張雁茹，任常在，宋占龍，朱建軍，趙保峰，謝洪璋，王振江，祁曉樂

［1.國能生物發(fā)電集團(tuán)有限公司，北京 100052；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）能源與動(dòng)力工程學(xué)部，山東濟(jì)南 250353；3.山東大學(xué)燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250061］

在“雙碳”目標(biāo)下，建筑、冶金、電力行業(yè)面臨著二氧化碳過量排放的現(xiàn)實(shí)問題急需解決，此外，傳統(tǒng)水泥行業(yè)生產(chǎn)造成大量的自然資源消耗［1］?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，活性固廢替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥熟料是減少水泥行業(yè)對(duì)環(huán)境造成影響的重要途徑［2］。大量學(xué)者已對(duì)粉煤灰、礦渣、尾礦等各類固廢作為水泥摻合料的作用機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行了研究［3-5］。粉煤灰是一種良好的火山灰材料，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的水泥摻合料。然而，火電廠和垃圾發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰、飛灰含有大量的汞、硼、鎘、砷等重金屬，在作為建筑材料使用的過程中存在重金屬遷移的風(fēng)險(xiǎn)。為降低粉煤灰、飛灰使用過程中存在的環(huán)境危害，常采用浸出、熱處理、電化學(xué)方法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)脫毒［6-8］。

世界主要經(jīng)濟(jì)體“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的明確，將加速推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展。美國過去10 a中用于能源生產(chǎn)的煤炭消耗數(shù)量下降了50%［9］；歐盟到2050年溫室氣體凈排放降為零［10-12］；中國也制定了“3060”目標(biāo)，中長期能源戰(zhàn)略從傳統(tǒng)的化石能源轉(zhuǎn)向可再生能源［13-14］。因此，粉煤灰逐漸變得稀缺，探索其他具有火山灰活性材料替代粉煤灰制備建筑材料成為必要。歐洲為了實(shí)現(xiàn)可再生能源行動(dòng)計(jì)劃目標(biāo)，預(yù)計(jì)未來10 a生物質(zhì)發(fā)電廠在供暖和制冷、電力生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)淖罱K能源消耗總量中所占比例由16%增加至33%～50%。生物質(zhì)電廠灰渣（BFA）被視為有前景的水泥摻合料之一，有望取代粉煤灰應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。盡管在已有的研究成果中展示了生物質(zhì)灰渣替代粉煤灰的潛在價(jià)值，但生物質(zhì)灰渣尚未得到大量的推廣應(yīng)用，這與其成分、特性有較大的關(guān)系。

現(xiàn)有研究表明較細(xì)的木質(zhì)生物質(zhì)灰渣顆粒比較粗的顆粒更適合替代水泥［15］，用高達(dá)20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的生物質(zhì)灰渣替代水泥仍能提供可工程應(yīng)用的滿意參數(shù)，然而，更顯著的環(huán)境效益需與更大規(guī)模的應(yīng)用相適應(yīng)［16］。CORDEIRO 等［17］和CORONA 等［18］進(jìn)行了生物質(zhì)灰渣替代水泥的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，生物質(zhì)灰渣含有具有一定的火山灰活性的CaO、Al2O3、SiO2，其作為水泥摻合料是可行的。生物質(zhì)灰渣中存在游離MgO堿性礦物易引起水泥、混凝土試塊的膨脹和開裂［19］。與粉煤灰作為復(fù)合水泥摻合料相比，生物質(zhì)灰渣中存在一定量氯化鈣、磷酸鹽、游離CaO 和MgO，對(duì)復(fù)合水泥的需水量及穩(wěn)定性的影響都需深入研究。

本文主要對(duì)以生物質(zhì)電廠灰渣作為水泥摻合料的潛在應(yīng)用的可行性開展研究。采用等溫量熱法、XRF、XRD、SEM、MIP 和力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證生物質(zhì)灰渣按10%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）替代硅酸鹽水泥熟料對(duì)復(fù)合水泥物理化學(xué)性能的影響，從而確定出最優(yōu)摻量，為減少自然資源使用和節(jié)能降碳提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 生物質(zhì)灰渣

生物質(zhì)灰渣由山東寧陽生物質(zhì)發(fā)電廠提供。燃燒設(shè)備采用循環(huán)流化床鍋爐，爐內(nèi)發(fā)生的理化反應(yīng)過程由干燥、脫脂、氣化、燃燒和氣相反應(yīng)等若干反應(yīng)組成，燃燒后的灰渣中存在少量未完全燃盡的有機(jī)質(zhì)，由于缺乏實(shí)用的利用方案，產(chǎn)生的大部分灰渣并未被合理利用。在溫度低于400 ℃時(shí)，生物質(zhì)逐漸脫水和氧化，隨著溫度的持續(xù)升高，生物質(zhì)形成可燃揮發(fā)性物質(zhì)。當(dāng)揮發(fā)物和焦油物質(zhì)達(dá)到點(diǎn)火溫度時(shí)，開始燃燒過程，促使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素?zé)峤?，進(jìn)一步促進(jìn)燃料的燃燒。

1.2 配料方案

以硅酸鹽水泥42.5R熟料為基質(zhì)，10%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的生物質(zhì)灰渣作為熟料替代物，經(jīng)過粉磨后形成復(fù)合膠凝材料，標(biāo)準(zhǔn)砂為骨料，實(shí)驗(yàn)過程中的需水量采用砂漿流動(dòng)度為150 mm 所對(duì)應(yīng)的用水量。表1為不同配比下的方案。

表1 不同配比組成方案Table 1 Composition scheme of different proportions

1.3 檢測設(shè)備及方法

1）生物質(zhì)灰渣原料及水泥熟料的化學(xué)成分通過X 射線熒光光譜分析儀（XRF，Thermo ARL 9400 XP）進(jìn)行測試。

2）熟料及水化產(chǎn)物的礦物相通過X射線衍射儀（XRD，Dmax-2500PC）進(jìn)行分析，參數(shù)設(shè)置為：掃描步長為0.02°、加載電壓為40 kV、電流為30 mA、掃描速率為2（°）/min、掃描范圍為10°～90°。

3）石膏摻入量為熟料的5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），先制備復(fù)合膠凝材料，再制備凈漿和砂漿標(biāo)準(zhǔn)試塊，凈漿水灰比（水與水泥質(zhì)量比）為0.28、砂漿水灰比為0.5，采用20 mm×20 mm×20 mm、40 mm×40 mm×160 mm 的凈漿、砂漿標(biāo)準(zhǔn)試件模具，12 h脫模后置于（25±1）℃、空氣濕度為95%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，測定其抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度測試由DYE-300S 型全自動(dòng)水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)完成，測試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》執(zhí)行。

4）熟料及水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)由ULTRA-55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行測試。漿體的流動(dòng)度與凝結(jié)時(shí)間分別由NLD-3 型水泥砂漿流動(dòng)度測定儀和DL-AWK型自動(dòng)維卡儀進(jìn)行測試，測試按標(biāo)準(zhǔn)ASTM C191—2021《Standard TestMethodsfor Time of Setting of Hydraulic Cement by Vicat Needle》執(zhí)行。

5）熱活性微量熱儀（TAM Air）用于測量對(duì)照組、BFA10、BFA20、BFA30 4個(gè)樣品的水化熱發(fā)展規(guī)律，在直徑為8.25 mm、高度為70 mm 的圓柱形銅容器中，使用每種復(fù)合膠凝材料的1 g干燥混合物樣品進(jìn)行測量。裝有固體樣品和液體成分的量熱計(jì)在25 ℃下工作，穩(wěn)定約1 h后打開量熱計(jì)，將水注入容器中，通過旋轉(zhuǎn)塑料管混合器將漿體混合30 s，并用絕熱塞堵住。

6）生物質(zhì)灰渣的活性指數(shù)是用50%生物質(zhì)灰渣和50%水泥混合制作標(biāo)漿試件測試的強(qiáng)度與用100%水泥制作標(biāo)漿試件測試的強(qiáng)度的百分比。按GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》的校驗(yàn)方法，分別測定3 種復(fù)合膠凝材料的活性指數(shù)，計(jì)算方法如下：

式中：A3為3 d活性指數(shù)，%；R3為實(shí)驗(yàn)樣品3 d抗壓強(qiáng)度，MPa；R03為參考樣品3 d抗壓強(qiáng)度，MPa；A7為7 d活性指數(shù)，%；R7為實(shí)驗(yàn)樣品7 d抗壓強(qiáng)度，MPa；R07為參考樣品7 d抗壓強(qiáng)度，MPa；A28為28 d活性指數(shù)，%；R28 為實(shí)驗(yàn)樣品28 d 抗壓強(qiáng)度，MPa；R028為參考樣品28 d抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果和討論

2.1 生物質(zhì)電廠灰渣理化特性

生物質(zhì)灰渣的化學(xué)成分通過XRF檢測，礦物相通過XRD檢測，確定礦物成分，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Rietveld細(xì)化，計(jì)算不同礦物的主要含量。

表2為所收集生物質(zhì)灰渣樣品的化學(xué)成分。由表2 可知，樣品中主要成分為SiO2、CaO 和Al2O3，總量超過75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），是被現(xiàn)有研究公認(rèn)為具有火山灰特性的材料，同時(shí)還存在微量的Fe2O3、K2O、MgO、P2O5、MnO 和Na2O 等礦物，這一結(jié)論與SáEZ DEL BOSQUE 等［20］的結(jié)論一致。同時(shí)，含有的MgO和部分可溶性堿含量的增加會(huì)引起復(fù)合水泥的水化試塊孔隙率的增加，進(jìn)而引起強(qiáng)度的降低。

表2 生物質(zhì)灰渣的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of biomass ash %

圖1 為生物質(zhì)灰渣的XRD 譜圖。在XRD 譜圖中發(fā)現(xiàn)二氧化硅、方解石和石膏的衍射峰，由于灰渣中含有堿金屬元素，堿金屬易與二氧化硅、氧化鋁等氧化物生成堿金屬的硅鋁酸鹽，XRD譜圖中也存在硅鋁酸鹽的衍射峰。通過對(duì)生物質(zhì)灰渣XRD 的半定量分析，并結(jié)合灰渣的化學(xué)成分分析，可以確定SiO2含量高，這一有效成分可以為復(fù)合膠凝材料機(jī)械性能的提高提供先決條件。在灰渣中方解石（CaCO3）、石膏（CaSO4）總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在32%左右，可為膠凝材料水化過程成核和鈣礬石水化礦物的形成提供條件。灰渣中的白云母［KAl2（AlSi3O10）（OH）2］和鈣長石（CaAl2Si2O8）含量都較低，白云母是一種耐高溫礦物，在1 000 ℃以下不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，可被用于骨料填充。

圖1 生物質(zhì)電廠灰渣的XRD譜圖Fig.1 XRD pattern of biomass ash and slag

利用SEM對(duì)生物質(zhì)灰渣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，在測試之前，將樣品噴5 nm厚的金膜，并在20 kV電壓下進(jìn)行觀測，獲取生物質(zhì)灰渣的表面微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，生物質(zhì)灰渣顆粒尺寸在0.1～100 μm，多為不規(guī)則的大顆粒團(tuán)簇。同時(shí)，生物質(zhì)灰渣中含有大量的絮狀物質(zhì)，這主要是由于該廠多采用木質(zhì)燃料，木質(zhì)燃料的不充分燃燒形成不規(guī)則的絮狀結(jié)構(gòu)。

圖2 生物質(zhì)電廠灰渣的SEM圖Fig.2 SEM image of biomass ash and slag

生物質(zhì)燃料種類不同，生物質(zhì)灰渣的成分波動(dòng)較大，重金屬含量也不同。表3為粉煤灰、垃圾飛灰和生物質(zhì)灰渣3 種不同電廠灰渣的有害元素含量。鎘含量超過0.5 mg/kg 會(huì)導(dǎo)致生物染色體突變和缺失，砷含量超過50 mg/kg會(huì)增加癌癥、心臟病和夜盲癥的風(fēng)險(xiǎn)，六價(jià)鉻進(jìn)入生物體易造成血液中毒和致癌。通過對(duì)比垃圾飛灰、粉煤灰、生物質(zhì)灰渣有害元素含量可知，本實(shí)驗(yàn)中所使用的生物質(zhì)灰渣含有潛在有害元素的濃度顯著較低，部分有害元素?zé)o法檢測到，因此，通過對(duì)原材料的分析基本可確定所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有低毒性。

表3 不同灰渣有害元素含量Table 3 Harmful elements contents of different ash residues mg/kg

使用激光粒度分析儀（MicroTec plus）測定生物質(zhì)電廠灰渣的粒度分布，測量范圍為0.1～1 000 μm，結(jié)果見圖3。結(jié)合生物質(zhì)灰渣的微觀結(jié)構(gòu)圖2 和粒徑分布圖3 可知，生物質(zhì)灰渣主要由各種形態(tài)和尺寸的顆粒的非均勻混合物組成，顆粒的大小從幾微米到幾十微米不等。生物質(zhì)灰渣的顆粒細(xì)度（D50=87.342 μm）比實(shí)驗(yàn)用水泥顆粒大，大多數(shù)顆粒以較大的、表面粗糙的微型聚集體形式存在，因此需要對(duì)生物質(zhì)灰渣進(jìn)一步粉磨處理。

圖3 生物質(zhì)電廠灰渣粒度分析Fig.3 Particle size analysis of biomass ash and slag

2.2 水化礦物相組成和微觀結(jié)構(gòu)

圖4為不同摻量下的生物質(zhì)灰渣替代水泥熟料水化28 d 的XRD 譜圖。由圖4可知，產(chǎn)物主要由鈣礬石（AFt）、氫氧化鈣（CH）、水化硅酸鈣、石英、方解石等礦物組成。隨著生物質(zhì)灰渣摻量的增加，鈣礬石主峰的強(qiáng)度逐漸降低，從153.26 a.u.降低到107.45 a.u.，鈣礬石的含量逐漸減少。復(fù)合膠凝材料中的BFA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，水化產(chǎn)物鈣礬石峰值強(qiáng)度較高，這與生物質(zhì)灰渣中火山灰反應(yīng)的程度有關(guān)。與此同時(shí)，石英、方解石在水化產(chǎn)物中出現(xiàn)，表明存在未反應(yīng)的BFA，水化產(chǎn)物中非晶相份額的減少反映了硅酸鈣凝膠（C-S-H）數(shù)量的減少。

圖4 不同BFA摻量的水化產(chǎn)物XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of hydrated products with different BFA contents

圖5為復(fù)合材料水化28 d后的SEM照片。由圖5可知，隨著BFA 摻入量的增加，水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，BFA 含量增加微觀結(jié)構(gòu)顯示出具有更多氣孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由圖5a可知，硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物主要由球形硅酸二鈣（C2S）顆粒、鈣礬石（AFt）及角面體型方解石和C-S-H 組成，其中角面體型方解石是由過量的Ca2+形成的。與圖5a 相比，BFA10水化產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了石膏晶體和典型的菱形方解石晶體（圖5b）。在BFA20（圖5c）中，針狀鈣礬石晶體是主要水化產(chǎn)物，該觀察結(jié)果與XRD 結(jié)果一致。隨著生物質(zhì)灰渣的繼續(xù)增加，當(dāng)摻量為30%時(shí)（圖5d），在SEM 中僅發(fā)現(xiàn)少量鈣礬石晶體，BFA 顆?；颈凰a(chǎn)物覆蓋，同時(shí)存在大量的C2S 顆粒尚未水化，由微觀結(jié)構(gòu)證實(shí)生物質(zhì)灰渣與普通硅酸鹽水泥具有良好的化學(xué)相容性。

圖5 復(fù)合膠凝材料水化28 d后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of composite cementitious material after 28 days curing

2.3 熱流量-水化熱

圖6 為復(fù)合膠凝材料的熱流量和水化熱曲線。由圖6 可知，第一個(gè)峰主要發(fā)生在 0.037 h 左右，這主要是熟料中少量的鋁酸三鈣（C3A）水化放熱所形成的，隨后熟料中的硅酸三鈣（C3S）將在7 h 后發(fā)生水化。隨著BFA摻入量的增加，熱流量的峰值向右移動(dòng)，即水化反應(yīng)時(shí)間延長。對(duì)于硅酸鹽膠凝材料，隨著生物質(zhì)灰渣摻入量的增加，水化熱最大值逐漸減小，在生物質(zhì)灰渣摻入量為30%時(shí)，最大值降至287.85 J/g。最大水化熱值的減少，說明由BFA取代硅酸鹽水泥直接導(dǎo)致的水化反應(yīng)放熱減少。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DEBOUCHA 等［23］的觀點(diǎn)一致，在DEBOUCHA研究中發(fā)現(xiàn)，使用40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高爐礦渣會(huì)導(dǎo)致水化熱峰值降低約35%。該復(fù)合膠凝材料水化熱較低，大體積混凝土內(nèi)外溫差較小，由溫差所引起的熱收縮和裂縫造成的混凝土結(jié)構(gòu)破壞率較低，因此低水化熱的特性可被視為生物質(zhì)灰渣基復(fù)合膠凝材料的一種潛在優(yōu)勢。

圖6 復(fù)合膠凝材料熱流量和水化熱的演變Fig.6 Evolution of heat flow and hydration heat of composite cementitious materials

2.4 基本物理特性

表4為不同復(fù)合膠凝材料砂漿養(yǎng)護(hù)28 d后的基本物理性能。由表4 可以看出，砂漿試塊隨著生物質(zhì)灰渣摻量的增加體積密度下降，這主要是由于生物質(zhì)灰渣固有密度低于實(shí)驗(yàn)所用水泥密度，因此，隨著復(fù)合膠凝材料中摻入BFA量的增加，復(fù)合膠凝材料密度逐漸降低，同時(shí)所制備砂漿試塊的總孔隙率顯著增加，從對(duì)照組的22.1%增加到BFA30 的26.2%。

表4 不同砂漿的物理性能Table 4 Physical properties of different mortars

圖7 顯示了砂漿試塊水化3～28 d 期間總孔隙率的發(fā)展趨勢。由圖7 可看出，對(duì)于BFA 摻量較高的砂漿，隨試塊養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加孔隙率的降低率減小，這表明復(fù)合膠凝材料后期強(qiáng)度改善明顯。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于在砂漿養(yǎng)護(hù)7 d 內(nèi)，復(fù)合膠凝材料前期生物質(zhì)灰渣基膠凝材料砂漿試塊中的小孔尚未被水化產(chǎn)物完全填滿，水化過程較快［24］。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的繼續(xù)增加，復(fù)合膠凝材料砂漿試塊孔隙率的降低率明顯下降，但摻入BFA灰渣的硅酸鹽復(fù)合膠凝材料試塊的孔隙率仍高于硅酸鹽水泥砂漿。

圖7 不同樣品砂漿試塊總孔隙率Fig.7 Total porosity of mortar test blocks with different samples

圖8 為不同砂漿試塊的孔徑測試結(jié)果。由圖8可知，BFA加入砂漿中對(duì)孔徑分布有顯著影響，在孔徑為0.01～＜0.1 μm 和0.1～＜1 μm 時(shí)具有最顯著的差異，與普通硅酸鹽砂漿試塊相比，BFA30砂漿試塊的孔體積增加了2倍左右。通過對(duì)砂漿試塊孔體積的測量，可確定BFA 摻入閾值為20%，當(dāng)摻入量達(dá)到30% 時(shí)，孔體積增大較明顯。這一發(fā)現(xiàn)與TEIXEIRA 等［25］的結(jié)論一致，其研究成果認(rèn)為生物質(zhì)灰渣顆粒的高度不規(guī)則性會(huì)增加小孔的數(shù)量。

圖8 不同BFA摻量砂漿試塊的孔徑-孔體積變化規(guī)律Fig.8 Law of pore size &pore volume of mortar specimens with different BFA contents

圖9為不同生物質(zhì)灰渣摻量下的復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)性規(guī)律。由圖9 可知，流動(dòng)度隨著生物質(zhì)灰渣摻量的增加呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢。摻入10%生物質(zhì)灰渣時(shí)，復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)度由186 mm 降低到175 mm。當(dāng)摻量繼續(xù)增加至30%時(shí)，復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)度上升到205 mm。流動(dòng)度出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于灰渣顆粒形狀不規(guī)則，存在團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)，使得灰渣顆粒具有粗糙的表面，在摻入量較低時(shí)，增加了漿體之間的摩擦力，阻礙了漿體的流動(dòng)，多孔結(jié)構(gòu)灰渣具有吸收游離水的功能，進(jìn)一步降低了漿體流動(dòng)性；但隨著渣摻量的增加，渣中的級(jí)配改善效果逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用，使得漿體的流動(dòng)度開始改善。

圖9 不同樣品的流動(dòng)度Fig.9 Flowability of different samples

2.5 機(jī)械性能和活性指數(shù)

圖10～11分別為不同砂漿試塊養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。由圖10～11 可知，BFA 摻量高時(shí)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有相當(dāng)大的降低。使用BFA替代10%和20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）水泥時(shí)，抗壓強(qiáng)度略有下降，但依舊保持了較高的力學(xué)性能。當(dāng)生物質(zhì)灰渣摻入量達(dá)到30%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度為41.8 MPa、抗折強(qiáng)度為7.4 MPa，BFA30復(fù)合膠凝材料在機(jī)械性能方面表現(xiàn)出明顯的降低。生物質(zhì)灰渣對(duì)后期的力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生積極影響，因?yàn)樯镔|(zhì)灰渣中的火山灰反應(yīng)的過程比水泥水化慢，隨著時(shí)間的推移，砂漿致密化導(dǎo)致所有強(qiáng)度保持增長。如圖10～11所示，與7 d抗壓強(qiáng)度相比，28 d后BFA10、BFA20的抗壓強(qiáng)度都提高了70%～80%，而BFA30砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度提高并不明顯；抗折強(qiáng)度并沒有表現(xiàn)出同樣的強(qiáng)度增益，所有砂漿試塊的抗折強(qiáng)度基本都增加了20%～30%，變化幅度不大，這與現(xiàn)有研究文獻(xiàn)獲得的結(jié)論相近［26-27］。根據(jù)28 d養(yǎng)護(hù)后的樣品基本物理特性和力學(xué)參數(shù)測量結(jié)果可知，BFA 替代20%水泥可以被視為可行配比設(shè)計(jì)的閾值參數(shù)。

圖10 砂漿抗壓強(qiáng)度Fig.10 Compressive strength of mortar

圖11 砂漿抗折強(qiáng)度Fig.11 Flexural strength of mortar

圖12 顯示了生物質(zhì)灰渣基復(fù)合膠凝材料的活性指數(shù)?；钚灾笖?shù)為評(píng)估BFA的火山灰活性指標(biāo)，BFA10 和BFA20 復(fù)合膠凝材料漿體養(yǎng)護(hù)3 d 后的活性指數(shù)超過70%，在養(yǎng)護(hù)7 d 后超過閾值80%，養(yǎng)護(hù)28 d后超過90%；而BFA30復(fù)合膠凝材料活性不高，3、7、28 d 的活性指數(shù)都未超過75%。因此，生物質(zhì)灰渣的摻入量應(yīng)低于30%，復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度、活性才能滿足建筑材料的要求。

圖12 生物質(zhì)灰渣復(fù)合膠凝材料活性指數(shù)Fig.12 Activity parameters of biomass ash and slag composite cementitious materials

3 結(jié)論

本文分析了生物質(zhì)灰渣作為水泥熟料替代物的潛在可能，研究了用10%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）生物質(zhì)灰渣作為硅酸鹽水泥替代物的凈漿、砂漿的水化熱、強(qiáng)度、流動(dòng)度、活性等指標(biāo)，確定生物質(zhì)灰渣含量對(duì)復(fù)合膠凝材料性能的影響，可以得出以下結(jié)論。

1）與垃圾飛灰、粉煤灰相比，生物質(zhì)灰渣的主要優(yōu)點(diǎn)是有害元素的濃度較低，因此，不需要對(duì)其進(jìn)行任何預(yù)處理，其中具有活性的SiO2、CaO 和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過75%，這為其在復(fù)合膠凝材料中的使用提供了良好的先決條件。

2）不同摻量的復(fù)合膠凝材料等溫量熱分析表明，生物質(zhì)灰渣的加入降低了水化熱的釋放，表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

3）養(yǎng)護(hù)28 d 后的復(fù)合膠凝材料抗壓強(qiáng)度隨著BFA 用量的增加而逐漸降低。隨著時(shí)間的推移，砂漿致密化導(dǎo)致所有強(qiáng)度保持增長，抗折強(qiáng)度對(duì)BFA用量的敏感性低于抗壓強(qiáng)度。低于20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的生物質(zhì)灰渣作為硅酸鹽水泥替代物形成的復(fù)合膠凝材料的性能有所提高。