生物質(zhì)電廠灰混凝土抗?jié)B性能研究

唐寧 王正君 賈明霖 李嘉昊

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院）

水泥與我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)密切相關(guān)，我國是世界最大的水泥消耗國和生產(chǎn)國。2021 年全球水泥產(chǎn)量約44 億t[1]，我國產(chǎn)量約24 億t,占比54%。2020 年我國水泥工業(yè)碳排放12.3 億t[2]，是我國建筑行業(yè)碳排放最高的行業(yè)，對環(huán)境造成了一定的影響。為減少碳排放，迫切需要水泥替代材料。許鵬等[3]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)電廠灰具有火山灰活性，可以作為混凝土的摻合料。

抗?jié)B性能由抗?jié)B等級P 表示，混凝土的耐久與液體和氣體在其內(nèi)部流動的數(shù)量、范圍相關(guān)[4]。混凝土的抗?jié)B等級越高，則耐久性越好，混凝土抗?jié)B性不足會嚴(yán)重影響混凝土在特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)和使用年限，因此抗?jié)B性能是研究生物質(zhì)電廠灰混凝土的耐久性的重要部分。

生物質(zhì)電廠灰獲取容易，價格便宜，如果運用到混凝土材料當(dāng)中具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，本文旨在研究（0%，5%，10%，15%，20%）生物質(zhì)電廠灰摻量制備的生物質(zhì)電廠灰混凝土的抗壓強度及抗?jié)B性能變化，研究分析生物質(zhì)電廠灰實際運用到混凝土材料的前景。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本次試驗采用的是天鵝牌P·O42.5 型水泥，粗骨料采用16～31.5mm的碎石，表觀密度2680，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.5 的中砂；選用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%～30%；選用哈爾濱市某電廠的返料灰，燃燒材料主要為玉米秸稈及稻谷殼等生物質(zhì)材料。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1試件配合比

本次試驗選取0%，5%，10%，15%和20%五個生物質(zhì)電廠灰摻量制備混凝土，分別制取100X100X100 的立方體試件和175X185X150 的圓柱形試件，本次試驗水灰比為0.46，添加0.3%的高效減水劑，根據(jù)《JGJ55-2019 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計生物質(zhì)電廠灰混凝土配合比，如表1所示。

表1 生物質(zhì)電廠灰混凝土配合比

1.2.2生物質(zhì)電廠灰的預(yù)處理

本試驗取用的返料灰粒徑較大，故將灰質(zhì)進(jìn)行研磨處理，將灰質(zhì)置入1000c 多功能研磨機(jī)研磨60s 取出待用。因為電廠灰中含有雜質(zhì)，其中碳含量較高，故進(jìn)行灼燒處理，將研磨后的灰質(zhì)置入馬沸爐中，400℃灼燒2h，取出后冷卻待用。

1.3 試驗方法

1.3.1生物質(zhì)電廠灰的基礎(chǔ)特性檢測

本試驗采用馬爾文公司生產(chǎn)的MS-3000 型激光粒度儀檢測生物質(zhì)電廠灰顆粒粒徑。用X 射線熒光檢測儀（XRF）檢測灰分化學(xué)組成成分。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》JTG3430-2020，使用高溫爐和分析天平檢測生物質(zhì)電廠灰的燒失量(LOI),LOI 通過測量單位重量的干燥生物質(zhì)電廠灰在950℃恒溫0.5h后的質(zhì)量損失計算。

1.3.2混凝土性能檢測

混凝土抗?jié)B試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）[5]，采用逐級加壓法和同水壓滲水高度法研究試件抗?jié)B等級及生物質(zhì)電廠灰對混凝土的抗?jié)B性能影響。

逐級加壓法將每組摻量6 件試件安裝至抗?jié)B儀，抗?jié)B儀每8h 一次加壓，直到出現(xiàn)3 件試件滲水時停止，本次試驗規(guī)定水壓為0.6mpa，抗?jié)B等級由每組有4件未出現(xiàn)滲水時的最大水壓力x10 確定，當(dāng)加壓至0.6MPa 時，在8h 內(nèi)6 件試件中表面滲水小于等于兩件則此組試件抗?jié)B等級P≥6。

同水壓滲水高度法使抗?jié)B儀水壓在24h 內(nèi)控制在0.6mpa，結(jié)束后將試件脫模取出。在試件上下兩端面中間同一水平面直徑方向分別放上一根鋼筋，使用壓力機(jī)劈裂兩半，描繪滲水面，等距離取10 個測點測量滲水高度值，讀數(shù)精確至1mm。

本次試驗依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2016）[6]使用WE-1000D型混凝土壓力檢測機(jī)對混凝土試件進(jìn)行抗壓檢測試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 生物質(zhì)電廠灰的特性

生物質(zhì)電廠灰粒度分布如圖1 所示，橫坐標(biāo)為粒徑（μm）縱坐標(biāo)為體積分布（%），分析圖1 可得，D(10)=13.4μmD(50)=84.2μm D(90)=273μm。分析發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)電廠灰粒徑較小且分布比較均勻，未處理的生物質(zhì)電廠灰雖然可以運用到混凝土中，但是灰樣中的大顆粒可能會導(dǎo)致水化反應(yīng)速率變慢，會影響生物質(zhì)電廠灰作為摻合料的使用。因此生物質(zhì)電廠灰作摻合料時需要進(jìn)行研磨處理。

圖1 生物質(zhì)電廠灰顆粒粒徑分布圖

生物質(zhì)電廠灰XRF 檢測到的化學(xué)成分及燒失量如表2 所示,由表2 可以發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)電廠灰的化學(xué)組成與常用混凝土摻合料粉煤灰的化學(xué)組成比較相似，都含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等氧化物，且SiO2與Al2O3含量總和大于70%，符合美國ASTM 協(xié)會A 級火山灰材料的要求標(biāo)準(zhǔn)，燒失量為8.45%。可以作為摻合料應(yīng)用至混凝土中。

表2 生物質(zhì)電廠灰化學(xué)組成及燒失量(%)

2.2 混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度檢測結(jié)果見表3，預(yù)處理后的生物質(zhì)電廠灰摻入混凝土造成的強度損失較小，研磨處理及灼燒處理使得灰樣粒徑得到優(yōu)化，部分雜質(zhì)被去除。混凝土抗壓強度與生物質(zhì)電廠灰摻量呈負(fù)相關(guān)，隨著生物質(zhì)電廠灰的摻量增多，混凝土的抗壓強度削弱，但總體滿足混凝土強度要求。

表3 生物質(zhì)電廠灰混凝土抗壓強度

2.3 混凝土抗?jié)B性能

混凝土的抗?jié)B等級是以28d 齡期養(yǎng)護(hù)條件下的標(biāo)準(zhǔn)試件按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)行試驗測定所能承受的最大水壓力確定，能夠直觀說明混凝土試件的抗?jié)B性能。在同預(yù)設(shè)條件下的滲水高度法得到的滲水高度能夠直觀觀察不同條件制備的混凝土試件的抗?jié)B性能差別及其變化。

經(jīng)過逐級加壓法試驗，不同摻量生物質(zhì)電廠灰試件的抗?jié)B等級見表4，不同摻量生物質(zhì)電廠灰試件在水壓力為0.6mpa滲透時間為18h條件下抗?jié)B高度見圖2。

圖2 不同摻量生物質(zhì)電廠灰試件在預(yù)設(shè)條件下的滲水高度

表4 不同摻量生物質(zhì)電廠灰試件的抗?jié)B等級

由表4 可知，不同摻量生物質(zhì)電廠灰試件的抗?jié)B等級均滿足0.6MPa，說明摻入適量生物質(zhì)電廠灰不會降低混凝土試件的抗?jié)B等級。

由圖2 可知，隨著生物質(zhì)電廠灰摻量的增加，試件在0.6MPa滲透18h的條件下的滲水高度呈減小趨勢，說明摻入適量的生物質(zhì)電廠灰能夠有效提高混凝土試件的抗?jié)B性能。隨著摻量的增加，減小趨勢趨于平緩，說明隨著生物質(zhì)電廠灰的摻量增加對混凝土試件抗?jié)B性能的提升能力減弱。

分析試驗發(fā)現(xiàn)，影響混凝土抗?jié)B強度的因素主要是混凝土表面裂紋和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，生物質(zhì)電廠灰的理化特性類似粉煤灰，通常在制備混凝土?xí)r會摻加粉煤灰或硅灰等外摻料取代部分水泥。摻加生物質(zhì)電廠灰能夠減少混凝土的水泥水化，減少從混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，減少熱開裂從而增強混凝土試件的抗?jié)B性能。經(jīng)過活化處理后的生物質(zhì)電廠灰中的活性成分能夠與硅酸鹽水泥水化生成穩(wěn)定的硅酸鈣水化物，混凝土在水化反應(yīng)的過程中體積能夠得到密實，增強了阻水能力，從而增強抗?jié)B性能。經(jīng)過研磨處理后的生物質(zhì)電廠灰粒徑表現(xiàn)較好，對混凝土試件起到了填充作用，使得混凝土結(jié)構(gòu)密度得到提高，優(yōu)化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升抗?jié)B性能。

3 結(jié)論

經(jīng)過本次試驗對生物質(zhì)電廠灰混凝土的抗壓強度及抗?jié)B性能的研究與分析，得出以下結(jié)論：

⑴生物質(zhì)電廠灰經(jīng)過灼燒和研磨處理后，具有良好的火山灰活性和粒徑，可以作為混凝土的摻合料部分替代水泥。

⑵混凝土的抗壓強度與生物質(zhì)電廠灰的摻量呈負(fù)相關(guān)，隨著生物質(zhì)電廠灰摻量增加混凝土抗壓強度減弱，在生物質(zhì)電廠灰摻量20%以內(nèi)可以滿足抗壓強度要求。

⑶混凝土的抗?jié)B性能與生物質(zhì)電廠灰的摻量呈正相關(guān)，隨著生物質(zhì)電廠灰摻量增加混凝土抗?jié)B性能增強，并且增強效果隨摻量增加減小。