1. 引言

随着全球能源危机和环境问题的日益加剧，资源的高效利用和循环经济发展已成为全球关注的焦点。生物质灰渣作为生物质能利用过程中产生的废弃物，具有一定的资源属性和环境价值[1]。通过将其建材化利用，不仅可以实现资源的循环利用，还能减少对天然建筑材料的依赖，符合可持续发展的理念[2]。

生物质灰渣的大量堆积不仅占用土地资源，还可能对土壤、水体和空气造成污染[3]。特别是在“绿水青山就是金山银山”的发展理念下，如何妥善处理生物质灰渣已成为亟待解决的环境问题。将其转化为建筑材料，既能减少环境污染，又能降低建筑行业的碳排放，具有显著的环境效益。

近年来，中国政府高度重视固体废物资源化利用和绿色低碳发展。《“十四五”循环经济发展规划》明确提出要推动工业固体废物、农业废弃物等的资源化利用。生物质灰渣的建材化利用正是这一政策导向的具体实践，具有重要的政策支持和现实意义。

生物质能作为一种可再生能源，在我国能源结构中的占比逐年提高。据统计，截至2024年底，我国生物质发电装机容量已超过4000万千瓦[4]。然而，生物质发电过程中会产生大量灰渣，其处理和利用已成为生物质能发展的瓶颈问题。生物质燃料经燃烧后，部分无机成分和矿物质以固体颗粒的形式留存下来，形成灰渣；生物质灰渣按照收集方式可分为飞灰和灰渣。

随着环保法规的日益严格，传统的填埋或堆存方式已无法满足现代环境治理的要求。生物质灰渣的建材化利用不仅可以减少环境污染，还能推动绿色建筑的发展，符合国家“双碳”目标的要求。

随着建筑行业的快速发展，传统建筑材料砂石等的需求量持续增长，而资源短缺和成本上升已成为行业发展的重要制约因素[5]。生物质灰渣作为一种可再生资源，其建材化利用不仅可以缓解资源短缺问题，还能降低建筑成本。

2. 试验材料与预处理方法

2.1. 试验材料

本研究中所用的胶凝材料主要包括水泥，该材料是由河南天瑞水泥厂生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥；细骨料主要使用了天然河砂和生物质灰渣，生物质灰渣来自河南省延津长青生物质能源有限公司；粗骨料按照规范采用了5~10 mm粒径区间的小石子与10~16 mm粒径区间的大石子。天然河砂的基本物理性能如表1所示。

Table 1. Physical properties of natural river sand

表1. 天然河砂的物理性能

2.2. 预处理

由于生物质灰渣原材料露天存放，试验前需将生物质灰渣颗粒进行烘干处理，为了避免高温破坏生物质灰渣的物理化学性能，故而选择置于60℃的鼓风干燥箱中烘干。生物质灰渣颗粒烘干后使用鄂式破碎机破碎，将生物质灰渣颗粒粒径破碎筛分至4.75 mm以下。破碎后生物质灰渣的颗粒级配如表2所示，颗粒的累计筛余曲线如图1所示，基本物理性能如表3所示。

其中含水率与吸水率的试验方式参照国家现行标准《建设用砂》(GB/T 14684-2022) [6]对天然河砂与生物质灰渣两种骨料在室温下的含水率以及饱和面干状态下1 h的吸水率进行测试。

Figure 1. Particle size distribution curve of biomass ash residue

图1. 生物质灰渣颗粒级配曲线

Table 2. Grading of crushed biomass ash residue

表2. 破碎后生物质灰渣的级配

Table 3. Physical properties of biomass ash particles

表3. 生物质灰渣颗粒的物理性能

3. 试验方法

3.1. 生物质飞灰活性测试

试验所用设备为行星式水泥胶砂搅拌机，水泥胶砂试体成型振实台，棱柱体试模(40 mm × 40 mm × 160 mm)。胶砂用搅拌机按以下程序进行搅拌，采用手动控制，首先把水加入锅里，再加入胶凝材料，把锅固定在固定架上，上升至工作位置；立即开动机器，先低速搅拌30 s后，在第二个30 s开始的同时均匀地将河砂加入，把搅拌机调至高速再搅拌30 s；停拌90 s。在停拌开始的15 s内，将搅拌锅放下，用刮刀将叶片、锅壁和锅底上的胶砂刮入锅中；再在高速下继续搅拌60 s。胶砂制备后立即进行成型，将空试模和模套固定在振实台上，用料勺将锅壁上的胶砂清理到锅内并翻转搅拌胶砂使其更加均匀，成型时将胶砂分两层装入试模，每次装模完成后振实60次，共振实120次，振实完成后移走模套，用金属尺抹平，总抹平次数不超过3次。活性测试配合比如表4所示。

Table 4. Biomass fly ash activity test mix ratio

表4. 生物质飞灰活性测试配合比

将上述试块在标准养护环境下(GB/T 17671) [7]养护至28 d，按规定(GB/T 17671)分别测定对比胶砂和试验胶砂的抗压强度，强度活性指数按照公式(1)计算，结果保留至1%。

$H_{28}=\frac{R}{R_0}\times 100$ (1)

式中：

$H_{28}$ ——强度活性指数，%；

$R$ ——试验胶砂28 d抗压强度，单位为兆帕(MPa)；

$R_0$ ——对比胶砂8 d抗压强度，单位为兆帕(MPa)。

3.2. 生物质灰渣制备水泥砂浆

为了探究生物质灰渣的掺量与内养护效果对水泥基材料的影响程度，本节设计了三种掺量的水泥砂浆。将生物质灰渣颗粒按照11.01%的吸水率加入内养护水，在开始制备水泥砂浆的1 h前提前预湿生物质灰渣，目的是让生物质灰渣充分饱和的吸收水分。水泥砂浆制备方式和流程与3.1节试验方法一致，不同的是在第二个30 s开始的同时均匀地将河砂与生物质灰渣加入。水泥砂浆的配合比如表5所示。

Table 5. Cement mortar mix ratio

表5. 水泥砂浆配合比

4. 数据分析

4.1. 生物质飞灰的活性

将养护至28 d龄期的生物质飞灰活性指数测试试块按照规范进行抗压强度测试，抗压强度测试结果如图2所示，活性指数按照公式(1)进行计算，计算结果如表6所示。

Figure 2. Compressive strength of biomass fly ash

图2. 生物质飞灰的抗压强度

Table 6. Biomass fly ash activity index

表6. 生物质飞灰活性指数

根据表6所示结果，内掺10%生物质飞灰的强度活性指数为80%，内掺20%生物质飞灰的强度活性指数为73%，内掺30%生物质飞灰的强度活性指数为60%。可以观察到当生物质飞灰掺量从10%增至30%时，强度活性指数由80%降至60%，呈现显著剂量依赖关系。掺量每增加10%，强度损失约6.7~13.3个百分点，说明生物质飞灰存在明显的强度抑制作用。在掺量 ≤ 20%时，强度活性保持基准材料强度的73%以上，而30%掺量时强度骤降至60%，表明20%~30%区间可能存在活性组分稀释的临界阈值。

究其原因，当生物质飞灰掺量增加，水泥基材占比相应减少，导致C₃S、C₂S等活性矿物相总含量线性下降；生物质飞灰中有效SiO₂、Al₂O₃含量低于一级粉煤灰的7标准，当掺量超过20%时，有效活性物质总量无法满足火山灰反应需求，导致二次水化反应停滞；微结构方面，生物质飞灰可能含有未燃尽的碳或多孔结构，增加掺量会引入更多缺陷，影响密实度，导致孔隙率增加，从而强度下降。

而在10%掺量时仍保持80%强度活性，可直接用于地砖、路缘石等承重要求低的建材，也作为辅助胶凝材料与矿渣、粉煤灰复配，通过多元协同效应提升性能；或者通过机械活化来提高强度活性指数，比如通过球磨处理改善颗粒级配，提高比表面积等。

4.2. 生物质灰渣水泥砂浆的强度

分别测试不同掺量的生物质灰渣水泥砂浆试块3 d、7 d、28 d的抗折抗压数据，抗折数据如表7所示，抗折曲线图如图3所示；抗压数据如表8所示，抗压曲线图如图4所示。

Table 7. Anti bending data of cement mortar test blocks

表7. 水泥砂浆试块抗折数据

Figure 3. Flexural strength of biomass ash residue

图3. 生物质灰渣的抗折强度

根据上图可以观察到，生物质灰渣水泥砂浆的抗折强度与掺量呈正相关，虽然在3 d龄期时，内掺组均略低于对照组；7 d龄期时，只有内掺15%生物质灰渣的抗折强度低于对照组；但在28 d龄期时，内掺5%、10%、15%生物质灰渣的抗折强度均高于未掺灰渣的抗折强度(6 MPa)，抗折强度分别为6.1、6.3、6.3 MPa。

生物质灰渣经1 h预湿后，其内部孔隙吸水率为11.01%，在水泥水化放热阶段，灰渣内部水分通过毛细作用逐步释放，使浆体内部相对湿度变化程度小，灰渣释放的水分加速了C₃S的溶解和C-S-H成核，缓解了灰渣掺入导致的早期水化抑制现象，灰渣释放的水分与Ca(OH)₂形成碱性溶液，促进灰渣中活性SiO₂、Al₂O₃的溶解，说明内养护环境更利于二次水化产物的持续生成；预湿过程可去除灰渣表面吸附的粉尘和未燃尽碳颗粒，并且生物质灰渣表面粗糙，生物质灰渣颗粒表面粗糙度显著高于河砂，粗糙表面提供更大的表面积，增强水泥水化产物的锚固作用，其多棱角形态在浆体中形成“锚固效应”，在砂浆中提供更大的机械咬合力，粗糙表面使水化产物C-S-H凝胶的渗透深度增加，形成更致密的界面过渡区，使灰渣-水泥界面过渡区粘结强度提升，抑制微裂纹萌生，且生物质灰渣表面的多孔结构使其与水泥水化产物的结合更加紧密，形成应力屏障，迫使裂纹绕行或终止于骨料表面，最终提升生物质灰渣的抗折强度。

Table 8. Cement mortar compression data

表8. 水泥砂浆抗压数据

Figure 4. Compressive strength of biomass ash residue

图4. 生物质灰渣的抗压强度

从图4中可以观察到，内掺量5%~15%时，3 d抗压强度较未掺组降低0.3~0.6 MPa，但掺量15%时强度略高于10%组，表明灰渣早期可能通过微集料填充弥补部分胶凝损失；掺量5%~10%的7 d强度接近未掺组，但15%掺量组强度显著降低，说明高掺量下火山灰反应尚未充分启动；掺量 ≤ 10%时，28 d强度保持未掺组的95.4%~95.6%，而15%掺量组强度骤降至37.5 MPa，揭示高掺量下活性不足的瓶颈。

生物质灰渣替代河砂后，尽管水泥用量未减少，但其活性组分早期未能参与水化反应，导致有效胶凝物质总量未增加，是抗压强度下降的主要原因。生物质灰渣经1 h预湿后，其内部孔隙在水泥水化放热阶段逐步释放水分，维持浆体内部湿度，这种水分补给使灰渣周边形成高湿度微区，促进未水化水泥颗粒的持续反应。小于10%替代河砂时，胶凝稀释、火山灰反应与内养护效应形成动态平衡，28 d抗压强度降幅控制在5%以内，满足工程容许范围。15%掺量时，胶凝体系失衡、孔隙劣化与火山灰反应滞后形成负向循环，导致强度显著下降。当生物质灰渣掺量过高时，由于生物质灰渣本身粗糙多孔，孔隙率远高于河砂，内养护效应无法弥补材料本身的劣性，导致抗压强度与掺量形成负相关趋势。

5. 结论

(1) 生物质飞灰的掺量从10%增至30%时，其28 d强度活性指数由80%降至60%，掺量每提升10%平均损失13.3%强度，表明其火山灰活性显著弱于传统矿物掺合料，但10%掺量时强度活性达80%，可满足非承重建材需求。

(2) 预湿灰渣通过持续释放水分，维持浆体湿度，促进28 d时火山灰反应充分发展，灰渣粗糙表面与多孔结构形成机械咬合，提升界面过渡区粘结强度，抗折强度反超未掺组。

(3) 生物质灰渣掺量小于10%时，28 d抗压强度保持在未掺组的95%左右，抗压强度损失小于5%，可满足承重结构的需求。

(4) 飞灰宜作为辅助胶凝材料控制掺量 ≤ 20%，灰渣替代河砂的安全阈值为≤10%，二者协同可实现固废资源化与建材低碳化的双赢目标。

参考文献