廢棄生物質(zhì)材料在混凝土中的應(yīng)用的研究進(jìn)展

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

一、引言

近年來(lái)，隨著對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題的關(guān)注越來(lái)越多，在各行業(yè)盡量實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的要求迫切的環(huán)境下，學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注秸稈、稻殼灰等廢棄生物質(zhì)材料的處置問(wèn)題。在我國(guó)，秸稈的年產(chǎn)量已達(dá)到7億t[1],居世界第一位，但是目前秸稈的利用率還相當(dāng)?shù)停瑢?duì)秸稈的處置主要是兩個(gè)方面：一是絕大部分直接在田間焚燒隨意掩埋；二是很少量用于電廠(chǎng)焚燒發(fā)電。將廢棄生物質(zhì)材料應(yīng)用到混凝土中也是一種處置方法，而且廢棄生物材料會(huì)改變混凝土的一些性能。

二、廢棄生物質(zhì)材料處理方法

目前在混凝土中應(yīng)用的廢棄生物質(zhì)材料主要包括秸稈、木料等。在將廢棄材料應(yīng)用到混凝土中之前，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地處理，一般分為物理處理和焚燒處理：(1)物理處理：裁剪成桿狀；處理成纖維狀(絲狀)；制成壓縮塊。(2)焚燒處理，即將材料在高溫爐火中焚燒至灰狀。

三、物理處理后的廢棄材料對(duì)混凝土影響

桿狀稻草秸稈抗拉能力比絲狀稻草秸稈強(qiáng)[3],李超飛等[2]在混凝土中摻入桿狀稻草秸稈要比絲狀稻草秸稈效果好；稻草混凝土自重低、抗裂性較強(qiáng)，能提高建筑物的抗震性能；稻草秸稈的加入對(duì)混凝土的基本力學(xué)性能改善不明顯。

孫婧等[4]將玉米秸稈、浮石以及水泥復(fù)合制成新型節(jié)能環(huán)保混凝土，薄層裹覆預(yù)處理后可以封閉玉米秸稈的孔洞，有效減少了糖類(lèi)和木質(zhì)素的析出，保證了混凝土的硬化成型；摻入30%塊狀玉米秸稈28d抗壓強(qiáng)度為13MPa，滿(mǎn)足輕質(zhì)保溫材料應(yīng)用的要求。

劉巧玲等[5]的研究中將油菜秸稈摻入到混凝土中，得出結(jié)論當(dāng)將含水率36%的2.0cm長(zhǎng)度油菜秸稈碎料以5%的比例摻入到混凝土中時(shí)，可以增強(qiáng)混凝土各物料的連接，提高混凝土的塑性，延緩極限承載狀態(tài)下混凝土外觀碎裂，有效的防止了混凝土碎塊飛濺。

王俊林等[6]研究了將麥秸摻入混凝土后混凝土的力學(xué)性能，研究表明：在混凝土中加入適量的CaCl2可以提高混凝土的強(qiáng)度；摻入麥秸的混凝土多孔磚具有可行性，但強(qiáng)度仍要提高。

謝瓊等[7-8]將稻殼直接摻入混凝土中研究就混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：稻殼混凝土有一定的自養(yǎng)護(hù)能力；當(dāng)水灰比為0.45～0.50時(shí)，摻10.5%稻殼，并加入稻殼耦合劑的量為40%是，稻殼混凝土的各種性能都得到很好的發(fā)揮；添加稻殼耦合劑能有效地改善混凝土的性能。

四、焚燒處理后的廢棄材料對(duì)混凝土影響

廢棄生物質(zhì)材料經(jīng)過(guò)高溫長(zhǎng)時(shí)焚燒后，其二氧化硅的含量可達(dá)到65%～90%，且具有活性，大部分研究已經(jīng)證明了生物質(zhì)灰材料摻入混凝土后可以改善混凝土的強(qiáng)度等性能，其主要的原因是摻入生物質(zhì)灰材料后混凝土中的C-S-H增多，因此生物質(zhì)灰是很好的混凝土添加材料。

劉巧玲將油菜秸稈在500℃下高溫焚燒5h，然后將其摻入混凝土后進(jìn)行研究，研究結(jié)果表示：最佳適宜情況為在混凝土中摻入20%油菜秸稈灰，當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，混凝土的強(qiáng)度為13.7MPa。張強(qiáng)的研究基于劉巧玲的研究展開(kāi)，他在混凝土中同時(shí)摻入了油菜秸稈灰以及硅粉，利用硅粉的高火山灰活性和填充效應(yīng)，改善油菜秸稈灰混凝土早期強(qiáng)度較低的缺陷，提高混凝土的力學(xué)性能。

余其俊、萬(wàn)慧文、馮慶革等將活性稻殼灰添加入混凝土中進(jìn)行研究，余其俊發(fā)現(xiàn)稻殼灰的摻量越高，水膠比越大不僅會(huì)有效提高混凝土的強(qiáng)度，還能增強(qiáng)混凝土的抗侵蝕能力、抗氧化性和抗?jié)B能力等。萬(wàn)慧文在研究中加入混凝土自密實(shí)性的研究，在此之前有研究表明礦物摻合料可以提高混凝土拌合物的流動(dòng)性，萬(wàn)慧文的研究表明：稻殼灰中具有高活性的二氧化硅，摻入混凝土后自密性達(dá)到二級(jí)指標(biāo)的要求，混凝土體積穩(wěn)定性良好；摻入稻草灰使得混凝土的結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，此時(shí)的混凝土中具有更高的強(qiáng)度和抗碳化能力。在馮慶革的研究中也表明，稻殼灰的摻入改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，空隙明顯細(xì)化，小于20nm的空隙明顯增多，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到相應(yīng)的改善。

Rafat Siddique將木灰添加混凝土中并對(duì)其進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明在初期時(shí)混凝土的力學(xué)性能隨著木灰的摻量的增加而有所減弱，由于火山灰效應(yīng)混凝土力學(xué)性隨著時(shí)間的增加會(huì)逐漸的增強(qiáng)。Weerachart Tangchirapat等人將棕櫚油工業(yè)的燃料廢灰添加入混凝土中，研究表明：雖然摻入廢灰后會(huì)延長(zhǎng)凝固時(shí)間，但是摻入20%15.9μm級(jí)廢灰和30%7.4μm級(jí)廢灰的混凝土是普通混凝土的良好替代品。

五、廢棄生物質(zhì)材料混凝土的保溫性能

秸稈、稻草等材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較低，運(yùn)用到混凝土等建筑材料中會(huì)在一定程度上降低混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此許多研究者還針對(duì)廢棄生物質(zhì)材料混凝土的保溫性能做了大量研究。范軍的研究中表明，用麥秸制成的秸稈混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)為1.08W/(m·K)比原本的空心混凝土砌塊的1.56W/(m·K)減少了31.2%；孫婧的研究表明，玉米秸稈浮石混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)可低至0.37W/(m·K)；張文郁的研究中，稻殼摻量對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響相當(dāng)大，在摻入10.5%稻殼時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低至0.2453W/(m·K)。由此可以得出結(jié)論秸稈混凝土和稻殼混凝土是就有良好保溫性能的保溫建筑材料。

六、結(jié)論

(1)使用規(guī)范方面目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的在混凝土中添加生物質(zhì)材料的添加標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)進(jìn)一步的研究，依舊需要做大量的研究工作來(lái)推動(dòng)研究的發(fā)展。

(2)研究方法方面現(xiàn)階段的研究范圍還比較窄，基本都是針對(duì)一種添加物而進(jìn)行的研究。物理處理后的廢棄生物質(zhì)混泥土雖然保溫性能良好，但是其強(qiáng)度較低；而焚燒處理后的廢棄生物質(zhì)灰混凝土的強(qiáng)度得到了很好的保證，而對(duì)其導(dǎo)熱性能的研究還不足。今后的研究可以就提高物理處理廢棄生物質(zhì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行，方法有：將廢棄生物質(zhì)材料預(yù)處理，增強(qiáng)其表面與混凝土之間的連接關(guān)系；或是將廢棄生物質(zhì)灰摻混到其中等。也可以真對(duì)不同的需求，在廢棄生物質(zhì)灰混凝土中添加材料改變混凝土的導(dǎo)熱性能等。還可以將不同種類(lèi)的廢棄生物質(zhì)材料摻混到一起拌入混凝土中進(jìn)行研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉巧玲，劉保華.秸稈基建材研究現(xiàn)狀[J].生物災(zāi)害科學(xué)，2013，36(4):448-450.

[2]李超飛，蘇友文，陳國(guó)平，等.稻草纖維混凝土性能研究[J].混凝土，2013(10):30-33.

[3]Nordtest NT Build 361-1999,Concrete,hardened:water-cement ratio[S].

[4]孫婧，麻建鎖，蔡煥琴等.利用玉米秸稈制備浮石復(fù)合混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2013(7):138-140.

[5]劉巧玲，劉保華，張強(qiáng).油菜秸稈纖維混凝土性能研究[J].混凝土與水泥制品，2012(12):51-53.

[6]王俊林，劉磊，馬艷.麥秸混凝土力學(xué)的性能試驗(yàn)研究[J].河南科學(xué)，2007，25(3):442-445.

[7]謝瓊，婁宗科.稻殼混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2008(5):73-75.

[8]張文郁、婁宗科.稻殼混凝土熱學(xué)與力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].混凝土，2009(8):56-58.