草木灰-棉秆纤维水泥基材料性能研究及环境效益分析
“双碳”背景下,固废高效利用是减碳绿色发展的必由之路,近年来随着南疆工业的快速发展与棉花产业的不断壮大,工业固废和农业固废的占比逐渐增大,固废在建筑材料方面的应用已经成为固废资源化利用的主要途径之一。本研究以棉秆纤维作为水泥基材料的加筋材料,以生物质电厂废弃物草木灰作为掺合料替代水泥,制备草木灰-棉秆纤维水泥基材料。研究先以草木灰的细度作为控制指标,通过分析不同细度的草木灰对水泥标准稠度用水量、水泥胶砂流动度和强度等指标的变化得出适宜的草木灰细度,对比草木灰和粉煤灰在单掺和复掺情况下对水泥胶砂的力学性能变化来分析草木灰替代水泥的可行性;通过研究棉秆纤维掺量对水泥基材料的物理力学性能影响,确定棉秆纤维最佳掺量;并采用宏观和微观相结合的方法探究草木灰替代率对棉秆纤维水泥基复合材料的物理力学性能影响及微观结构变化,确定草木灰的适宜掺量;最后采用生命周期评价法（LCA）对草木灰的两种处理方式（直接填埋和替代水泥）进行定性与定量的环境评价。主要研究内容和结果如下:（1）草木灰替代水泥量固定为10%,探究不同细度的草木灰对水泥的标准稠度用水量及水泥胶砂流动度和强度的影响。结果表明:随着草木灰细度的减小,水泥标准稠度用水量先降低后增加、水泥胶砂流动度先增大后减小、水泥胶砂强度先增长后降低,综合比较得出草木灰最佳细度为6.9%。通过对水泥胶砂力学性能探究发现:单掺草木灰和粉煤灰时,前28 d龄期内草木灰-水泥胶砂抗压强度高于粉煤灰-水泥胶砂抗压强度,当掺和料替代水泥量为10%时,草木灰-水泥胶砂3 d、7 d、28 d抗压强度分别比粉煤灰-水泥胶砂抗压强度高21%、17%、18%;养护龄期为90 d时,粉煤灰-水泥胶砂强度抗压强度高于草木灰-水泥胶砂抗压强度,当掺和料替代水泥量分别为5%、10%、15%时,粉煤灰-水泥胶砂90 d抗压强度比草木灰-水泥胶砂90 d抗压强度分别高2%、5%、31%。草木灰和粉煤灰复掺后水泥胶砂的抗压强度比单掺高,复掺5%粉煤灰和10%草木灰试验组水泥胶砂3 d、7 d、28 d、90 d抗压强度比单掺15%草木灰试验组水泥胶砂抗压强度分别提高了5%、5%、4%、32%。从抗压强度来看,草木灰可以作为一种和粉煤灰作用相同的掺合料。（2）随着棉秆纤维掺量增加,水泥基材料的干表观密度及导热系数降低、水泥基材料的压折比呈现先降低后增加的趋势。通过对棉秆纤维水泥基复合材料力学性能研究表明:水泥基材料抗压强度随棉秆纤维掺量增加而降低,且在养护初期（＜7 d）和养护后期（＞56 d）抗压强度增长较慢;水泥基材料抗折强度随棉秆纤维掺量增加呈现先增加后降低的趋势,水泥基材料抗折强度随养护龄期增长呈现先增加后降低的特点。当棉秆纤维掺量为2%时,水泥基材料的抗折强度最高,压折比最小。（3）随着草木灰替代率的增加,棉秆纤维水泥基复合材料的吸水率增大、干表观密度降低、导热系数呈先降低后增加的趋势;棉秆纤维水泥基材料的抗压强度随草木灰替代率的增加而降低,草木灰对棉秆纤维水泥基材料后期抗压强度影响要强于其对前期抗压强度影响,当草木灰替代率为20%时,3 d、28 d、56 d抗压强度较基准组分别下降42%、38%、32%;棉秆纤维水泥基材料抗折强度随草木灰替代率增加总体上呈降低的趋势,当草木灰替代水泥量为10%以内时,棉秆纤维水泥材料的抗折强度下降不显著。从强度角度考虑,草木灰的最佳替代率为5%。通过SEM和XRD微观技术分析发现,草木灰改善了棉秆纤维水泥基材料内部结构,减少了Ca（OH）2和AFt的含量,促进了水泥的水化程度。（4）通过对草木灰的方案1（草木灰直接填埋）和方案2（草木灰替代水泥）2种方案进行全生命周期环境影响评价发现,方案1会带来各种环境影响,方案2能带来各种环境效益,且方案2的环境效益远超过方案1的环境影响。对生命周期结果解释发现草木灰在资源化利用过程中要避免长距离运输,因为运输阶段的能源消耗与排放有可能抵消掉草木灰资源化利用的优势。
- 作者：
- 王柯
- 学位授予单位：
- 塔里木大学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2022年
- 导师姓名：
- 安巧霞
- 中图分类号：
- TU528
- 关键词：
- 草木灰；棉秆纤维；水泥基；物理性能；力学性能；生命周期评价
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- 基金项目：
- 国家自然科学基金新疆联合基金重点项目“填充棉杆-EPS 砌块村镇住宅复合墙体受力机理研究”的部分研究成果（项目编号:51668054）,课题主持人:安巧霞教授（塔里木大学）