不同种类生物质灰对混凝土力学性能影响研究

2023-11-29谢明轩

水泥技术 2023年6期

谢明轩

1 引言

随着社会经济的发展，能源与环境问题愈发凸显，环境友好型原料制备结构功能材料越发受到各行业的广泛关注。ASTM 标准（美国材料实验协会标准）及其他国家相关标准中均对非煤燃烧材料的使用提出了严格要求，采用农业生物质（秸秆、木材等）配合粉煤灰制备建材已逐步成为研究热点[1]。《京都议定书》中，明确提出针对六种温室气体进行削减，包括：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）。水泥行业是全球二氧化碳排放的重点行业，世界各国鼓励水泥行业在生产过程中减少二氧化碳的排放。中国混凝土与水泥制品协会在《低碳环保要求下的水泥混凝土创新》中估算，到2050 年，全球水泥预计产量增加2.5 倍，意味着全球人为二氧化碳排放量将会持续增加。采用生物质作为原料替代部分水泥用于混凝土生产，是降低水泥消耗、减少二氧化碳排放的一种解决方案。

生物质的来源主要包括森林残留物、农业残留物和其他生物质资源，全球每年约产生上千亿吨生物质。将生物质与煤一同作为燃料燃烧是最经济有效的可再生能源生产方式之一。通常在传统的大型燃煤锅炉中，生物质的添加量＜10%。燃煤锅炉中，使用的煤炭总量越高，所掺入的生物质基数也越高，通过规模化利用，可以直观展现可再生能源的优势，具有显著的社会与经济效益。有研究表明[2-3]，含生物质燃烧灰砂浆制备的混凝土，其力学性能与普通混凝土相似。

通常，生物质燃烧灰中的钠、钾含量高于粉煤灰，氧化铝含量少于粉煤灰[4]，无机材料的成分和含量的变化波动大于粉煤灰。即使是相同类型的生物质，对应燃烧灰的性质也因气候、季节、储存方式和地理来源等不同而有所差异。许多生物质燃烧灰具有与粉煤灰相似的火山灰性质，如稻壳、木材、麦秸秆、甘蔗秸秆等的燃烧灰，在作为矿物添加剂加入到混凝土材料中时，可提高混凝土的性能[5-6]。

中国作为建筑大国，需大量混凝土建材满足经济建设需要，同时，中国作为农业大国，农业产生的数量庞大的生物质资源亟待利用[7]，因此，研究生物质原料替代部分水泥制备混凝土显得尤为重要。本文以不同类型生物质燃料灰和含生物质粉煤灰为掺合料制备混凝土，通过设置不同试验组及制备不同的混凝土试样，研究了不同生物质材料对混凝土需水量及力学性能的影响，评估了生物质掺杂替代部分水泥，用于制备混凝土的可行性。

2 试验原料制备及分析

在混凝土中可利用的粉煤灰包括ASTM 等现行标准规定的C 级粉煤灰和F 级粉煤灰。该分类依据于粉煤灰中所含二氧化硅+氧化铝+三氧化二铁的总量。粉煤灰的组成与燃料灰有较大差异，这主要是由于SO3的存在[8]。

本试验所用粉煤灰和生物质燃料灰包括：C类粉煤灰、F 类粉煤灰、秸秆燃烧灰和木材燃烧灰。由于木材灰分低且在煤中的掺加量占比少，无法进行准确试验，采用燃煤电厂的20%（wt）木材燃烧灰与80wt%C 级或80wt%F 级粉煤灰混合，并分别命名为木材燃烧灰1和木材燃烧灰2。木材燃烧灰团聚严重，为了保证更好的混合效果，木材燃烧灰在进行试验前，全部通过ASTM #10 筛子（筛孔0.2cm）。不同级别粉煤灰与生物质燃烧灰的化学成分存在差异，其元素分析及烧失量分析见表1。

表1 粉煤灰、生物质灰的元素分析及烧失量分析，%

本试验所使用的硅酸盐水泥I、II均符合ASTM C-150标准。粗骨料按ASTM C-33 99a进行筛分，重量百分比分别为45%（1.27～2.54cm）、45%（0.95～1.27cm）、9.5%（0.48～0.95cm）和0.5%（0.24～0.48cm）。试验所用其他材料为细骨料（砂）、水和空气表面活性剂。试验材料制备混凝土掺混比例如下：水与总胶凝材料（水泥+粉煤灰）质量比为0.5，粉煤灰与水泥质量比为1∶3，细骨料的质量根据胶凝材料和水的质量进行调整，通过试验，使混凝土坍落度和空气含量处于合理范围内。制备混凝土时，水泥和粉煤灰经人工混合后，放入机械搅拌机中充分混合。木材燃烧灰不易与其他材料混合，需提前过筛并强化搅拌，以形成均匀的样品。

3 结果与讨论

3.1 不同生物质原料对混凝土需水量的影响

混凝土主要由普通硅酸盐水泥、砂子、碎石（≤10mm）、外加剂、掺合料和水等组成。水是混凝土中必不可少的组成部分，适量的水是混凝土完成水化反应、实现预期混凝土性能的必要条件，同时，生物质燃烧灰作为混凝土掺合料时，其火山灰性质也需要在水的作用下才能实现。混凝土需水量直观体现了混凝土原料的粒度及孔隙情况。一方面，当混凝土原料粒度较细时，其具有较大的比表面积，会增加其表面吸水性。另一方面，粉煤灰或生物质灰作掺合料时，粉煤灰或生物质灰的细粒度可以填充水泥与粉煤灰或生物质灰的缝隙，进而减少混凝土需水量。因此，当试验组混凝土的需水量与空白对照组混凝土的需水量相似时，表明试验组混凝土的粒度与孔隙情况较为符合理想状态。

图1为不同原料试样制备混凝土的需水量平均值。除木材燃烧灰外，其他试样混合物混凝土的需水量与纯水泥混合物混凝土相似或更低。木材燃烧灰具有不规则的颗粒形状、高孔隙度（图2）和较高的烧失量（表1），因此，所制备的混凝土需水量较高。高温处理后的粉煤灰产生的孔隙少的球形颗粒具有填充作用，增加了混凝土的流动性，减少了混凝土的需水量，导致粉煤灰混凝土的需水量普遍较低。粉煤灰替代水泥的比例越高，混凝土达到相似性能的需水量越大。试验结果表明，采用生物质灰掺配粉煤灰制备混凝土的需水量与普通混凝土需水量相似，生物质掺杂用于制备混凝土在粒度与孔隙方面具有可替代性。

图1 不同原料试样制备混凝土的需水量平均值

图2 木材燃烧灰的扫描电镜图SEM（多孔和团聚形态）

3.2 不同生物质原料对混凝土抗压强度的影响

对不同试样制备的混凝土材料进行抗压强度检测，检测方法如下：固化抗压试验待测样品，测试试验样品混凝土1、3、7、28、56d抗压强度。本次抗压强度检测设备采用136t级试验机，试验机平行检测3 次，提供平均数据，确保试验结果在合理的置信区间内。

图3为不同试样制备的混凝土抗压强度随时间的变化情况。由图3可以看出，纯水泥混合物混凝土前7d抗压强度最高，除木材燃烧灰外，其余生物质燃烧灰的28～56d 抗压强度基本与纯水泥相当，表明生物质燃烧灰对抗压强度早期强度的促进作用不大，但对于晚期强度的补强发挥着重要作用。普通混凝土抗压强度主要取决于水泥凝胶与骨料间的粘结力，生物质燃烧灰替代部分水泥制备混凝土试样，其中的矿化物质起到了与常规原料类似的胶凝和水化作用。一般情况下，粗骨料的强度高于水泥强度和水泥与骨料间的粘结力，因此，粗骨料强度对混凝土强度不会有大的影响，但如果粗骨料中含有大量的软弱颗粒、针片状颗粒以及粗骨料中泥块含量、有机质含量、硫化物及硫酸盐含量等较高时，则会对混凝土强度产生不良影响。

图3 不同试样制备的混凝土抗压强度随时间的变化情况

木材燃烧灰与秸秆燃烧灰的抗压强度结果表明：木材和秸秆等生物质燃烧产生的燃烧灰具有火山灰特性，这与稻壳、麦秸秆和甘蔗秸秆灰分的研究一致[10]；木材和秸秆燃烧灰不同程度地影响混凝土材料抗压强度，采用木材燃烧灰制备的混凝土试样，抗压强度略低，但能够满足混凝土抗压强度要求。如前所述，木材燃烧灰混合物混凝土抗压强度低是由于木材燃烧灰具有较大的粒径，在形成稳定力学结构上存在孔隙缺陷。

3.3 不同生物质原料对混凝土抗弯强度的影响

对不同试样制备的混凝土材料进行抗弯强度检测，检测方法如下：固化弯曲试验待测样品，固化时间为56d，其他试验条件与抗压强度试验条件一致。采用136t级试验机提供分析检测数据，确保试验结果在合理的置信区间内。

图4显示了固化56d不同试样制备的混凝土材料的抗弯强度结果。在生物质燃烧灰中，除纯木材燃烧灰外，其余试验组的56d抗弯强度均与纯水泥混合物混凝土数值相当。抗弯强度是混凝土性能的重要控制指标，该数值是否满足设计要求，将直接影响混凝土整体质量和使用寿命。生物质灰作为水泥替代原料制备混凝土试样，其中的矿化物质起到了与常规原料类似的胶凝和水化作用，与纯粉煤灰的生物质灰没有显著的差异。该试验中的木材燃烧灰混合物混凝土的抗弯性能与其低抗压强度一致，是由于大粒径会影响其抗弯强度[11]。该试验结果表明，生物质作为替代原料制备混凝土的抗弯强度可以满足设计要求。