CN102674721A - 一种利用生物质制备混凝土掺合料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用生物质制备混凝土掺合料的方法，其特征在于，将生物质干燥，在15℃~35℃条件下浸泡，水洗后，烘干；将经过上述处理的生物质灰化后得到的掺合料；所述的生物质为经上述处理及灰化后的SiO2质量含量不低于30%的农林废弃物。由本发明的掺合料加入至混凝土中后，仍具有良好的力学性能和优异的物理性能，符合混凝土国标的各项指标要求。本发明将生物质灰加以再生利用，变废为宝，具有显著的社会效益和经济效益。

Description

一种利用生物质制备混凝土掺合料的方法
技术领域
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种利用生物质制备混凝土的掺合料方法。
背景技术
随着城市化进程的推进，城市建设需要大量不同功能、不同种类的混凝土。工程建设对混凝土功能要求的不断提高，促进新材料和新技术在混凝土中不断应用和推广。因此，全球范围的水泥品种和产量与日俱增。为了经济地提高混凝土的性能和耐久性，具有凝硬性的矿物已经作为掺合料与水泥混合后用来拌制混凝土，另外，天然凝硬材料、工业废弃物（如飞灰，高炉矿渣，硅粉）也作为凝硬性材料被使用，作为农业废弃物，生物质含有大量的SiO2,焚烧生物质后留下的灰分中富含的SiO2具有凝硬性的特征。因此如何从生物质中获取凝硬材料成为研究焦点。
总结国内外现有相关参考文献发现，利用生物质作为掺合料配制混凝土方法分为两大类：一类是粉磨添加法，一类是焚烧添加法。粉磨添加法工艺繁杂，很难消除其对混凝土耐久性能的影响；而现有的焚烧添加法焚烧工艺仍很不完善，仅应用于灰分中SiO2质量比重较大的稻壳、小麦杆、稻杆等，致使碱金属含量偏高的生物质种类应用受限，如南方地区的大量存在的油菜杆目前也是不能用作混凝土的掺合料。且由于生物质碱金属熔点低，使灰分结渣现象不可避免，很大程度上影响了灰分比表面积，阻碍SiO2活性的发挥。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用灰化后的水洗生物质配制混凝土的掺合料的方法，以便对生物质进行充分有效利用，同时节约水泥。
本发明的技术方案是，将生物质干燥，在15℃~35℃条件下浸泡，水洗后，烘干；将经过上述处理的生物质灰化后得到的掺合料；
所述的生物质为上述处理及灰化后的SiO2质量含量不低于30%的农林废弃物。优选SiO2质量含量55%~85%。
所述的农林废弃物为秸秆、木屑、稻壳、树枝中的一种或几种。
所述的秸秆为稻秸秆、玉米杆、油菜杆中的一种或几种。
本发明的农林废弃物特别优选为油菜杆。
所述的干燥为自然干燥；并在浸泡前，先进行细化，即控制生物质的长度不大于20cm。
所述浸泡的液固比为：V水:m生物质=15ml/g~30ml/g。
浸泡时间为20~28小时。
本发明所述的灰化过程采用常规过程即可（也可以是先经过预烧处理）所述的灰化是置于500—700℃下煅烧3~5个小时。然后迅速冷却并将产物研磨成粉末，添加到混凝土中替代部分水泥。
所述的预烧处理即取一耐高温容器，如陶制炉灶，将生物质点燃，并保持优良的通风环境（以防止火堆内温度过高）直至不再有明火。
由于本发明采用了灰化前先进行浸泡、水洗的步骤，从而可脱除大部分碱金属及易挥发物质，有效提高灰熔点，降低结渣率，同时由于减少了灰分中碱金属的含量，也就增大了灰分中SiO2的质量百分比。试验证明，添加适量的生物质灰不会显著降低混凝土的强度，并对混凝土的其它性能无有害影响。
可将本发明所述的掺合料与硅酸盐水泥作为混凝土的胶凝材料；较适宜的使用范围是其中总质量为100%的胶凝材料中水泥的质量含量为60~95%，掺合料质量含量为5~40%。
混凝土材料制备过程中还可添加外加剂（可根据工程需要添加减水剂或引气剂或促凝剂等等）：0~2%；外加剂用料的质量百分比按胶凝材料为基数计算。
本发明利用灰化的水洗生物质取代部分水泥，与适量外加剂进行拌和，配制高性能混凝土，并确保其使用的安全可靠性。将灰化的水洗生物质作为混凝土的掺合料再生利用，真正实现了资源的高效使用。本发明将农业废弃物的处理与建筑材料科学的发展有机地溶为一体，是对生物质处理的突破，且由本发明的掺合料加入至混凝土中后，仍具有良好的力学性能和优异的物理性能，符合混凝土国标的各项指标要求。本发明将生物质灰加以再生利用，变废为宝，具有显著的社会效益和经济效益。
具体实施方式
所用生物质取自湖南农业大学实验基地的稻秸秆、稻壳、玉米杆、油菜杆，经自然干燥后细化（控制各生物质的长度≤20cm）、浸泡水洗、再烘干。步骤如下：将细化后的生物质浸泡于水温为15℃~35℃自来水中24小时，控制V水:m生 物质＝15ml/g~30ml/g,捞出烘干即可。水温、时间及液固比（V水:m生物质）范围的确定依据如下：①物质的溶解度与温度有关，生物质所含K的溶解度随温度升高而增大，生物质所含Na的溶解度受温度的影响很小，而生物质所含部分Ca溶解度随温度的升高而减小。综合考虑各溶于水的物质溶解度及水温条件实现的难易程度、经济成本，故控制在15℃~35℃。这样既可以直接利用自来水，满足水温水质要求，方便操作，也可以除掉生物质外带的泥土并脱除大部分本身所含的溶于水的无机物，如：K、Na、Ca，从而提高灰熔点，利于灰比表面积的增大、灰与水泥水化产物的反应。②生物质表皮覆有蜡质层，自然干燥后孔隙率减小，更不利于其内含物质溶解，所以浸泡时间充足能提高溶解率，实验证明浸泡24小时效益最佳。③物质溶解量与水的体积有关，同温度下，水的体积相对溶质越大，溶解量越大，但过大不能使溶液饱和，浪费水资源，因此液固比取15ml/g~30ml/g。各生物质灰化后的主要化学成分见表1及表2。
表1灰化的非水洗生物质的主要化学成份
  名称   SiO2   Al2O3   TiO2   Fe2O3   CaO   MgO   K2O   Na2O   SO3   P2O5   Cl   其他
  稻秸秆   61.16   3.4   0.1   1.29   6.7   1.78   8.96   6.33   1.5   -   1.09   7.69
  稻壳   86.95   0.12   0.01   1.3   1.1   0.76   1.8   0.12   1.41   0.13   0.10   6.2
  玉米秆   58.74   4.31   0.6   4.93   7.77   4.46   10.03   7.61   1.0   -   0.2   0.35
  油菜秆   31.86   0.03   -   -   18.45   1.38   16.32   5.97   3.93   1.77   10.17   10.12
表2灰化的水洗生物质的主要化学成份
  名称   SiO2   Al2O3   TiO2   Fe2O3   CaO   MgO   K2O   Na2O   SO3   P2O5   Cl   其他
  稻秸秆   80.7   3.01   0.1   1.28   4.54   1.7   0.3   0.5   0.2   -   0.04   7.63
  稻壳   90   0.08   0.01   1.28   0.9   0.55   0.6   0.12   0.1   0.13   0.09   6.14
  玉米秆   79.4   4.17   0.2   4.8   5.01   4.44   0.99   0.53   0.02   -   0.13   0.31
  油菜秆   61.76   0.02   -   -   14.98   1.38   6.02   0.97   1.27   1.77   1.71   10.12
从表1、2中可以看出生物质中的主要化学成分是SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3，与目前常用的粉煤灰、硅粉等混凝土掺合料非常接近。而且经水洗后生物质灰分所含SiO2含量百分比增大，碱金属及易挥发物质含量百分比减小。
表3为混凝土的配合比。单位体积混凝土水泥用量为375Kg,浆集比为：3:11。细骨料选用河砂中砂，粗骨料选用最大粒径不大于40mm的卵石，连续级配。
表3混凝土的配合比
Figure BDA00001629316800051
表4是灰化的水洗生物质掺量为胶凝材料总量的20%，水泥标号为32.5时，混凝土的主要技术性能。
表4
表5是灰化的水洗生物质掺量为胶凝材料总量的30%，水泥标号为32.5时，混凝土的主要技术性能。
表5
Figure BDA00001629316800053

Claims (9)

1.一种利用生物质制备混凝土掺合料的方法，其特征在于，将生物质干燥，在15℃~35℃条件下浸泡，水洗后，烘干；将经过上述处理的生物质灰化后得到的掺合料；
所述的生物质为经上述处理及灰化后的SiO2质量含量不低于30%的农林废弃物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物质在经处理和灰化后的SiO2质量含量55%~85%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的农林废弃物为秸秆、木屑、稻壳、树枝中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的秸秆为稻秸秆、玉米杆、油菜杆中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的农林废弃物为油菜杆。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的干燥为自然干燥；并在浸泡前，先进行细化，即控制生物质的长度不大于20cm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述浸泡的液固比为：V水:m生物质=15ml/g~30ml/g。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，浸泡时间为20~28小时。
9.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述的灰化是置于500—700℃下煅烧3~5个小时。
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