秸秆灰渣制备混凝土路面砖的试验研究

金玉杰

（吉林建筑大学 科技处， 吉林 长春 130118）

0 前言

我国是一个农业大国，每年都会产生大量的农作物秸秆。 作为重要的可再生能源，农作物秸秆的利用得到了社会的高度重视[1]。 在田地焚烧并将灰渣直接还田是秸秆的传统处理方式，但是，这种处理方式会造成严重的空气污染，特别是在机场或公路附近，焚烧产生的烟雾会导致能见度降低，容易造成交通事故[2]。 随着国家对环境保护要求的提高，秸秆资源化利用迈上了新台阶。 近年来，以秸秆为燃料的生物质电厂的蓬勃发展标志着秸秆资源化利用的进步[3]。 与燃煤电厂产生炉渣和粉煤灰相类似，生物质热电厂运行的过程中也会产生大量的秸秆灰和秸秆渣。 我国每年产生的秸秆灰和秸秆渣达到几千万吨，随意地堆弃处理会对周围环境产生粉尘和土壤污染[4]，[5]。

秸秆灰的主要成分是SiO2，Al2O3和K2O 等。根据其理化特性人们开展了多方面的应用研究，比如制备吸附剂[6]，提取SiO2制备白炭黑[7]，提取水溶钾[8]，[9]，利用SiO2和Al2O3组分烧制莫来石陶瓷[10]，还可以作为原材料制备复合水泥[11]、碱激发水泥[12]等。 有研究表明，秸秆灰具有火山灰活性，可以直接配制混凝土[13]，[14]。值得注意的是，秸秆灰中含有一定量的未燃炭，作为掺合料时可导致混凝土需水量增加，因此，秸秆灰在混凝土中的应用受到了较大的限制。另外，目前科研工作者对秸秆灰的应用研究较多，但对秸秆渣的应用研究很少。这是因为秸秆渣的粒径比秸秆灰大、成分复杂、化学反应活性低，综合利用难度更大。

本文根据秸秆灰的火山灰活性以及秸秆渣的颗粒状特性，以秸秆灰替代部分水泥，秸秆渣替代部分细骨料，采用半干法高压压制成型的方法（避开了秸秆灰中存在的未燃炭会导致混凝土需水量增加的弊病）制备了市场用量大的混凝土路面砖，并将干表观密度、吸水率、抗压强度和抗折强度作为评价路面砖性能的主要技术指标。 本研究对秸秆灰与秸秆渣的综合利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

水泥：实验所用水泥为亚泰鼎鹿牌，属于强度等级为42.5 MPa 的普通硅酸盐水泥。

秸秆灰：秸秆灰取自吉林省蛟河某热电厂，秸秆灰的化学组成（以质量分数计）为SiO267.81%，Al2O38.44%，CaO 5.45%，K2O 4.92%，Fe2O32.83%，MgO 1.98%，烧失量3.93%；采用N2吸附-脱附法测得秸秆灰的比表面积为10 m2/g；采用球磨机粉磨原状秸秆灰10 min， 测得其平均粒径为12.33 μm。 秸秆灰的XRD 图谱和微观形貌分别见图1和图2。

图1 秸秆灰的XRD 图谱Fig.1 XRD pattern of straw ash

图2 秸秆灰的微观形貌图Fig.2 Morphology of straw ash

秸秆渣：秸秆渣取自同一热电厂，秸秆渣的粒度分布为＜20 目占2.6%，20～40 目占12.1%，40～80 目占72.8%，＞80 目占12.5%。 实验时人工去除未完全燃烧的生物质秸秆。

粗骨料：实验使用的粗骨料为建筑用碎石，连续级配，最大粒径为10 mm。

细骨料：实验使用的细骨料为建筑用天然砂，细度模数为2.7， 含泥量为0.8%， 泥块含量为0.6%，其它性能指标符合GB/T 14684-2011《建筑用砂》标准。

所用仪器：UJZ-15 型砂浆搅拌机（浙江上虞市胜飞试验机械厂）、YAW-600 型压力试验机（长春科达试验机有限公司）、CLD 型全自动低温冻融试验机（天津市港源试验仪器厂）、DX-2700 型X 射线衍射仪（丹东方圆仪器设备有限公司）、IT 300 型扫描电子显微镜（日本电子公司）。

1.2 样品制备及测试方法

秸秆灰的活性指数依据国家标准JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》进行测试。

混凝土路面砖的制备流程：首先将水泥、秸秆灰混合均匀，然后与沙子、石子在砂浆搅拌机中搅拌均匀，加入一定量水后继续搅拌；接着在压力机上进行压制成型， 路面砖尺寸为200 mm×100 mm×60 mm，成型后送至标准养护室进行养护，到达龄期后测试其性能。

对于混凝土路面砖的抗折强度、抗压强度、吸水率和抗冻性，参照GB 28635-2012《混凝土路面砖》进行测试。

针对浸没燃烧式气化器控制系统中温度参数存在的滞后和干扰问题，以出口温度为主要被控对象设计控制系统，提出引入Smith预估补偿的串级控制方案。主、副回路两次引入Smith预估补偿将副回路的纯滞后移到控制系统之外，克服了温度的纯滞后影响，使得控制系统对被控变量的变化具有较好的适应性，能够大大减少出口温度波动引起的跳车，优化了控制过程。仿真结果和实际接收站运行结果表明，该控制方案对于SCV的温度控制改进优化是行之有效的。

混凝土路面砖的基准配比为水泥占25%、石英砂占40%、石子占35%，加水量以水灰比（水与水泥质量比）计算，水灰比为0.33。

2 结果与讨论

2.1 秸秆灰活性指数的测试

秸秆灰能否替代部分水泥制备水泥混凝土制品，主要取决于秸秆灰的火山灰活性大小。本实验根据国家标准JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》测试了原状秸秆灰和球磨10 min 的磨细秸秆灰的活性指数，以判定秸秆灰的火山灰活性大小，评价秸秆灰替代水泥制备路面砖的可行性。 以秸秆灰替代30%的水泥制备水泥胶砂试样，测试标准样品与试验样品的7 d 和28 d 抗压强度， 并计算抗压强度比。 2 个养护龄期样品的抗压强度实验结果如图3 所示。

图3 秸秆灰-水泥胶砂样品不同养护龄期的抗压强度Fig.3 Compressive strength of straw ash-cement mortar samples at different curing ages

根据图3 的实验结果并结合活性指数计算公式[活性指数=（受检胶砂相应龄期的抗压强度/对比胶砂相应龄期的抗压强度）×100%]， 可计算出原状秸秆灰的7 d 和28 d 活性指数分别为85.0%和90.32%，而磨细秸秆灰的7 d 和28 d 活性指数分别为96.0%和105.7%。 上述实验说明，秸秆灰经球磨后粒径变小，活性指数也有较大的提高。由国家标准JG/T486-2015 《混凝土用复合掺合料》可知， 当普通型掺合料的7 d 和28 d 活性指数分别大于65%和70%时，普通型掺合料可作为混凝土掺合料。 这说明磨细秸秆灰确实具有较高的火山灰反应活性。为了提高秸秆灰的掺入量，选取磨细秸秆灰进行后续实验。

为了从微观方面说明秸秆灰替代水泥的可行性， 实验制备了纯水泥净浆和磨细秸秆灰-水泥（质量比为3∶7）净浆，养护一定龄期后测试水化产物的物相组成，从而在微观方面予以佐证。图4 显示了样品养护3，28，90 d 时的XRD 图谱。

图4 秸秆灰-水泥体系水化产物XRD 图谱Fig.4 XRD pattern of hydration products of straw ash-cement system

从图4 可以看出，当养护龄期为3 d 时，两个样品中主晶相皆由未完全反应的C2S 和石英，以及反应生成的Ca（OH）2组成；当养护龄期为28 d时，纯水泥净浆中仍然有Ca（OH）2存在，但秸秆灰-水泥净浆样品中的Ca （OH）2衍射峰已减弱；当养护龄期达到90 d 时， 秸秆灰-水泥净浆样品中已无Ca（OH）2衍射峰存在。 从上述XRD 图谱中可知，秸秆灰（SiO2含量为67%）中确实有活性SiO2与Ca（OH）2发生反应，致使水泥-秸秆灰净浆样品中的Ca（OH）2逐渐减小乃至消失。

上述实验结果表明， 秸秆灰与水泥水化产物Ca（OH）2发生了火山灰反应，使水泥水化产物中的Ca（OH）2含量逐渐减少甚至消失，这也从机理方面解释了秸秆灰替代水泥的可行性， 为秸秆灰在路面砖中的应用提供了理论支持。

2.2 秸秆灰替代水泥对路面砖性能的影响

本实验探讨了秸秆灰替代水泥量对路面砖干表观密度、吸水率、抗压强度与抗折强度的影响，结果（养护28 d 的样品测试所得）如图5 所示。

图5 秸秆灰替代水泥对路面砖性能的影响Fig.5 Effect of straw ash replacing cement on pavement brick performance

从图5 可以看出：秸秆灰替代水泥后，路面砖的干表观密度有所下降，而吸水率逐渐上升；当秸秆灰替代40%水泥时，路面砖的干表观密度降低了6%，而吸水率上升了63%。 这可能是因为秸秆灰颗粒呈不规则状且有大量孔隙，堆积密度较小，替代水泥后会导致路面砖的干表观密度下降，吸水率升高。

从图5 还可以看出：随着秸秆灰替代水泥量的提高，路面砖的抗折与抗压强度均有所下降；当秸秆灰替代40%水泥时，路面砖的抗折强度降低了27.83%，抗压强度降低了25.68%。 这与前面测试火山灰活性时的实验结果差异较大。 可能是因为胶砂试样采用振荡成型，水灰比为0.5，水泥颗粒周围有大量的自由水存在，有利于水泥的水化，秸秆灰的水化是在水泥水化产生大量Ca（OH）2的前提下进行。 而路面砖采用半干法高压压制成型，水灰比仅为0.33，而且密实度高。 低水灰比条件影响了水泥水化的速度， 从而影响了秸秆灰的火山灰活性。

为了研究养护龄期对路面砖力学性能的影响， 本实验对秸秆灰替代水泥后不同养护龄期的路面砖的力学性能进行了测试，结果如表1 所示。

表1 秸秆灰替代水泥后，路面砖在不同养护龄期下的力学性能Table 1 Mechanical properties of pavement bricks with straw ash replacing cement at different curing ages

由表1 可知：延长路面砖的养护龄期后，秸秆灰替代水泥制备的路面砖的力学性能仍有较好的增长；与养护龄期为28 d 的路面砖相比，养护龄期为90 d 的纯水泥标准样的抗压强度增加了6%，而秸秆灰替代20%水泥样品的抗压强度提高了16.6%； 秸秆灰替代20%水泥样品养护90 d后，抗压强度比达到了95.4%。上述实验结果验证了前面的分析，这说明在短龄期下，秸秆灰替代水泥后的强度贡献并未充分体现出来。 使用秸秆灰替代水泥制备的混凝土路面砖在出厂前应尽可能增加养护时间，以获得更好的力学性能。

综合吸水率、力学性能的实验结果，参考建筑行业普遍采用28 d 养护龄期的惯例，后续实验以秸秆灰替代10%的水泥进行。

2.3 秸秆渣替代细骨料对路面砖性能的影响

秸秆渣中40～80 目的颗粒占到70%以上，因此，秸秆渣可替代部分细骨料制备路面砖，在路面砖内起到填充的作用。 本实验以秸秆渣替代细骨料（石英砂）制备路面砖，分别测试替代量对路面砖干表观密度、吸水率、抗压强度与抗折强度的影响，结果如图6 所示。

图6 秸秆渣替代细骨料对路面砖性能的影响Fig.6 Effect of straw slag replacing fine aggregate on pavement brick performance

从图6 可以看出： 随着秸秆渣替代细骨料比例的提高，路面砖的干表观密度逐渐下降，而吸水率逐渐升高，路面砖的抗折强度先下降后升高，而抗压强度先升高后下降；当秸秆渣替代10%的细骨料时，路面砖的抗折强度下降了5.44%，抗压强度增加了18.05%； 当秸秆渣替代20%的细骨料时，路面砖的抗折强度增加了4.92%，抗压强度增加了6.69%。 当秸秆渣对细骨料的替代量超过20%后，虽然路面砖的抗压强度仍有提高，但抗折强度已经低于标准样品。

秸秆渣替代细骨料后，由于其自身堆积密度比石英砂小，且部分颗粒呈多孔性，导致路面砖的密度降低，吸水率增加。 从力学性能来看，秸秆渣替代石英砂后填充效果更加明显，加之秸秆渣颗粒表面粗糙，与胶凝材料之间的粘结力更好，因此可以提高路面砖的抗压强度。 但由于秸秆渣细颗粒较多，替代量过大会导致骨料间失去最佳级配，导致抗折强度明显下降。 根据上述实验结果，秸秆渣对石英砂的最大替代量为20%，此时路面砖性能的提高效果最佳。

2.4 路面砖的综合性能测试

根据上述实验结果，确定了优化后的路面砖配合比，即秸秆灰替代10%的水泥，秸秆渣替代20%的石英砂。优化后的配合比为水泥∶秸秆灰∶石英砂∶秸秆渣∶石子=22.5∶2.5∶32∶8∶35。 根据最佳配合比制备的路面砖的吸水率、抗压强度、抗折强度和抗冻性见表2。 表2 同时列出了国家标准中Ce40 的参数。对比国家标准GB 28635-2012《水混凝土路面砖》中相关规定，本实验制备的混凝土路面砖符合Ce40 标准。

表2 秸秆灰-水泥混凝土路面砖的性能Table 2 Performance of straw ash-cement concrete pavement brick

3 结论

本文主要针对生物质热电厂排放的秸秆灰和秸秆渣固体废弃物在混凝土路面砖的应用开展研究，得到如下结论。

①秸秆灰7 d 和28 d 的活性指数分别为96.0%和105.7%，具有较好的火山灰活性；将秸秆灰引入水泥体系可明显降低水泥水化产物中的Ca（OH）2含量，说明秸秆灰中的SiO2和Al2O3组分参与了反应。

②秸秆灰替代部分水泥制备路面砖， 会导致路面砖的干表观密度逐渐下降，吸水率逐渐上升，抗折和抗压强度逐渐下降。 由于路面砖的制备采用了半干法高压压制成型工艺， 秸秆灰替代水泥后对强度的贡献在短龄期内不能完全体现。 使用秸秆灰替代水泥制备的混凝土路面砖在出厂前应尽可能增加养护时间，从而获得更好的力学性能。综合来看， 秸秆灰替代10%的水泥较为合理，最大替代量不宜超过20%。

③利用秸秆渣替代部分细骨料能够提高混凝土路面砖的性能。随着秸秆渣替代量的提高，路面砖的干表观密度逐渐降低，吸水率逐渐升高，抗折强度先降低后升高，抗压强度先升高后降低。综合来看，秸秆渣替代20%的细骨料时对路面砖的性能强化最好。

④在秸秆灰替代10%的水泥， 秸秆渣替代20%的细骨料条件下制备的混凝土路面砖完全符合GB 28635-2012《混凝土路面砖》标准。