生物質焚燒灰渣活性評價及制備生態砌塊研究

李邦強

(中國光大綠色環保有限公司,深圳 518033)

生物質是通過光合作用而產生的各種有機體,經燃燒后產生了生物質灰、渣。據統計,全世界生物質灰、渣的年產量幾乎與煤灰相當,約為4.76億t[1]。但對于生物質灰、渣的處理大部分仍采用土地填埋的方式,從而引發地下水系被污染、揚塵造成空氣中懸浮顆粒含量過高等一系列環境問題[2]。研究表明,生物質灰、渣含有大量的堿金屬和堿土金屬元素,具有與粉煤灰類似的火山灰活性,在建材制備方面極具潛力[3]。但生物質的來源廣泛,地域性差異不可避免,并且因其燃料的來源不同以及燃燒的技術條件不同,而具有不同的理化性質[4]。但目前的研究針對性較強[5-7],鮮少有對不同來源的生物質灰、渣的對比性研究,制約了多源生物質灰、渣在建材領域的廣泛資源化應用。因此,論文著手于不同地域來源的生物質灰、渣的基本理化特性研究,并據此提出其在各種建材制品中的潛在用途,最后展開分析了生物質灰、渣在生態砌塊制備方面的應用。

1 生物質灰、渣的基本理化特性

1.1 顆粒形貌分析

試驗所取的10種生物質灰、渣為焚燒秸稈、木板、樹皮等所產生的飛灰與爐渣。不同地域的生物質灰、渣的主要燃燒原料、來源及爐型如表1所示。

表1 各種生物質灰、渣的主要燃燒原料、來源及爐型

不同地域的生物質燃燒產生的灰、渣的顆粒形貌如圖1所示。由于試驗所取生物質原料的差異,生物質灰多呈顆粒較小的粉末狀,而生物質渣中含有較多的雜質。如圖1所示,1#生物質渣中含少量未燃燒完全的秸稈,3#渣中含少量鐵釘和螺栓,5#中含玻璃、鐵絲等雜質較多。

圖2為五種生物質渣的顆粒級配,具體檢測方法為:五種生物質渣各取1 kg,放在振動篩上震動1 min后,稱取不同篩網上的篩余計算得出。結果表明,在對生物質渣進行建材(如摻合料)制備時,需磨細處理后再利用,以改善其微集料效應,提高建材強度性能。其中,1#渣的顆粒粒徑較大,可以用于部分替代細骨料。3#渣粒徑較大,經篩分后可以用來充當混凝土的粗骨料或道路充填材料。

1.2 成分分析

對各種生物質灰、渣的化學成分進行分析,具體檢測方法為:將每種灰、渣取樣后放入坩堝中在105 ℃下烘干24 h達到絕干,粉磨后過200目篩網,收集4～5 g過篩后的粉末進行XRF分析,得到每種灰、渣的燒失量及化學成分,檢測結果如表2所示。由表2可知,各種生物質灰、渣的成分大致相同,主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO以及鉀、鈉鹽類等礦物成分,含量各異。其中,生物質渣中的SiO2、Al2O3、Fe2O3基本都高于生物質灰。這表明生物質渣的火山灰活性將會更高,在進行建材化利用時能夠增強灰制品和水泥制品的強度,提高其抗腐蝕能力[8]。

表2 生物質灰、渣化學元素組成 w/%

除2#灰、5#灰和3#灰、渣外,其余灰、渣所含SiO2和Al2O3總量均超過55%,達到《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB/T1596—2017)中C類粉煤灰的要求,均可用于制備活性微粉。但4#灰中Si、Al含量較高,5#生物質灰、渣的K、Na等含量較高,需分別經過水洗脫氯、除堿后再利用。

此外,2#渣是所有灰、渣中硅鋁含量最高的,經粉磨預處理后可滿足蒸壓加氣混凝土等產品的需求。但由于其中鈣含量較低,需將其脫氯脫碳后再用于制備各類建材。將1#灰進行脫鹽處理、2#灰進行高溫除碳脫氯后還可用于摻和料制備。

1.3 酸堿性及電導率分析

生物質灰、渣的酸堿度高低直接影響建材制品的耐久性,其酸堿性的具體檢測方法為:取烘干生物質灰、渣放入燒杯中,加入水,液固比為10∶1,放入轉子在磁力攪拌器上攪拌30 min后過濾出灰、渣得到清液。用pH計與電導率測試儀測出清液pH與電導率,結果見表3。

表3 生物質灰、渣的pH及電導率分析

顯然,生物質灰、渣均呈堿性。這是因為生物質灰、渣中含有部分活性CaO,溶于水后形成堿性較強的Ca(OH)2,導致其pH穩定介于9～13之間。將其用于混凝土制備,其堿性將能夠促進火山灰反應的進行,生成的C-S-H凝膠有助于密實混凝土的內部結構,提高其強度[9,10]。此外,生物質灰的電導率均高于對應的生物質渣,最高甚至達到20.7。

1.4 潛在水硬性分析

生物質灰、渣原料的潛在水硬性越好,對應的混凝土后期強度也就越高[11]。試驗根據GB/T 13957—2005《用于水泥混合材的工業廢渣活性檢測方法》中要求,依據爐型選取四種生物質灰、渣進行潛在水硬性分析。試餅浸水3 d后,若其邊緣保持完整則認為具有潛在水硬性。

試驗主要對2#灰、渣和5#灰、渣進行了潛在水硬性的測試,試驗見圖3。5#渣制備的試餅強度低,在拆模后無法繼續維持形狀發生開裂,5#灰制備的試餅浸水時在水中散開,可判斷5#灰、渣不具備潛在水硬性,而2#灰、渣具備潛在水硬性。

1.5 火山灰活性分析

根據現有研究,焚燒產生的生物質灰將產生一定的游離態硅,其具有的高火山灰活性可以作為與硅灰比擬的混凝土外加劑[12]。依據爐型和Si+Al的總含量選取囊括兩種爐型和高中低3種Si+Al總含量生物質灰、渣進行火山灰活性測試,如圖4所示。

以總堿度(氫氧根離子濃度)為橫坐標,以氧化鈣含量為縱坐標,將試驗結果點在火山灰活性圖上。如果試驗點落在圖中曲線(40 ℃時氫氧化鈣的溶解度曲線)的下方,則認為該混合材料火山灰活性試驗合格。如圖5所示,只有2#渣的火山灰活性合格,這與2#渣中硅、鋁含量最高可能有關。

2 生物質灰、渣的建材資源利用

生物質灰、渣的建材資源化利用方式主要包括以下幾個方面:作為硅質原料用于制備加氣混凝土,用作再生微粉制備砂漿,代替粉煤灰制備水穩料,替代水泥和骨料制備生態砌塊等。該文主要對生物質灰、渣制備生態砌塊進行展開介紹。

2.1 試驗原料及配比

試驗所用生物質灰經120 ℃烘干,球磨40 min后得到。采用的基準水泥為PO 42.5的華新水泥,其CaO、SiO2、Al2O3含量分別為64.419%、21.967%、4.96%。采用一級粉煤灰,其含量最高的是SiO2,Al2O3次之。粗細骨料都為礫石,粗骨料粒徑為15～30 mm,細骨料粒徑為5～15 mm;砂采用河沙,其粒徑在5 mm以下。

試驗依據上述理化特性分析,考慮到生物質灰渣的協同利用,基于火山灰活性和顆粒級配結果選取2#生物質灰、渣替代粉煤灰或水泥制備混凝土磚,并探討了在替代水泥的基礎上繼續替代集料的可行性。實驗方案見表4。

表4 生物質灰替代水泥及集料實驗方案 /(kg·m-3)

2.2 強度分析

圖6為生物質灰、渣制備混凝土磚的抗壓強度。通過1、2組的對比,可以看出當用2#灰全部替代粉煤灰時,試塊抗壓強度顯著提升,增大了4.1 MPa,提升了9.7%。但隨著替代比例的增大,從試樣2～4的對比可以發現,強度逐漸降低。雖然2#灰具有微集料填充效應,但隨著2#灰的摻入,降低了樣品中水泥含量,起到一定的稀釋效果,基體之間彼此的粘結程度降低,強度得到劣化。

對比第4和5組試樣,當用粉磨后的2#渣替代2#灰用作摻合料時,強度提升了8.8%,這主要歸因于2#渣相對較高的反應活性,其和水泥水化產物反應生成了更多致密的水化產物C-S-H,提升了基體的強度。此結果也與活性指數測試結果一致。

通過對比4、6和7可以看出當用2#渣替代骨料時隨著骨料取代率的增大強度增高。一般而言,骨料強度越高,所制備的混凝土試塊強度也會較高。出現這種相反的試驗現象可能與2#渣本身的特性相關,雖然本身硬度不夠,但一方面其活性較高,另一方面其表面粗糙和相對較高的吸水率有利于與漿體之間更好的粘結,反而提高了試樣強度。

3 結 論

試驗對比分析了不同生物質灰、渣的基本物化性能,并對其潛在水硬性和火山灰活性進行了評價,還以2#灰、渣分別替代膠凝材料制備了生態砌塊。

a.不同地域生物質灰、渣的化學組成均為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO以及鉀、鈉鹽類等,但SiO2、Al2O3含量差別大。

b.5種生物質灰、渣的形貌各不相同,顆粒較細的生物質灰更容易在水中發生堿性離子溶解。

c.2#灰、渣具備潛在水硬性,試驗所測試6種灰渣中只有2#渣的火山灰活性合格,這可能與2#渣中硅、鋁含量最高有關。

d.采用少量生物質灰渣(不超過20%)可以完全替代粉煤灰、少量水泥和粗集料制備力學性能優異的生態砌塊。