评估高损耗的桉树灰对水泥基浆体性能的影响

《Journal of Building Engineering》：Evaluating the Impact of High-Loss on Ignition Eucalyptus Ash on Cement-based Paste Properties

　　

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  由于SiO₂/Al₃O₂含量较低，EBA可作为非火山灰质填料使用。
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  经过研磨后，EBA的多孔结构仍得以部分保留。
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  较高的LOI值并未影响水泥基浆体的水化速率。
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  EBA替代比例较低时，可提升早期抗压强度。

引言

可再生能源是减少化石燃料使用的可持续选择，而化石燃料正是导致气候变化和环境恶化的主要因素。在各类可再生能源中，生物质因其除水力发电外还能储存和运输而不必先转换为电能，因而成为重要替代能源[1]。通过生物能源与碳捕获储存技术，当生物源碳被捕获并储存起来时，或者当部分碳残留在生成的灰分中时，生物质燃烧可实现负排放[2]。在固体生物燃料中，由于CO₂以新形成的碳酸盐形式固定在燃烧残留物（灰分）中，因此可实现碳的留存[3]。

根据世界生物能源协会的数据，2023年全球生物质供应量达56艾焦，其中木屑、颗粒状物和木炭等固体生物质占总量的83%[4]。柴火和木炭是为满足能源需求而专门生产的生物质典型例子。这类材料通常被归为专用生物质[5]，源自为生产能源而种植的森林。2023年，全球专用能源林共产出约17亿立方米的木材燃料以及5900万吨木炭[4]。

在各类木质生物质来源中，桉树种植园因生长迅速且生产力高而在多个国家占据主导地位[6]。例如在巴西，用于工业用途的桉树种植面积占比达77%（相当于810万公顷）[7]。有利的气候条件以及多年来在森林管理技术和基因改良方面的持续研究[8]，使得巴西桉树种植园的平均年产量可达每公顷33.7立方米（含树皮）[7]。除了具备工业界所要求的较高强度[9]（如用于造纸、建筑和能源领域），桉树还能通过固碳作用成为生物源碳储存库[10]。

根据燃烧温度的不同，桉树中的生物源碳可能全部或部分释放出来。在相对较低的燃烧温度下（低于500℃），灰分中的碳酸钙（CaCO₃）保持热稳定性而不分解，从而使得原始生物质中的CO₂得以留存[11]。因此，桉树灰分的点火损失率可能非常高，有些案例中甚至高达60重量%[12]，若将其作为矿物添加剂使用，有望实现长期碳封存[13]。此外，桉树较低的燃烧温度还会使灰分中形成结构各异的颗粒。这些颗粒由燃烧不充分的纤维构成，具有清晰的壁结构和通道，类似于木材的解剖结构[11][12]。而高温燃烧产生的飞灰和灰分的表面较为光滑，有时甚至呈球形，通常不具备此类特征[11][14][15]。

桉树灰分的多孔结构使其比表面积增大，这可能为水泥基水化产物的成核提供更多位置。不过，较高的比表面积也会增加对水的需求，进而可能降低砂浆的初始可操作性[15][16]。尽管存在这一缺陷，Fran?a等人[15]发现，在初期可操作性有所下降后，随着灰分含量的增加，用更细的灰分颗粒部分替代水泥反而能提升砂浆的可操作性。此外，Fran?a等人[15]还发现，与普通砂浆相比，用桉树灰分部分替代水泥的砂浆具有更高的保水能力。如果需要较长时间的塑性状态，比如用于涂层砂浆施工，较高的保水能力则是一个优势[17]。

虽然先前的研究表明，大量使用桉树灰分替代水泥会导致抗压强度下降[12]，但另有研究指出桉树灰分实际上能提升抗压强度[14]。这种提升被认为是因为颗粒尺寸的减小增强了水泥基体系中的物理效应。不过，当替代比例较低时，桉树灰分的高结晶度及其由此带来的低反应性会限制其效果[12]。需要强调的是，在用桉树灰分替代水泥之前，通常会先对其进行研磨和筛分处理[16][18]。

尽管已有研究探讨了将桉树灰分作为矿物添加剂的可行性，但大多数研究主要关注砂浆的力学性能。此外，未燃尽碳含量较高的灰分（即高LOI灰分）的相关特性仍不甚清楚，尤其是其对水泥水化机制的影响。Bonfim和De Paula[12]虽然研究了高LOI灰分，但使用了较高替代比例（10–30重量%）且颗粒较粗，这可能掩盖了该材料在砂浆中的真实作用。相比之下，Couto等人[16]研究了替代比例较低（3重量%）且LOI值较低的细颗粒。尽管这些研究取得了令人满意的结果，但并未阐明其背后的水化机制。针对水泥浆体的研究也尚未得出明确结论。Couto等人[19]观察到水化过程有所延迟，但由于使用了未研磨的灰分，出现了负面的颗粒尺寸效应。因此，有必要进一步研究高LOI桉树灰分在水泥水化中的作用，尤其是在通过研磨改变颗粒尺寸的情况下。为填补这一研究空白，本研究旨在评估研磨后的桉树灰分作为矿物添加剂的效果，重点研究其对水泥浆体水化速率及力学性能的影响。

章节要点

桉树生物质灰分（EBA）的采集、研磨与表征

该桉树生物质灰分是在巴西戈亚斯州的一家农产品公司采集的。这家农业企业将Eucalyptu urocam树干作为可再生资源，用于平均运行温度为400℃的热电联产工业锅炉中。采集到的原灰分首先经过2.36毫米筛网筛分，以去除较大的杂质（如小石子、土壤、金属丝和纤维），随后在滚磨机中研磨，得到D₅₀（50%通过颗粒尺寸）值

EBA的表征

表2显示了EBA的氧化物组成。其中CaO是最主要的氧化物，占比为20.8重量%，而K₂O、Fe₂O₃和Al₂O₃的含量则相对较低，分别为3.8、2.2和1.7重量%。此前也有研究观察到生物质灰分具有类似的成分[12][16]。较低的SiO₂含量（1.1重量%）可能是由于最初的筛分过程有效去除了较大杂质所致。而由于土壤污染，也有研究在桉树灰分中检测到高达64重量%的SiO₂含量[15]

结论

本研究表明，桉树生物质灰分（EBA）可作为一种可持续的矿物添加剂，应用于水泥基材料中。由于其SiO₂含量较低且结晶度较高，EBA主要起到惰性矿物添加剂的作用，而非活性火山灰。其有益效果源于物理机制，具体而言，灰分较高的比表面积有助于异质成核，从而在一定程度上缓解了早期水泥被稀释的问题

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献说明

Carine de Souza Gon?alves：撰写——初稿、方法学、研究实施、正式分析、概念构建。Amanda Pereira Vieira：撰写——审阅与编辑、资源获取、方法学、概念构建。Guilherme Chagas Cordeiro：撰写——审阅与编辑、验证、指导、方法学。Romildo Dias Toledo Filho：撰写——审阅与编辑、验证、指导、方法学

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Romildo Dias Toledo Filho表示其获得了巴西高等教育发展委员会——CAPES的财政支持。其他作者则声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分资金由巴西高等教育发展委员会——CAPES提供（资金代码为001）。作者同时感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）的支持。

Carine de Souza Gon?alves|Amanda Pereira Vieira|Guilherme Chagas Cordeiro|Romildo Dias Toledo Filho