陈超，黄快忠

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004）

秸秆灰对混凝土性能的影响及应用展望

陈超，黄快忠

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004）

试验研究了秸秆灰对混凝土性能的影响。秸秆灰能够在一定程度上提高普通混凝土早期强度，但对后期强度影响较小，在混凝土中的最佳掺量为 5%，在混凝土中的掺量宜在 10% 以下；秸秆灰不宜在高强混凝土中使用。秸秆灰中钾、钙、钠、镁、磷元素含量较大和未燃烧的固定碳一起作用会加速混凝土坍落度损失；“盐析”现象会使混凝土表面出现一层薄膜，硬化后期产生一层“白斑”，致使混凝土质量降低。

秸秆灰；混凝土；坍落度损失

0 引言

应用混凝土矿物掺合料是为了改善混凝土性能，节约成本。随现代混凝土技术的发展，许多工农业废弃物不断被应用到混凝土中，人们对矿物掺合料的认识形成以下共同点：无毒性，在一定范围内能够取代水泥制备出符合要求的混凝土的粉体材料。对于火力发电，燃煤发电是造成“高碳经济”的主要原因之一，生物质燃料具有“零 CO2排放”特点，因此生物质燃料发电将成为各国发展”低碳经济”的重要途径之一[1]。然而，生物质热化学转化过程中产生的秸秆灰已逐渐成为经济和环境的负担，随着生物质热化学转化技术的进一步发展，秸秆灰的利用问题逐步凸显[2]。当前我国以生物质秸秆为燃料的电厂发展较快，秸秆灰的去向也亟待解决，秸秆灰含有一定数量的硅，以前被认作一种废弃物，如今在水泥混凝土中应用日益广泛，被视作一种绿色再生资源。

秸秆中含有客观数量的二氧化硅，燃烧后会留下富含二氧化硅的灰，并且有一定火山灰活性[3]。已有研究表明：掺入秸秆灰的蒸压砂浆强度将有所提高[4]，掺有秸秆灰普通砂浆甚至在低浓度硫酸镁、硫酸钠环境中抗压强度也有一定增强，但是抗折强度有所降低，其掺量不宜超过 24%[5]。由此可见，秸秆灰不失为一种环保型矿物掺合料。本试验用秸秆灰，是火力发电厂秸秆燃烧后的灰分，主要以麦秆为主，大部分呈粉状，存在一定量烧熔结成的小块，大部分是没有固定形状的细小颗粒，比表面积大于水泥、矿粉。

1 原材料和试验方法

1.1 试验原材料

水泥：采用黄石华新堡垒牌 P·O42.5 和 P·O52.5。

矿渣：取自武汉钢铁股份有限公司，将其粉磨至比表面积为 408m2/kg。

微硅粉：取自某硅铁厂，比表面积 36520 m2/g。

秸秆灰：取自凯迪电力股份有限公司京山凯迪火力发电厂，它是农作秸秆焚烧后遗留下的产物，以麦秆为主，呈灰褐色。

粗集料：采用灰岩碎石，质地坚硬，5～25mm 连续级配。

细集料：为产自岳阳洞庭湖的河砂，细度模数 2.6，级配良好。

外加剂：巴斯夫聚羧酸减水剂，减水率 26%，固含量18%（液态，胶凝材料掺量为 1.0%）。

原材料主要成分见表1。

表1 原材料的化学成分 %

1.2 试验方法

将秸秆灰作矿物掺合料应用于混凝土中，研究秸秆灰对混凝土性能的影响。新拌混凝土拌合物性能按照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》测定；混凝土力学性能按照 GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测定。秸秆灰单掺普通混凝土采用C45 强度等级，配合比设计见表2；研究秸秆灰、矿粉、微硅粉复掺方式以低水泥用量制备中低强度等级混凝土，配合比见表3；高强混凝土 C80 配合比见表4。

表2 C45 普通混凝土配合比 kg/m3

表3 中低强度等级混凝土配合比 kg/m3

表4 高强混凝土实验室配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 秸秆灰对普通混凝土性能的影响

试验采用秸秆灰单掺方式，结果见表5。

表5 普通 C45 混凝土试验结果

图1 掺量与 60min 坍损规律

图2 掺量与强度规律

由表5、图1 可以看出，随秸秆灰掺量的增加新拌混凝土坍落度逐渐减小，其 60min 坍落度损失急剧增大；而通过拌合现场发现，但当掺量达到 10% 以上时新拌混凝土表面”硬化”较快，表面出现一层薄膜，和易性迅速降低。

秸秆灰掺量大会严重影响混凝土和易性，造成坍落度损失增大，新拌混凝土“硬化”出现“瞬凝”趋势。秸秆灰比表面积较大，掺入到混凝土中会吸收部分水分使混凝土坍落度有所降低。由表1 可知，秸秆灰中钾含量达到了 14.72%，其次钙、镁、钠、磷元素也有相当含量，这些元素以盐类存在于混凝土中，全部或部分溶于水分散在胶凝材料中，随龄期增长会结晶而产生“盐析”现象，从而新拌混凝土表面出现一层薄膜，硬化后期表面会产生一层”白斑”，由于其强度较低所以混凝土表面质量欠佳，可能会导致起砂或剥落现象；同时随结晶作用增长，其晶体强度增加会造成混凝土出现假硬化现象，导致坍落度损失较高；秸秆灰中含有未燃烧的固定碳，使灰的色泽较差，这些碳物质经过燃烧后质地疏松、强度低，并且性质稳定，不参与化学反应，随秸秆灰在混凝土分散后仅仅起到填充作用，并且吸收部分水分，会造成混凝土和易性进一步变差。

从图2 可以看出，秸秆灰以 5% 的比例掺入到混凝土中可以较大幅度提升早期 3d 抗压强度，其他掺量的混凝土早期强度也有一定程度的提高，秸秆灰对混凝土后期强度影响并不明显，强度反而略有降低。

因此，秸秆灰能够一定程度提高混凝土早期强度，但对后期强度影响不大，在混凝土中掺量不宜过大，其最佳掺量为 5%。表1 显示秸秆灰中含有 68.48% 二氧化硅，其中部分二氧化硅为活性状态，其参与二次火山灰反应消耗水化生成的 Ca(OH)2，生成 C-S-H 凝胶填充于混凝土中，同时一定程度地加速水泥水化反应，提高混凝土早期强度。但秸秆灰中活性二氧化硅含量有限，盐类对后期强度有不利影响，未燃烧的碳含量较高且不参与反应，对混凝土后期强度影响较小，反而可能使混凝土强度有所降低。

2.2 秸秆灰、矿粉、微硅粉复掺对混凝土性能的影响

根据表4 制备混凝土，其结果如表6 所示。

表6 中低强度等级混凝土实验结果

实际工程中为使混凝土的强度保证率达到 95%，C25、C30、C40 强度等级混凝土的配制强度 fcu，0应达到33.2MPa、38.2MPa、48.2MPa。由表6 可知 C25 强度等级混凝土和易性良好，均能满足试配强度要求，其水泥用量低至130～140kg/m3，秸秆灰掺量分别达到了 24%、18%。C30强度等级混凝土中，当秸秆灰、微硅粉、矿粉三者复掺时，28d 强度能够满足试配强度要求，C30-1 编号水泥用量低至160kg/m3，而未掺矿粉的混凝土（C30-3、C30-4）强度未能满足试配强度要求。C40 强度等级混凝土 28d 抗压强度未能达到试配强度要求，但均大于 40MPa，而其水泥用量低至190kg/m3，其秸秆灰掺量分别为 9.0%、8.6%，因此可以进一步看出秸秆灰不宜在较高强度等级混凝土中使用，掺量不宜过大。

秸秆灰与其他矿物掺合料复掺，改善其单一作用，可以较低水泥用量制备普通混凝土，但其掺量不宜过大。采用此方法一方面可降低成本，另一方面达到了固废利用的效果，保护环境。

2.3 秸秆灰作矿物掺合料试配高性能混凝土

按表5 配合比制备高强混凝土，结果如表7 所示。

表7 高强混凝土试验结果

图3 抗压强度的变化规律

图4 混凝土 7d/28d 值

试验拌合现场混凝土和易性能良好，但当秸秆灰掺量达到 10% 以上时，混凝土坍落度损失依旧较大。图3 为高强混凝土抗压强度变化规律，当秸秆灰掺量低于 10% 时 7d 抗压强度变化不大，均为 72～73MPa；28d 抗压强度以 B2（秸秆灰掺量 5%）最高，但其他各组混凝土 28d 强度与 B2 相差较小（最大差值 4.7MPa）。计算各组混凝土 7d/28d 抗压强度比值依次为 97.2%、92.8%、92.2%、93.5%、87.9%，从图3可以直观看出随秸秆灰掺量增大、矿粉掺量减小，混凝土 7d和 28d 抗压强度比值呈现下降趋势，不难说明秸秆灰对混凝土后期强度影响较小，其活性低于矿粉。根据 JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》当混凝土设计强度高于 C60时，配制强度应按公式（3-3）计算。当 fcu，k=60MPa 时，fcu，0≥69MPa；当fcu，k=70MPa时，fcu，0≥80.5MPa，因此上述混凝土仅达到 C60 强度等级，未能达到 C80 强度等级。

综上所述，秸秆灰对新拌混凝土坍落度影响较小，但对坍落度损失影响较大，最佳掺量为 5%；胶凝活性低于矿粉，且不宜在高强高性能混凝土中使用。

3 结论

（1）秸秆灰会加速混凝土坍落度损失，“盐析”现象会使混凝土表面出现一层薄膜，掺量大的混凝土硬化后期表面会产生一层“白斑”，导致质量降低；

（2）适当掺量的秸秆灰能够在一定程度上提高普通混凝土早期强度，但对后期强度影响较小，在混凝土中的掺量宜在 10% 以下，最佳掺量为 5%；

（3）秸秆灰与微硅粉、矿粉复掺改善其单一作用，可以较低水泥用量制备普通混凝土；秸秆灰不宜在高强高性能混凝土中使用。

4 秸秆灰应用展望

秸秆灰是农作物根茎经燃烧后遗留下的产物，因此其中含有大量的钾、钙、钠、镁、磷等矿物质元素，它们不仅会影响混凝土和易性，并且也不利于混凝土强度的发展，还会对后期耐久性能产生有害影响。考虑到秸秆灰中钾元素含量大，可以通过元素分离（提取）技术从秸秆灰中提取钾，一方面秸秆灰中钾得到有效利用，另一方面又减少了秸秆灰作混凝土矿物掺合料中的杂质元素。由于秸秆灰在普通燃烧方式下并不能够充分燃烧，含有相当数量的固定碳，对混凝土产生不利影响，所以可以将秸秆灰进行煅烧急冷处理，不仅可以减少秸秆灰中固定碳含量，而且可以使其中活性二氧化硅含量增高，大大提高了秸秆灰的胶凝活性。

秸秆灰中富集矿物质元素，不失为一种良好的肥料，在中国缺少钾资源的背景下，利用含钾丰富的秸秆灰生产肥料，具有广阔的市场前景，况且许多农民都有将草木灰用作肥料的经历，也易于接受这种肥料,因此利用秸秆灰制作钾肥在性价比方面具有较强的竞争优势。同时，还可以利用秸秆灰配制保温隔热涂料，其在可见光区的最大反射率可达 90%以上，平均反射率高达 85%[6-7]；秸秆灰作为添加剂制备免烧陶粒，不仅可以降低免烧陶粒密度，还可以使其比表面积显著增加[8]。

以生物质为主要燃料的火力发电正迅速发展，作为秸秆类作物燃烧的灰分，秸秆灰富含相当数量矿物质并具有一定化学活性，现有研究仍主要集中在传统无机非金属领域和灰本身的燃烧特性方面，而在其他领域研究较少，需加大研究应用力度实现资源的深层次利用。

[1] 王雄．玉米秸秆拱灰混凝土实验及机理分析[D]．北京，北京科技大学，2009.

[2] 孙云娟，蒋剑春，等．秸秆灰利用的研究进展[J]．生物质化学工程，2011,45(6)：35-42.

[3] Hasan Biricik，Fevziye Akoz．Study of pozzolanic properties of wheat straw ash[J]. Cement and Concrete Research，1999,29：637-643.

[4] Nabil M. Al-Akhras，Bilal A. Abu-Alfoul. Effect of wheat straw ash on mechanical properties of autoclaved mortar[J]．Cement and Concrete Research，2002,32∶859-863.

[5] Hasan Biricik，Fevziye Akoz. Resistance to magnesium sulfate and sodium sulfate attack of mortars containing wheat straw ash[J]. Cement and Concrete Research，2000,30∶1189-1197.

[6] 陈雅娟．秸秆灰废物利用涂料的配方优化研究[D]．武汉，武汉理工大学，2011.

[7] 柯敢．基于秸秆灰综合利用的保温隔热环保涂料研制[D].武汉，武汉理工大学，2011.

[8] 邱珊，黄旭，等．秸秆灰为添加剂的没分红免烧陶粒的试制[J]．哈尔滨工业大学学报，2013,45(2)：36-39.

［通讯地址］福建省厦门市海沧区东孚镇凤山村风美四路 39号（361027）

Effects of straw ash on the property of concrete

Chen chao, Huang kuaizhong
(Xiamen Academy of Building Research Group Co. Ltd., Fujian Xiamen 361004)

The influence of Straw ash on concrete was studied. Suitable dosage of straw ash could improve the early strength of ordinary concrete, but little to the long-term strength. The content in concrete should be below 10%, the optimal content was about 5%. Straw ash should not be used in high strength concrete. There were amounts of potassium, calcium, sodium, magnesium, phosphorus in straw ash, and combined with unburned carbon, it would seriously affect the slump loss of concrete. “Salting out” phenomenon could make the surface of concrete filled with a layer of thin-film, a layer of “white spot” would be appeared in late hardening,then it would cut down the quality of concrete.

straw ash; concrete; slump loss

陈超，男，硕士，厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司助理工程师，研究方向：建筑材料与工程。