蔗渣灰特性及其在建筑材料的应用研究综述

黄 萍，徐 青，吴能森，李佳佳，郑小燕

福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350108

随着人口的增加与社会的发展，农业生产迅猛，产生大量农业垃圾。农业垃圾通常用作生物质燃料焚烧转化为能源，以满足工业发展的需要。焚烧后产生的生物质灰是农业生产链的最终废弃物，产量正逐年增加。生物质灰因富含二氧化硅（SiO2），具备资源可持续利用的特点，目前已成为建筑材料领域的研究热点。研究发现，生物质灰如稻壳灰［1］、竹茎灰［2］、麦秆灰［3］等可用于制备混凝土、砖块等建筑材料。

蔗渣灰是制糖业副产品甘蔗渣经焚烧后由除尘装置得到的灰分。蔗渣灰来源稳定、基数大、燃烧所释放的二氧化碳量远低于植物生长周期中排放的氧气量，是一种绿色材料［4］。自1998年Hernández等［5］发现蔗渣灰具有一定的火山灰活性后，大量的研究集中在将其应用于建筑材料领域。在建筑材料中合理利用蔗渣灰，既能保证建筑材料的性能，又可减少环境污染及资源浪费，符合当今社会绿色、可持续发展的要求，具有广阔的应用前景。

1 蔗渣灰目前应用方式及存在问题

甘蔗是一种生长于热带和亚热带的农作物，因其纤维茎中积累着丰富的蔗糖，是制糖工业的原料。现阶段，我国蔗糖总产量仅次于巴西和印度，位居世界第三［6］。作为甘蔗生产大国，中国数据网提供的数据显示，2020年我国甘蔗播种面积达到1.353 38×106hm2，甘蔗产量达到1.081 210×108t。图1显示了蔗糖的生产工艺流程，每压榨10 t甘蔗会产生约3 t甘蔗渣［7］。甘蔗渣是一种转化效率很高的生物质燃料，通常在糖厂锅炉内燃烧，燃烧后产生的蔗渣灰成为甘蔗产业链的最终废弃物，约占甘蔗渣质量的4%［8］。仅在中国，每年可生产1.25×106～2.00×106t蔗渣灰［9］。世界三大蔗糖生产国对蔗渣灰的处理有所不同，在印度通常作为废弃物填埋处理［6］；而在巴西和中国，常与酒精或甘蔗饼相结合，用作甘蔗种植园的肥料［10］。然而，Sales等［11］的研究表明，蔗渣灰作为肥料无足够的矿物质营养，并且其浸出试验显示铝、铬、铅和总酚超出了NBR 10006标准允许的水平。同时，Batra等［12］研究发现，蔗渣灰内的未燃烧物质和细颗粒，存在污染土壤和水源的隐患。因此，蔗渣灰无论是填埋处理或用作有机肥料，均有造成环境污染的可能。但将蔗渣灰应用于建筑材料领域，重金属浸出并不会引起环境污染［4］。

图1 蔗糖的生产工艺流程Fig.1 Production process of sugar cane

由于蔗渣灰富含SiO2并有一定的火山灰活性，且加工工艺简单，国外学者开展了蔗渣灰在建筑材料领域的应用研究［9］，如利用蔗渣灰生产混凝土、砖块和土壤固化剂等［10］。然而，国内学者对蔗渣灰的特性及其利用价值的探索较为缺乏［6］。中国是世界第三大蔗糖生产国，蔗渣灰的研究和应用与国家可持续发展战略相适应，既可助力推动中国农业的发展，也可以为开发绿色环保的建筑材料提供新思路。

2 蔗渣灰的特性

蔗渣灰的特性与其他生物质灰相类似，具有多样性，不能一概而论。甘蔗品种、生长环境、收获设备、蔗渣纯度、锅炉设备、燃烧温度和时间、蔗渣灰收集方法和处理方式等因素均会对蔗渣灰的性质产生影响［13］。

2.1 宏观形态

蔗渣灰在糖厂锅炉内燃烧时，由于燃烧不完全导致含碳量高，故呈现为黑色［13］。Embong等［14］对甘蔗渣进行不同温度、不同时长的煅烧，得到的蔗渣灰细度和宏观形貌差异较大。如图2所示，随着锻烧温度及时间的延长，颜色由黑色转变为白色。有研究表明，煅烧温度在700℃时蔗渣灰开始结晶，超过800℃时产生白色结晶颗粒，900℃以上时呈现为白色灰分［15］。由于糖厂锅炉内燃烧温度不受控制，所以原始蔗渣灰是由各种颜色和形状混合而成，整体表现为深黑色至浅黑色不均质粉状。

图2 在不同煅烧温度煅烧不同时间后蔗渣灰的形貌［14］Fig.2 Appearance of sugar cane bagasse ashs with different calcination temperatures and durations［14］

2.2 物理性质

从锅炉中收集到的原始蔗渣灰为轻质多孔纤维状，具有较大的粒径、高孔隙率、低比表面积（145～196 m2/kg）［14］。表1归纳了在近年研究中，原蔗渣灰及其在不同处理方式下的主要物理性质。从表1中可以发现，筛分和球磨均会对蔗渣灰的粒径和比表面积产生较大影响，但表观密度不发生改变。由于蔗渣灰的组成和形态受温度影响，同一时段内随着煅烧温度的提升，蔗渣灰的比表面积随之提升［15］。

表1 不同处理方式下的蔗渣灰物理性质Tab.1 Physical properties of sugar cane bagasse ash under different treatments

2.3 微观形态

利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）对蔗渣灰颗粒进行研究，发现其颗粒主要呈现纤维状（图3中A形态）、棱柱状（图3中B形态）、球状（图3中C形态）和不规则状（图3中D形态）4种形态。其中，棱柱状颗粒和不规则颗粒富含硅（Si），这是蔗渣灰中SiO2含量高的本质［28］；球形颗粒，是由无机物质如磷（P）、钾（K）、镁（Mg）等在高温下熔化形成［27］；而纤维颗粒中80%以上的元素组成是碳［28］。Batool等［28］为进一步观察蔗渣灰中纤维颗粒的结构，通过不同放大倍数的SEM，发现纤维颗粒内部微观结构呈空心通道［图4（b）］，这是细胞壁内的细胞通道，其表面覆盖均匀光滑的纤维素片层［图4（c）］，即碳纤维状的细胞结构［12］。

图3 蔗渣灰的SEM图［28］Fig.3 SEM image of sugar cane bagasse ash［28］

图4 不同倍数下蔗渣灰纤维颗粒的SEM图：（a）纤维颗粒，（b）纤维颗粒内部空心通道，（c）纤维素片层［28］Fig.4 SEM images of sugar cane bagasse ash fiber particles under different magnifications：（a）fiber particles，（b）hollow channels inside fiber particles，（c）fiber sheet layer［28］

2.4 化学成分

尽管不同来源的蔗渣灰化学成分有所差异，但蔗渣灰的主要成分为SiO2，还包含铝及其他金属氧化物。通过表2归纳的部分文献中蔗渣灰的化学成分发现，蔗渣灰中SiO2的质量分数为50%～80%，三氧化二铁（Fe2O3）的质量分数为1%～10%，三氧化二铝（Al2O3）的质量分数为3%～15%，氧化钙（CaO）的质量分数为0.5%～5.0%，氧化钾（K2O）的质量分数为1.50%～10%。按照美国材料试验标准ASTM C618-08a规范，当SiO2、Fe2O3、Al2O3的质量总和占总质量的70%时，可归类为F类火山灰。根据该标准，表2中的蔗渣灰均可归类为F级火山灰材料。

表2 蔗渣灰的化学成分Tab.2 Chemical composition of sugar cane bagasse ash %

2.5 矿物学组成

蔗渣灰中的矿物相有SiO2、Fe2O3和钠长石（NaAlSi3O8）等［27］。其中，以非晶态SiO2石英相（Q）和晶态SiO2方石英相（C）为主［29］。SiO2的主要两大来源：①在生长期间，甘蔗根系吸收土壤中的单硅酸（H4SiO4），运输至甘蔗组织内并沉淀；②收割甘蔗的过程，土壤砂石带来［24］。因此，种植甘蔗的土壤条件（如干湿条件、金属杂质、酸碱值和肥料类型）通过影响收割的甘蔗从而对蔗渣灰的矿物成分含量产生影响［30］。煅烧温度影响非晶态SiO2向晶态SiO2的转化，因此蔗渣灰的矿物组成与煅烧温度密切相关［31］。通过分析不同煅烧温度下蔗渣灰的X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）［图5］［15］，在700℃煅烧温度下非晶态SiO2向结晶SiO2转化；当煅烧温度到800℃时，非晶态SiO2转化为晶体SiO2，这表明随着煅烧温度的升高蔗渣灰内SiO2结晶度增加。有研究指出，控制煅烧温度在600℃，可以保证蔗渣灰以非晶态SiO2为主［32］。

图5 煅烧蔗渣灰的XRD图［15］Fig.5 XRD patterns of calcined sugar cane bagasse ash［15］

综合上述研究结果：（1）原始蔗渣灰是一种富含SiO2的非均质、F级火山灰材料；（2）不同的处理（如筛分、球磨及煅烧）方法对蔗渣灰的物理性质（形状、比表面积、平均粒径等）、化学成分以及矿物学组成产生影响。因此，不同批次、不同来源的蔗渣灰性质有所差异，需单独分析其性质才能确定最佳处理方法及应用范围。

3 蔗渣灰用于建筑材料的处理方法

由于糖厂锅炉锻烧不均，导致蔗渣中木质纤维未充分燃烧，因此得到了高含碳量、高烧失量、低非晶态SiO2含量（一般低于50%）的原始蔗渣灰［34］。而非晶态SiO2含量决定了蔗渣灰的火山灰活性。低火山灰活性、粗粒径和高烧失量的原蔗渣灰对水泥砂浆的抗压性能产生负面的影响［35］。因此，对原蔗渣灰进行合适的预处理提高其火山灰活性，是进一步开发蔗渣灰利用价值、拓宽蔗渣灰应用领域的关键。

3.1 控制煅烧条件

由蔗渣灰特性可知，煅烧温度会显著影响蔗渣灰的矿物组成、颗粒形态。实验证明，通过控制煅烧温度和煅烧时间可使蔗渣灰中部分SiO2保持非晶态形式，从而提高蔗渣灰的火山灰活性［32］。通过测试600、700、800、900℃温度下蔗渣灰的强度活性指数，发现其随温度升高呈现先升后降的趋势［15］。文献［33］指出，蔗渣灰在550℃温度下煅烧3 h后强度活性指数提高了72%～95%。这与Cordeiro等［36］提出的最佳的煅烧温度应在500～600℃且不超过800℃相近似。

煅烧条件对蔗渣灰火山灰活性的影响不仅限于煅烧温度、煅烧时间，其他煅烧条件（如加热速率［36］、煅烧设备［35］以及冷却方式［15］）均会对蔗渣灰的火山灰活性造成影响。

3.2 降低粒径细度

蔗渣灰与其他火山灰材料相似，其活性受到细度的影响［13］。通过增加蔗渣灰的细度，蔗渣灰的火山灰活性指数可以从50%增加到100%［16］。筛分与球磨是降低蔗渣灰细度的两种主要方法。

纤维颗粒粒径较大，通过筛网，可减少高碳含量的纤维状颗粒。Paya等［38］通过850、150、45 μm筛网分别对原始蔗渣灰进行分级，再利用热重分析仪（thermogravimetric analysis，TGA）分析，发现通过850、150 μm筛网可去除蔗渣灰中的高含碳量颗粒。

球磨是通过增加蔗渣灰比表面积，引入缺陷和反应核，减少结晶SiO2的负面影响，进而提高其火山灰活性［38］。有研究指出，蔗渣灰的细度与其火山灰活性指数之间呈线性关系［39］。将蔗渣灰球磨至特定的细度（300～320 m2/kg），可以激发其火山灰活性［40］；不同的球磨设备及球磨方法都会影响蔗渣灰的细度，如振动磨机较滚磨机在同样的时间内可得到较细的蔗渣灰［16］；一种两段分级研磨方法，可降低蔗渣灰中结晶SiO2的含量［33］。

3.3 降低烧失量

蔗渣灰成分中包含的碳（碳酸盐和非燃烧的有机碳）和水，用烧失量表示［41］。不充分的煅烧，会导致蔗渣灰烧失量较高，约在0.40%～24.15%之间［42］。加入烧失量高（大于10%）的蔗渣灰，会明显降低混凝土早期抗压强度［26］。

根据现有的研究结果，可以通过以下方法降低烧失量：①通过浮选［12］、工业振动筛［17］将未燃烧颗粒分离出来，剩下富含SiO2的颗粒；②通过控制煅烧温度不低于550℃，但温度过高的对降低烧失量的影响不再显著［26］。

根据现有研究结果，蔗渣灰的火山灰活性随加工方法的不同而有显著差异。但仅靠单一方法效果不佳，需结合两种以上的处理方法［17］。已有研究表明，煅烧处理会延长达到所需细度的球磨时间［33］。此外，室温下延长蔗渣灰煅烧的冷却时间（6 h）可改善蔗渣灰细度［13］。因此，筛分和球磨的处理一般先于煅烧处理。理想的处理方法应是步骤简单、低能耗，并能达到蔗渣灰最佳的火山灰活性，但这一综合处理策略目前有待进一步去探索。

4 蔗渣灰在建筑材料的应用研究

蔗渣灰因富含SiO2和具有一定的火山灰活性，在建筑材料领域中得到了广泛的应用研究，并取得了较好的实验结果。蔗渣灰应用于建筑材料可促进建筑材料领域的可持续性发展。

4.1 在混凝土生产的应用

混凝土是建筑领域中应用最广泛的材料，但传统混凝土原材料的生产不仅耗费资源，而且对环境产生不利的影响。混凝土原材料的绿色化已成为混凝土材料领域的研究趋势。用蔗渣灰替代混凝土的原材料是蔗渣灰在建筑材料领域的研究热点，研究发现蔗渣灰可作为绿色原材料替代混凝土中的水泥和骨料。

蔗渣灰可以用来替代水泥［43］，也可以与纳米SiO2［44］、棕榈油燃料灰［45］、稻壳灰［40］等混合替代水泥，可以生产出普通混凝土［9］、高性能混凝土［46］、自密实混凝土［47］、再生骨料混凝土［48］和碱激发混凝土［49］，并能改善混凝土的力学性能［27］，降低水化热［50］，改善孔隙结构［46］，降低混凝土的渗透性［51］；添加高达20%～25%质量分数的蔗渣灰替代水泥对混凝土的耐久性无负面影响［51］。Katare等［13］整理总结出了针对混凝土各种性能的最佳蔗渣灰质量替代率范围，并提出替代水泥时，25%为最佳替代率。

但由于蔗渣灰在电厂锅炉中燃烧不均匀，部分蔗渣灰不具有良好的火山灰性，不宜作为水泥替代品使用。但可利用其SiO2含量高的特点，作为良好的骨料加入混凝土中。有研究指出，高SiO2含量的蔗渣灰，表现出与天然砂相似的物理性能，可作为细骨料使用［11］。Dayo等［52］用不同质量分数（10%、20%、30%、40%）蔗渣灰代替河沙，结果表明，10%质量分数的蔗渣灰替代河沙制备的混凝土抗折强度上升了14.41%。蔗渣灰通过进一步预处理，控制其粒径大小作为细骨料的替代品，可提高混凝土的密实性［53-54］和耐久性［55］。

4.2 在砖块生产的应用

研究人员将各种废料用作制造砖块的添加剂，以降低生产成本并提高砖块的性能。目前，已有研究将蔗渣灰应用于生产非烧结砖［9］、人行道砖［10］、土砖［56］等。利用蔗渣灰生产砖块，可以生产出更高质量、更环保的砖块。

由于蔗渣灰内高含量的SiO2，将5%质量的蔗渣灰掺入烧制黏土砖，可以生产出更轻便、更环保的砖［56］。另一项试验结果表明，在黏土砖［57］中，用蔗渣灰替代质量分数高达20%的黏土，仍能保持砖块的力学性能。Alavéz-Ramírez等［58］证明，用10%质量分数的石灰与10%质量分数的蔗渣灰混合生产土砖后，压缩土砖的机械性能和耐久性显著改善。

4.3 在地基处理中的应用

水泥作为一种土壤固化剂，广泛应用于地基处理中。但水泥的生产排放大量二氧化碳，带来极大的环境问题。近几年来，如何生产绿色土壤稳定剂是地基处理研究的热点。利用蔗渣灰可以生产适合于不同土质的固化剂。

蔗渣灰虽不能单独作为土壤的稳定剂，但5%质量的蔗渣灰与水泥混合可作为土壤稳定剂，降低水泥用量［59］。蔗渣灰掺合水泥对红土的稳定性起到了积极的作用，红土的最大干密度、最佳含水率和稳定基质强度均随着渣灰含量的增加而增大［60］。Sabat等［61］对膨胀土（粉质黏土）固化剂进行研究，发现采用8%质量分数的蔗渣灰与16%质量分数的石灰泥混合为最佳固化结果。一项最新研究表明，质量分数为60%的蔗渣灰和质量分数为40%的高炉渣可以用作柔性路面加筋基层［62］。但蔗渣灰在地基处理中的应用，不同地质情况下的使用效果不尽相同，目前在此方面的应用研究尚需进一步地探索。

5 总结与展望

中国是世界第三大蔗糖生产国，研究蔗渣灰的高价值利用，有助于促进我国农业经济的可持续发展。蔗渣灰在建筑材料领域的应用，不仅降低原材料成本，而且减少了环境污染，是符合可持续发展理念的环保建筑原材料。依据现有的蔗渣灰特性、处理方法以及应用研究现状，得出以下结论并提出展望：

（1）蔗渣灰SiO2含量高，为F级火山灰材料；其形态、矿物学组成受煅烧条件的影响，物理性质受到其品种、生长环境以及处理方式的影响。因此，对于不同来源的蔗渣灰需要逐一分析其性质，以便制定出相适宜的处理方法和应用范围。

（2）提高蔗渣灰的火山灰活性，可扩大其应用范围。通过控制煅烧条件、降低粒径细度、降低烧失量来提高蔗渣灰的火山灰活性。但单一的处理方式，不能高效地提高蔗渣灰火山灰活性，通常采用筛分、球磨、煅烧相结合的方法。然而，最佳的处理策略仍处于研究阶段，尚未得到广泛的研究应用。

（3）蔗渣灰作为水泥和骨料应用于混凝土材料，可降低环境影响、保证力学性能、提高混凝土耐久性，是目前蔗渣灰在建筑材料领域的热点应用研究。蔗渣灰可作为生产多种环保型砖块的原材料。掺入一定比例的蔗渣灰和水泥可以制备环境友好型土壤固化剂。但研究有限，含蔗渣灰土壤固化剂并未广泛应用于各类土质中，且对于其综合性质的研究较为空白。

（4）蔗渣灰在建筑材料领域的应用研究，已取得了良好的成效。在建筑材料领域中应用蔗渣灰，对于废弃物管理、环境保护、降低建筑材料成本方面具有深远意义，是符合可持续发展的应用。但蔗渣灰的绿色高值化利用，需要主产区政策引导和相关法规，形成生产链条，才能开展工程化应用。