廢棄生物質材料在混凝土中的應用的研究進展

(重慶交通大學 重慶 400000)

一、引言

近年來，隨著對環境的污染問題的關注越來越多，在各行業盡量實現綠色、可持續發展的要求迫切的環境下，學者們開始關注秸稈、稻殼灰等廢棄生物質材料的處置問題。在我國，秸稈的年產量已達到7億t[1],居世界第一位，但是目前秸稈的利用率還相當低，對秸稈的處置主要是兩個方面：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焚燒發電。將廢棄生物質材料應用到混凝土中也是一種處置方法，而且廢棄生物材料會改變混凝土的一些性能。

二、廢棄生物質材料處理方法

目前在混凝土中應用的廢棄生物質材料主要包括秸稈、木料等。在將廢棄材料應用到混凝土中之前，需要對其進行簡單地處理，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混凝土影響

桿狀稻草秸稈抗拉能力比絲狀稻草秸稈強[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，能提高建筑物的抗震性能；稻草秸稈的加入對混凝土的基本力學性能改善不明顯。

孫婧等[4]將玉米秸稈、浮石以及水泥復合制成新型節能環?；炷?，薄層裹覆預處理后可以封閉玉米秸稈的孔洞，有效減少了糖類和木質素的析出，保證了混凝土的硬化成型；摻入30%塊狀玉米秸稈28d抗壓強度為13MPa，滿足輕質保溫材料應用的要求。

劉巧玲等[5]的研究中將油菜秸稈摻入到混凝土中，得出結論當將含水率36%的2.0cm長度油菜秸稈碎料以5%的比例摻入到混凝土中時，可以增強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度；摻入麥秸的混凝土多孔磚具有可行性，但強度仍要提高。

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性能，結果表明：稻殼混凝土有一定的自養護能力；當水灰比為0.45～0.50時，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混凝土影響

廢棄生物質材料經過高溫長時焚燒后，其二氧化硅的含量可達到65%～90%，且具有活性，大部分研究已經證明了生物質灰材料摻入混凝土后可以改善混凝土的強度等性能，其主要的原因是摻入生物質灰材料后混凝土中的C-S-H增多，因此生物質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行研究，研究結果表示：最佳適宜情況為在混凝土中摻入20%油菜秸稈灰，當水灰比為0.5時，混凝土的強度為13.7MPa。張強的研究基于劉巧玲的研究展開，他在混凝土中同時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，改善油菜秸稈灰混凝土早期強度較低的缺陷，提高混凝土的力學性能。

余其俊、萬慧文、馮慶革等將活性稻殼灰添加入混凝土中進行研究，余其俊發現稻殼灰的摻量越高，水膠比越大不僅會有效提高混凝土的強度，還能增強混凝土的抗侵蝕能力、抗氧化性和抗滲能力等。萬慧文在研究中加入混凝土自密實性的研究，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性，萬慧文的研究表明：稻殼灰中具有高活性的二氧化硅，摻入混凝土后自密性達到二級指標的要求，混凝土體積穩定性良好；摻入稻草灰使得混凝土的結構變得更加密實，此時的混凝土中具有更高的強度和抗碳化能力。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構，空隙明顯細化，小于20nm的空隙明顯增多，從而使混凝土的抗壓強度得到相應的改善。

Rafat Siddique將木灰添加混凝土中并對其進行了研究，研究結果表明在初期時混凝土的力學性能隨著木灰的摻量的增加而有所減弱，由于火山灰效應混凝土力學性隨著時間的增加會逐漸的增強。Weerachart Tangchirapat等人將棕櫚油工業的燃料廢灰添加入混凝土中，研究表明：雖然摻入廢灰后會延長凝固時間，但是摻入20%15.9μm級廢灰和30%7.4μm級廢灰的混凝土是普通混凝土的良好替代品。

五、廢棄生物質材料混凝土的保溫性能

秸稈、稻草等材料的熱傳導系數比較低，運用到混凝土等建筑材料中會在一定程度上降低混凝土的熱傳導系數，因此許多研究者還針對廢棄生物質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熱系數為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系數可低至0.37W/(m·K)；張文郁的研究中，稻殼摻量對混凝土的導熱系數影響相當大，在摻入10.5%稻殼時，混凝土的導熱系數降低至0.2453W/(m·K)。由此可以得出結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、結論

(1)使用規范方面目前還沒有標準的在混凝土中添加生物質材料的添加標準來指導進一步的研究，依舊需要做大量的研究工作來推動研究的發展。

(2)研究方法方面現階段的研究范圍還比較窄，基本都是針對一種添加物而進行的研究。物理處理后的廢棄生物質混泥土雖然保溫性能良好，但是其強度較低；而焚燒處理后的廢棄生物質灰混凝土的強度得到了很好的保證，而對其導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混凝土強度進行，方法有：將廢棄生物質材料預處理，增強其表面與混凝土之間的連接關系；或是將廢棄生物質灰摻混到其中等。也可以真對不同的需求，在廢棄生物質灰混凝土中添加材料改變混凝土的導熱性能等。還可以將不同種類的廢棄生物質材料摻混到一起拌入混凝土中進行研究。

【參考文獻】

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

[2]李超飛，蘇友文，陳國平，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合混凝土的試驗研究[J].混凝土，2013(7):138-140.

[5]劉巧玲，劉保華，張強.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.麥秸混凝土力學的性能試驗研究[J].河南科學，2007，25(3):442-445.

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

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