秸稈灰渣制備混凝土路面磚的試驗研究

金玉杰

（吉林建筑大學 科技處， 吉林 長春 130118）

0 前言

我國是一個農業大國，每年都會產生大量的農作物秸稈。 作為重要的可再生能源，農作物秸稈的利用得到了社會的高度重視[1]。 在田地焚燒并將灰渣直接還田是秸稈的傳統處理方式，但是，這種處理方式會造成嚴重的空氣污染，特別是在機場或公路附近，焚燒產生的煙霧會導致能見度降低，容易造成交通事故[2]。 隨著國家對環境保護要求的提高，秸稈資源化利用邁上了新臺階。 近年來，以秸稈為燃料的生物質電廠的蓬勃發展標志著秸稈資源化利用的進步[3]。 與燃煤電廠產生爐渣和粉煤灰相類似，生物質熱電廠運行的過程中也會產生大量的秸稈灰和秸稈渣。 我國每年產生的秸稈灰和秸稈渣達到幾千萬噸，隨意地堆棄處理會對周圍環境產生粉塵和土壤污染[4]，[5]。

秸稈灰的主要成分是SiO2，Al2O3和K2O 等。根據其理化特性人們開展了多方面的應用研究，比如制備吸附劑[6]，提取SiO2制備白炭黑[7]，提取水溶鉀[8]，[9]，利用SiO2和Al2O3組分燒制莫來石陶瓷[10]，還可以作為原材料制備復合水泥[11]、堿激發水泥[12]等。 有研究表明，秸稈灰具有火山灰活性，可以直接配制混凝土[13]，[14]。值得注意的是，秸稈灰中含有一定量的未燃炭，作為摻合料時可導致混凝土需水量增加，因此，秸稈灰在混凝土中的應用受到了較大的限制。另外，目前科研工作者對秸稈灰的應用研究較多，但對秸稈渣的應用研究很少。這是因為秸稈渣的粒徑比秸稈灰大、成分復雜、化學反應活性低，綜合利用難度更大。

本文根據秸稈灰的火山灰活性以及秸稈渣的顆粒狀特性，以秸稈灰替代部分水泥，秸稈渣替代部分細骨料，采用半干法高壓壓制成型的方法（避開了秸稈灰中存在的未燃炭會導致混凝土需水量增加的弊病）制備了市場用量大的混凝土路面磚，并將干表觀密度、吸水率、抗壓強度和抗折強度作為評價路面磚性能的主要技術指標。 本研究對秸稈灰與秸稈渣的綜合利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

水泥：實驗所用水泥為亞泰鼎鹿牌，屬于強度等級為42.5 MPa 的普通硅酸鹽水泥。

秸稈灰：秸稈灰取自吉林省蛟河某熱電廠，秸稈灰的化學組成（以質量分數計）為SiO267.81%，Al2O38.44%，CaO 5.45%，K2O 4.92%，Fe2O32.83%，MgO 1.98%，燒失量3.93%；采用N2吸附-脫附法測得秸稈灰的比表面積為10 m2/g；采用球磨機粉磨原狀秸稈灰10 min， 測得其平均粒徑為12.33 μm。 秸稈灰的XRD 圖譜和微觀形貌分別見圖1和圖2。

圖1 秸稈灰的XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of straw ash

圖2 秸稈灰的微觀形貌圖Fig.2 Morphology of straw ash

秸稈渣：秸稈渣取自同一熱電廠，秸稈渣的粒度分布為＜20 目占2.6%，20～40 目占12.1%，40～80 目占72.8%，＞80 目占12.5%。 實驗時人工去除未完全燃燒的生物質秸稈。

粗骨料：實驗使用的粗骨料為建筑用碎石，連續級配，最大粒徑為10 mm。

細骨料：實驗使用的細骨料為建筑用天然砂，細度模數為2.7， 含泥量為0.8%， 泥塊含量為0.6%，其它性能指標符合GB/T 14684-2011《建筑用砂》標準。

所用儀器：UJZ-15 型砂漿攪拌機（浙江上虞市勝飛試驗機械廠）、YAW-600 型壓力試驗機（長春科達試驗機有限公司）、CLD 型全自動低溫凍融試驗機（天津市港源試驗儀器廠）、DX-2700 型X 射線衍射儀（丹東方圓儀器設備有限公司）、IT 300 型掃描電子顯微鏡（日本電子公司）。

1.2 樣品制備及測試方法

秸稈灰的活性指數依據國家標準JG/T486-2015《混凝土用復合摻合料》進行測試。

混凝土路面磚的制備流程：首先將水泥、秸稈灰混合均勻，然后與沙子、石子在砂漿攪拌機中攪拌均勻，加入一定量水后繼續攪拌；接著在壓力機上進行壓制成型， 路面磚尺寸為200 mm×100 mm×60 mm，成型后送至標準養護室進行養護，到達齡期后測試其性能。

對于混凝土路面磚的抗折強度、抗壓強度、吸水率和抗凍性，參照GB 28635-2012《混凝土路面磚》進行測試。

針對浸沒燃燒式氣化器控制系統中溫度參數存在的滯后和干擾問題，以出口溫度為主要被控對象設計控制系統，提出引入Smith預估補償的串級控制方案。主、副回路兩次引入Smith預估補償將副回路的純滯后移到控制系統之外，克服了溫度的純滯后影響，使得控制系統對被控變量的變化具有較好的適應性，能夠大大減少出口溫度波動引起的跳車，優化了控制過程。仿真結果和實際接收站運行結果表明，該控制方案對于SCV的溫度控制改進優化是行之有效的。

混凝土路面磚的基準配比為水泥占25%、石英砂占40%、石子占35%，加水量以水灰比（水與水泥質量比）計算，水灰比為0.33。

2 結果與討論

2.1 秸稈灰活性指數的測試

秸稈灰能否替代部分水泥制備水泥混凝土制品，主要取決于秸稈灰的火山灰活性大小。本實驗根據國家標準JG/T486-2015《混凝土用復合摻合料》測試了原狀秸稈灰和球磨10 min 的磨細秸稈灰的活性指數，以判定秸稈灰的火山灰活性大小，評價秸稈灰替代水泥制備路面磚的可行性。 以秸稈灰替代30%的水泥制備水泥膠砂試樣，測試標準樣品與試驗樣品的7 d 和28 d 抗壓強度， 并計算抗壓強度比。 2 個養護齡期樣品的抗壓強度實驗結果如圖3 所示。

圖3 秸稈灰-水泥膠砂樣品不同養護齡期的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of straw ash-cement mortar samples at different curing ages

根據圖3 的實驗結果并結合活性指數計算公式[活性指數=（受檢膠砂相應齡期的抗壓強度/對比膠砂相應齡期的抗壓強度）×100%]， 可計算出原狀秸稈灰的7 d 和28 d 活性指數分別為85.0%和90.32%，而磨細秸稈灰的7 d 和28 d 活性指數分別為96.0%和105.7%。 上述實驗說明，秸稈灰經球磨后粒徑變小，活性指數也有較大的提高。由國家標準JG/T486-2015 《混凝土用復合摻合料》可知， 當普通型摻合料的7 d 和28 d 活性指數分別大于65%和70%時，普通型摻合料可作為混凝土摻合料。 這說明磨細秸稈灰確實具有較高的火山灰反應活性。為了提高秸稈灰的摻入量，選取磨細秸稈灰進行后續實驗。

為了從微觀方面說明秸稈灰替代水泥的可行性， 實驗制備了純水泥凈漿和磨細秸稈灰-水泥（質量比為3∶7）凈漿，養護一定齡期后測試水化產物的物相組成，從而在微觀方面予以佐證。圖4 顯示了樣品養護3，28，90 d 時的XRD 圖譜。

圖4 秸稈灰-水泥體系水化產物XRD 圖譜Fig.4 XRD pattern of hydration products of straw ash-cement system

從圖4 可以看出，當養護齡期為3 d 時，兩個樣品中主晶相皆由未完全反應的C2S 和石英，以及反應生成的Ca（OH）2組成；當養護齡期為28 d時，純水泥凈漿中仍然有Ca（OH）2存在，但秸稈灰-水泥凈漿樣品中的Ca （OH）2衍射峰已減弱；當養護齡期達到90 d 時， 秸稈灰-水泥凈漿樣品中已無Ca（OH）2衍射峰存在。 從上述XRD 圖譜中可知，秸稈灰（SiO2含量為67%）中確實有活性SiO2與Ca（OH）2發生反應，致使水泥-秸稈灰凈漿樣品中的Ca（OH）2逐漸減小乃至消失。

上述實驗結果表明， 秸稈灰與水泥水化產物Ca（OH）2發生了火山灰反應，使水泥水化產物中的Ca（OH）2含量逐漸減少甚至消失，這也從機理方面解釋了秸稈灰替代水泥的可行性， 為秸稈灰在路面磚中的應用提供了理論支持。

2.2 秸稈灰替代水泥對路面磚性能的影響

本實驗探討了秸稈灰替代水泥量對路面磚干表觀密度、吸水率、抗壓強度與抗折強度的影響，結果（養護28 d 的樣品測試所得）如圖5 所示。

圖5 秸稈灰替代水泥對路面磚性能的影響Fig.5 Effect of straw ash replacing cement on pavement brick performance

從圖5 可以看出：秸稈灰替代水泥后，路面磚的干表觀密度有所下降，而吸水率逐漸上升；當秸稈灰替代40%水泥時，路面磚的干表觀密度降低了6%，而吸水率上升了63%。 這可能是因為秸稈灰顆粒呈不規則狀且有大量孔隙，堆積密度較小，替代水泥后會導致路面磚的干表觀密度下降，吸水率升高。

從圖5 還可以看出：隨著秸稈灰替代水泥量的提高，路面磚的抗折與抗壓強度均有所下降；當秸稈灰替代40%水泥時，路面磚的抗折強度降低了27.83%，抗壓強度降低了25.68%。 這與前面測試火山灰活性時的實驗結果差異較大。 可能是因為膠砂試樣采用振蕩成型，水灰比為0.5，水泥顆粒周圍有大量的自由水存在，有利于水泥的水化，秸稈灰的水化是在水泥水化產生大量Ca（OH）2的前提下進行。 而路面磚采用半干法高壓壓制成型，水灰比僅為0.33，而且密實度高。 低水灰比條件影響了水泥水化的速度， 從而影響了秸稈灰的火山灰活性。

為了研究養護齡期對路面磚力學性能的影響， 本實驗對秸稈灰替代水泥后不同養護齡期的路面磚的力學性能進行了測試，結果如表1 所示。

表1 秸稈灰替代水泥后，路面磚在不同養護齡期下的力學性能Table 1 Mechanical properties of pavement bricks with straw ash replacing cement at different curing ages

由表1 可知：延長路面磚的養護齡期后，秸稈灰替代水泥制備的路面磚的力學性能仍有較好的增長；與養護齡期為28 d 的路面磚相比，養護齡期為90 d 的純水泥標準樣的抗壓強度增加了6%，而秸稈灰替代20%水泥樣品的抗壓強度提高了16.6%； 秸稈灰替代20%水泥樣品養護90 d后，抗壓強度比達到了95.4%。上述實驗結果驗證了前面的分析，這說明在短齡期下，秸稈灰替代水泥后的強度貢獻并未充分體現出來。 使用秸稈灰替代水泥制備的混凝土路面磚在出廠前應盡可能增加養護時間，以獲得更好的力學性能。

綜合吸水率、力學性能的實驗結果，參考建筑行業普遍采用28 d 養護齡期的慣例，后續實驗以秸稈灰替代10%的水泥進行。

2.3 秸稈渣替代細骨料對路面磚性能的影響

秸稈渣中40～80 目的顆粒占到70%以上，因此，秸稈渣可替代部分細骨料制備路面磚，在路面磚內起到填充的作用。 本實驗以秸稈渣替代細骨料（石英砂）制備路面磚，分別測試替代量對路面磚干表觀密度、吸水率、抗壓強度與抗折強度的影響，結果如圖6 所示。

圖6 秸稈渣替代細骨料對路面磚性能的影響Fig.6 Effect of straw slag replacing fine aggregate on pavement brick performance

從圖6 可以看出： 隨著秸稈渣替代細骨料比例的提高，路面磚的干表觀密度逐漸下降，而吸水率逐漸升高，路面磚的抗折強度先下降后升高，而抗壓強度先升高后下降；當秸稈渣替代10%的細骨料時，路面磚的抗折強度下降了5.44%，抗壓強度增加了18.05%； 當秸稈渣替代20%的細骨料時，路面磚的抗折強度增加了4.92%，抗壓強度增加了6.69%。 當秸稈渣對細骨料的替代量超過20%后，雖然路面磚的抗壓強度仍有提高，但抗折強度已經低于標準樣品。

秸稈渣替代細骨料后，由于其自身堆積密度比石英砂小，且部分顆粒呈多孔性，導致路面磚的密度降低，吸水率增加。 從力學性能來看，秸稈渣替代石英砂后填充效果更加明顯，加之秸稈渣顆粒表面粗糙，與膠凝材料之間的粘結力更好，因此可以提高路面磚的抗壓強度。 但由于秸稈渣細顆粒較多，替代量過大會導致骨料間失去最佳級配，導致抗折強度明顯下降。 根據上述實驗結果，秸稈渣對石英砂的最大替代量為20%，此時路面磚性能的提高效果最佳。

2.4 路面磚的綜合性能測試

根據上述實驗結果，確定了優化后的路面磚配合比，即秸稈灰替代10%的水泥，秸稈渣替代20%的石英砂。優化后的配合比為水泥∶秸稈灰∶石英砂∶秸稈渣∶石子=22.5∶2.5∶32∶8∶35。 根據最佳配合比制備的路面磚的吸水率、抗壓強度、抗折強度和抗凍性見表2。 表2 同時列出了國家標準中Ce40 的參數。對比國家標準GB 28635-2012《水混凝土路面磚》中相關規定，本實驗制備的混凝土路面磚符合Ce40 標準。

表2 秸稈灰-水泥混凝土路面磚的性能Table 2 Performance of straw ash-cement concrete pavement brick

3 結論

本文主要針對生物質熱電廠排放的秸稈灰和秸稈渣固體廢棄物在混凝土路面磚的應用開展研究，得到如下結論。

①秸稈灰7 d 和28 d 的活性指數分別為96.0%和105.7%，具有較好的火山灰活性；將秸稈灰引入水泥體系可明顯降低水泥水化產物中的Ca（OH）2含量，說明秸稈灰中的SiO2和Al2O3組分參與了反應。

②秸稈灰替代部分水泥制備路面磚， 會導致路面磚的干表觀密度逐漸下降，吸水率逐漸上升，抗折和抗壓強度逐漸下降。 由于路面磚的制備采用了半干法高壓壓制成型工藝， 秸稈灰替代水泥后對強度的貢獻在短齡期內不能完全體現。 使用秸稈灰替代水泥制備的混凝土路面磚在出廠前應盡可能增加養護時間，從而獲得更好的力學性能。綜合來看， 秸稈灰替代10%的水泥較為合理，最大替代量不宜超過20%。

③利用秸稈渣替代部分細骨料能夠提高混凝土路面磚的性能。隨著秸稈渣替代量的提高，路面磚的干表觀密度逐漸降低，吸水率逐漸升高，抗折強度先降低后升高，抗壓強度先升高后降低。綜合來看，秸稈渣替代20%的細骨料時對路面磚的性能強化最好。

④在秸稈灰替代10%的水泥， 秸稈渣替代20%的細骨料條件下制備的混凝土路面磚完全符合GB 28635-2012《混凝土路面磚》標準。