生物质焚烧灰渣活性评价及制备生态砌块研究

2023-12-14李邦强

建材世界 2023年6期

李邦强

(中国光大绿色环保有限公司,深圳 518033)

生物质是通过光合作用而产生的各种有机体,经燃烧后产生了生物质灰、渣。据统计,全世界生物质灰、渣的年产量几乎与煤灰相当,约为4.76亿t[1]。但对于生物质灰、渣的处理大部分仍采用土地填埋的方式,从而引发地下水系被污染、扬尘造成空气中悬浮颗粒含量过高等一系列环境问题[2]。研究表明,生物质灰、渣含有大量的碱金属和碱土金属元素,具有与粉煤灰类似的火山灰活性,在建材制备方面极具潜力[3]。但生物质的来源广泛,地域性差异不可避免,并且因其燃料的来源不同以及燃烧的技术条件不同,而具有不同的理化性质[4]。但目前的研究针对性较强[5-7],鲜少有对不同来源的生物质灰、渣的对比性研究,制约了多源生物质灰、渣在建材领域的广泛资源化应用。因此,论文着手于不同地域来源的生物质灰、渣的基本理化特性研究,并据此提出其在各种建材制品中的潜在用途,最后展开分析了生物质灰、渣在生态砌块制备方面的应用。

1 生物质灰、渣的基本理化特性

1.1 颗粒形貌分析

试验所取的10种生物质灰、渣为焚烧秸秆、木板、树皮等所产生的飞灰与炉渣。不同地域的生物质灰、渣的主要燃烧原料、来源及炉型如表1所示。

表1 各种生物质灰、渣的主要燃烧原料、来源及炉型

不同地域的生物质燃烧产生的灰、渣的颗粒形貌如图1所示。由于试验所取生物质原料的差异,生物质灰多呈颗粒较小的粉末状,而生物质渣中含有较多的杂质。如图1所示,1#生物质渣中含少量未燃烧完全的秸秆,3#渣中含少量铁钉和螺栓,5#中含玻璃、铁丝等杂质较多。

图2为五种生物质渣的颗粒级配,具体检测方法为:五种生物质渣各取1 kg,放在振动筛上震动1 min后,称取不同筛网上的筛余计算得出。结果表明,在对生物质渣进行建材(如掺合料)制备时,需磨细处理后再利用,以改善其微集料效应,提高建材强度性能。其中,1#渣的颗粒粒径较大,可以用于部分替代细骨料。3#渣粒径较大,经筛分后可以用来充当混凝土的粗骨料或道路充填材料。

1.2 成分分析

对各种生物质灰、渣的化学成分进行分析,具体检测方法为:将每种灰、渣取样后放入坩埚中在105 ℃下烘干24 h达到绝干,粉磨后过200目筛网,收集4～5 g过筛后的粉末进行XRF分析,得到每种灰、渣的烧失量及化学成分,检测结果如表2所示。由表2可知,各种生物质灰、渣的成分大致相同,主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO以及钾、钠盐类等矿物成分,含量各异。其中,生物质渣中的SiO2、Al2O3、Fe2O3基本都高于生物质灰。这表明生物质渣的火山灰活性将会更高,在进行建材化利用时能够增强灰制品和水泥制品的强度,提高其抗腐蚀能力[8]。

表2 生物质灰、渣化学元素组成 w/%

除2#灰、5#灰和3#灰、渣外,其余灰、渣所含SiO2和Al2O3总量均超过55%,达到《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB/T1596—2017)中C类粉煤灰的要求,均可用于制备活性微粉。但4#灰中Si、Al含量较高,5#生物质灰、渣的K、Na等含量较高,需分别经过水洗脱氯、除碱后再利用。

此外,2#渣是所有灰、渣中硅铝含量最高的,经粉磨预处理后可满足蒸压加气混凝土等产品的需求。但由于其中钙含量较低,需将其脱氯脱碳后再用于制备各类建材。将1#灰进行脱盐处理、2#灰进行高温除碳脱氯后还可用于掺和料制备。

1.3 酸碱性及电导率分析

生物质灰、渣的酸碱度高低直接影响建材制品的耐久性,其酸碱性的具体检测方法为:取烘干生物质灰、渣放入烧杯中,加入水,液固比为10∶1,放入转子在磁力搅拌器上搅拌30 min后过滤出灰、渣得到清液。用pH计与电导率测试仪测出清液pH与电导率,结果见表3。

表3 生物质灰、渣的pH及电导率分析

显然,生物质灰、渣均呈碱性。这是因为生物质灰、渣中含有部分活性CaO,溶于水后形成碱性较强的Ca(OH)2,导致其pH稳定介于9～13之间。将其用于混凝土制备,其碱性将能够促进火山灰反应的进行,生成的C-S-H凝胶有助于密实混凝土的内部结构,提高其强度[9,10]。此外,生物质灰的电导率均高于对应的生物质渣,最高甚至达到20.7。

1.4 潜在水硬性分析

生物质灰、渣原料的潜在水硬性越好,对应的混凝土后期强度也就越高[11]。试验根据GB/T 13957—2005《用于水泥混合材的工业废渣活性检测方法》中要求,依据炉型选取四种生物质灰、渣进行潜在水硬性分析。试饼浸水3 d后,若其边缘保持完整则认为具有潜在水硬性。

试验主要对2#灰、渣和5#灰、渣进行了潜在水硬性的测试,试验见图3。5#渣制备的试饼强度低,在拆模后无法继续维持形状发生开裂,5#灰制备的试饼浸水时在水中散开,可判断5#灰、渣不具备潜在水硬性,而2#灰、渣具备潜在水硬性。

1.5 火山灰活性分析

根据现有研究,焚烧产生的生物质灰将产生一定的游离态硅,其具有的高火山灰活性可以作为与硅灰比拟的混凝土外加剂[12]。依据炉型和Si+Al的总含量选取囊括两种炉型和高中低3种Si+Al总含量生物质灰、渣进行火山灰活性测试,如图4所示。

以总碱度(氢氧根离子浓度)为横坐标,以氧化钙含量为纵坐标,将试验结果点在火山灰活性图上。如果试验点落在图中曲线(40 ℃时氢氧化钙的溶解度曲线)的下方,则认为该混合材料火山灰活性试验合格。如图5所示,只有2#渣的火山灰活性合格,这与2#渣中硅、铝含量最高可能有关。

2 生物质灰、渣的建材资源利用

生物质灰、渣的建材资源化利用方式主要包括以下几个方面:作为硅质原料用于制备加气混凝土,用作再生微粉制备砂浆,代替粉煤灰制备水稳料,替代水泥和骨料制备生态砌块等。该文主要对生物质灰、渣制备生态砌块进行展开介绍。

2.1 试验原料及配比

试验所用生物质灰经120 ℃烘干,球磨40 min后得到。采用的基准水泥为PO 42.5的华新水泥,其CaO、SiO2、Al2O3含量分别为64.419%、21.967%、4.96%。采用一级粉煤灰,其含量最高的是SiO2,Al2O3次之。粗细骨料都为砾石,粗骨料粒径为15～30 mm,细骨料粒径为5～15 mm;砂采用河沙,其粒径在5 mm以下。

试验依据上述理化特性分析,考虑到生物质灰渣的协同利用,基于火山灰活性和颗粒级配结果选取2#生物质灰、渣替代粉煤灰或水泥制备混凝土砖,并探讨了在替代水泥的基础上继续替代集料的可行性。实验方案见表4。

表4 生物质灰替代水泥及集料实验方案 /(kg·m-3)

2.2 强度分析

图6为生物质灰、渣制备混凝土砖的抗压强度。通过1、2组的对比,可以看出当用2#灰全部替代粉煤灰时,试块抗压强度显著提升,增大了4.1 MPa,提升了9.7%。但随着替代比例的增大,从试样2～4的对比可以发现,强度逐渐降低。虽然2#灰具有微集料填充效应,但随着2#灰的掺入,降低了样品中水泥含量,起到一定的稀释效果,基体之间彼此的粘结程度降低,强度得到劣化。

对比第4和5组试样,当用粉磨后的2#渣替代2#灰用作掺合料时,强度提升了8.8%,这主要归因于2#渣相对较高的反应活性,其和水泥水化产物反应生成了更多致密的水化产物C-S-H,提升了基体的强度。此结果也与活性指数测试结果一致。

通过对比4、6和7可以看出当用2#渣替代骨料时随着骨料取代率的增大强度增高。一般而言,骨料强度越高,所制备的混凝土试块强度也会较高。出现这种相反的试验现象可能与2#渣本身的特性相关,虽然本身硬度不够,但一方面其活性较高,另一方面其表面粗糙和相对较高的吸水率有利于与浆体之间更好的粘结,反而提高了试样强度。