低碳背景下土木工程實踐教學
——稻殼資源化利用實驗分析與探討

江飛飛, 馬 劍, 王佳雷

(江蘇科技大學蘇州理工學院, 江蘇張家港 215600)

土木工程實驗是理論教學的重要組成部分，通過實驗可以幫助學生進一步理解理論知識，掌握實驗操作的技能與方法，提高學生的動手能力和創新思維能力。近些年，在“碳中和”的大背景下，未來能源和節能減排逐漸成為研究熱點，水泥行業的碳排放約占我國總排放的20%，低碳水泥基膠凝體系的開發逐漸成為未來土木材料的新方向。

本研究旨在打破傳統以教師講授和演示為主的模式，擺脫學生在實驗課上對教師的過分依賴。轉變思路，采取以學生為主，教師為輔的實驗教學模式，讓學生由被動接受轉變為主動探究，提高學生做實驗的積極性，培養學生獨立工作與思考能力。下面詳細介紹該實驗的主要環節和實施情況。

1 稻殼資源化

據統計，每生產1 t水泥熟料，需要消耗0.2 t的煤炭，同時產生2 t的氮硫化物和二氧化碳。因此，在混凝土中，尋找綠色環保的膠凝材料部分替代水泥，減小水泥用量，從而實現節能減排以及土木行業可持續發展成為了當前面臨的迫切問題。

稻殼是水稻加工時的廢棄物，約占稻谷總質量的1/5，我國每年約產生4 000 t的稻殼。稻殼質地堅硬，含有大量的無定形硅，不易被環境中的細菌分解，隨意丟棄易造成環境污染。而將稻殼在通過合理的煅燒制度可生產得到高品質的稻殼灰，具有較高的火山灰活性及特有的顆粒特性，可有效提高水泥基材料強度及增長。

2 實驗方案

2.1 實驗原理

稻殼灰的品質主要取決于碳含量和非晶態SiO2含量，非晶相含量決定了稻殼灰的化學反應程度，煅燒前的酸浸預處理是稻殼灰獲得高含量無定型SiO2的關鍵，酸處理后可去除稻殼中的晶化催化劑，降低燃燒過程中SiO2的結晶度。稻殼中含有大量Na、K等堿金屬離子，會與SiO2發生共晶反應形成低熔點鹽包裹在碳的表面，阻礙碳與氧氣的接觸，使其無法完全燃燒，酸處理能夠有效去除稻殼中的堿金屬離子，避免碳的不完全燃燒，且堿金屬離子的減少也能夠使稻殼灰用于水泥基材料中減少堿硅酸、堿骨料反應。本實驗采用酸預處理稻殼，參考相關文獻的煅燒制度，自制高活性稻殼灰，以提高稻殼灰的品質，并用于水泥基膠凝體系改善其宏觀性能。

2.2 實驗步驟

(1)稻殼攪碎、磨細成稻殼粉，采用質量濃度為2.5%的稀鹽酸作為預處理劑浸泡稻殼粉，固液比為1∶10，預處理時間為1 h，每20 min攪拌一次使稻殼粉充分酸化。

(2)預處理結束后采用80目不銹鋼網篩過濾，用清水反復沖洗、過濾3遍，將酸化后的稻殼粉放入烘干箱烘干至塊狀，采用破碎機對塊體破碎成粉。

(3)將裝有一定量稻殼粉的坩堝放入馬弗爐中進行加熱，由常溫至600 ℃升溫1 h，保溫0.5 h，反復煅燒3次得到白色稻殼灰。詳細制備過程如圖1所示。

圖1 稻殼灰預處理及加工過程

2.3 性能測定

X射線熒光分析用于確定粉體中元素的種類和含量，將待測樣品用瑪瑙研缽粉磨后，采用型號為Axios mAX的X射線熒光光譜儀進行測試，得到物質的元素質量比或氧化物的質量比。

采用動態色譜法測量氮氣吸附量，根據氮氣等溫吸附或脫附曲線，得到樣品的比表面積。在進行吸附測量之前應通過“脫氣”除去吸附劑表面的物理吸附物質，先將待測粉體樣品裝在U型的樣品管內，使含有一定比例吸附質的混合氣體流過樣品，根據吸附前后氣體濃度變化來確定被測樣品對吸附質分子(N2)的吸附量。通過測定氮氣分壓p/p0下樣品吸附氮氣量可繪制出氮氣等溫吸附或脫附曲線，從而求得樣品的比表面積或孔徑分布。

采用JSM-6700F掃描電鏡觀測稻殼灰粉體顆粒的表面形貌及孔隙特征，為避免粉體高真空下被抽走，并增強粉體顆粒導電性，對稻殼灰進行噴金處理，真空條件為5×10-5Pa，工作電壓為20 kV。

3 實驗結果與分析

3.1 化學成分分析

從圖2可以看出，普通稻殼灰成黑色，含有大量碳，而酸處理得到的稻殼灰呈純白色，表明稀酸預處理方式有效降低了稻殼灰中的碳含量。從表1可以知道，稻殼灰主要成分SiO2含量為78.25%，從圖3(a)中可以看出，SiO2主要為方石英，在2θ為21.98°、28.44°、31.46°和36.08°出現SiO2結晶相特征峰，晶面分別為101、111、102和200，采用Jade軟件計算得到稻殼灰結晶度為47.73%。由圖3(b)可知，稀鹽酸預處理得到的稻殼灰在對應SiO2衍射角的位置出現了較寬的峰包，表明稻殼灰中以活性物質非晶態SiO2為主要物相，酸處理大大提高了稻殼灰的活性。

圖2 稻殼灰預處理前后的外觀形貌對比

表1 稀鹽酸處理前后稻殼灰的化學組成 單位：%

圖3 稻殼灰的XRD圖譜

3.2 孔結構

采用BET氮吸附法測得的比表面積為207.8 m2/g，采用BJH法得到稻殼灰孔體積分布的吸附等溫線中，在4～5 nm出現假峰，因此采用脫附曲線計算稻殼灰的孔體積分布，如圖4所示，根據單位質量累計孔體積的計算，得到稻殼灰的孔隙率為67.04%。

圖4 稻殼灰的孔體積分布

由氮吸附法測得的比表面積，通常對于多孔硬化水泥基材料為內表面積，對于粉體材料為外表面積，由于稻殼灰的多孔結構提供了更多的內表面，測得的比表面積為內表面積和外表面積之和，因此，稻殼灰的比表面積遠大于水泥和。氮吸附法主要測試材料的微孔孔徑分布，測量最大上限為500 nm，而實際測量只能達到100～200 nm，由圖4可知，稻殼灰的微孔主要集中于2～10 nm。

3.3 微觀形貌

圖5為稻殼灰的微觀形貌特征。由圖5可以看出，稻殼灰顆粒呈多邊、角狀，其多孔表面和凹陷結構表明它具有高比表面積和高孔隙性。稻殼灰顆粒的孔結構主要以小尺寸凹坑為主，也存在部分的開口孔和小尺寸坑道。

圖5 稻殼灰的SEM圖像

4 教學方式與實驗拓展

4.1 教學方式

在傳統實驗教學形式基礎上，重點強調學生的自主設計能力，采用“講授—討論—理論設計—實施實驗—再討論”的閉環形式，教學特色主要體現在幾點：

(1)采用對比實驗，比較了普通稻殼灰和酸處理后稻殼灰的性能差異，使學生明白實驗預處理對產品性能有重大影響。

(2)實驗中采用了較多材料學專業的大型設備和微觀分析方法，實習了土木工程專業和材料學專業的交叉融合，有利于培養復合型人才。

(3)在實驗中引入了節能減排和綠色可持續發展的理念，同時也為高值資源化利用農業廢棄物提供了有效途徑，有利于新農村建設。

4.2 實驗拓展

作為開放性選修實驗，同學們根據自身科研需求和興趣。可在幾個方面開展進一步研究：

(1)選用不同種類和不同濃度的酸對稻殼進行預處理，如硝酸、硫酸或有機酸。

(2)研究不同質量稻殼灰替代水泥對混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度的影響。

(3)研究稻殼灰-水泥基材料的耐久性能。

5 總結

課題組對稻殼資源化利用實驗的教學改革已經持續進行了2年，初步培養了本科生的發現問題、提出問題、動手解決問題的能力，使學生初步熟悉了科研流程和科研方法，為今后的讀研或工作打下了良好的基礎。