可判斷5#灰、渣不具備潛在水硬性,而2#灰、渣具備潛在水硬性。

1.5 火山灰活性分析

根據(jù)現(xiàn)有研究,焚燒產(chǎn)生的生物質(zhì)灰將產(chǎn)生一定的游離態(tài)硅,其具有的高火山灰活性可以作為與硅灰比擬的混凝土外加劑[12]。依據(jù)爐型和Si+Al的總含量選取囊括兩種爐型和高中低3種Si+Al總含量生物質(zhì)灰、渣進(jìn)行火山灰活性測(cè)試,如圖4所示。

以總堿度(氫氧根離子濃度)為橫坐標(biāo),以氧化鈣含量為縱坐標(biāo),將試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)在火山灰活性圖上。如果試驗(yàn)點(diǎn)落在圖中曲線(40 ℃時(shí)氫氧化鈣的溶解度曲線)的下方,則認(rèn)為該混合材料火山灰活性試驗(yàn)合格。如圖5所示,只有2#渣的火山灰活性合格,這與2#渣中硅、鋁含量最高可能有關(guān)。

2 生物質(zhì)灰、渣的建材資源利用

生物質(zhì)灰、渣的建材資源化利用方式主要包括以下幾個(gè)方面:作為硅質(zhì)原料用于制備加氣混凝土,用作再生微粉制備砂漿,代替粉煤灰制備水穩(wěn)料,替代水泥和骨料制備生態(tài)砌塊等。該文主要對(duì)生物質(zhì)灰、渣制備生態(tài)砌塊進(jìn)行展開介紹。

2.1 試驗(yàn)原料及配比

試驗(yàn)所用生物質(zhì)灰經(jīng)120 ℃烘干,球磨40 min后得到。采用的基準(zhǔn)水泥為PO 42.5的華新水泥,其CaO、SiO2、Al2O3含量分別為64.419%、21.967%、4.96%。采用一級(jí)粉煤灰,其含量最高的是SiO2,Al2O3次之。粗細(xì)骨料都為礫石,粗骨料粒徑為15～30 mm,細(xì)骨料粒徑為5～15 mm;砂采用河沙,其粒徑在5 mm以下。

試驗(yàn)依據(jù)上述理化特性分析,考慮到生物質(zhì)灰渣的協(xié)同利用,基于火山灰活性和顆粒級(jí)配結(jié)果選取2#生物質(zhì)灰、渣替代粉煤灰或水泥制備混凝土磚,并探討了在替代水泥的基礎(chǔ)上繼續(xù)替代集料的可行性。實(shí)驗(yàn)方案見表4。

表4 生物質(zhì)灰替代水泥及集料實(shí)驗(yàn)方案 /(kg·m-3)

2.2 強(qiáng)度分析

圖6為生物質(zhì)灰、渣制備混凝土磚的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)1、2組的對(duì)比,可以看出當(dāng)用2#灰全部替代粉煤灰時(shí),試塊抗壓強(qiáng)度顯著提升,增大了4.1 MPa,提升了9.7%。但隨著替代比例的增大,從試樣2～4的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),強(qiáng)度逐漸降低。雖然2#灰具有微集料填充效應(yīng),但隨著2#灰的摻入,降低了樣品中水泥含量,起到一定的稀釋效果,基體之間彼此的粘結(jié)程度降低,強(qiáng)度得到劣化。

對(duì)比第4和5組試樣,當(dāng)用粉磨后的2#渣替代2#灰用作摻合料時(shí),強(qiáng)度提升了8.8%,這主要?dú)w因于2#渣相對(duì)較高的反應(yīng)活性,其和水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成了更多致密的水化產(chǎn)物C-S-H,提升了基體的強(qiáng)度。此結(jié)果也與活性指數(shù)測(cè)試結(jié)果一致。

通過(guò)對(duì)比4、6和7可以看出當(dāng)用2#渣替代骨料時(shí)隨著骨料取代率的增大強(qiáng)度增高。一般而言,骨料強(qiáng)度越高,所制備的混凝土試塊強(qiáng)度也會(huì)較高。出現(xiàn)這種相反的試驗(yàn)現(xiàn)象可能與2#渣本身的特性相關(guān),雖然本身硬度不夠,但一方面其活性較高,另一方面其表面粗糙和相對(duì)較高的吸水率有利于與漿體之間更好的粘結(jié),反而提高了試樣強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

試驗(yàn)對(duì)比分析了不同生物質(zhì)灰、渣的基本物化性能,并對(duì)其潛在水硬性和火山灰活性進(jìn)行了評(píng)價(jià),還以2#灰、渣分別替代膠凝材料制備了生態(tài)砌塊。

a.不同地域生物質(zhì)灰、渣的化學(xué)組成均為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO以及鉀、鈉鹽類等,但SiO2、Al2O3含量差別大。

b.5種生物質(zhì)灰、渣的形貌各不相同,顆粒較細(xì)的生物質(zhì)灰更容易在水中發(fā)生堿性離子溶解。

c.2#灰、渣具備潛在水硬性,試驗(yàn)所測(cè)試6種灰渣中只有2#渣的火山灰活性合格,這可能與2#渣中硅、鋁含量最高有關(guān)。

d.采用少量生物質(zhì)灰渣(不超過(guò)20%)可以完全替代粉煤灰、少量水泥和粗集料制備力學(xué)性能優(yōu)異的生態(tài)砌塊。