摘要: 可持续利用生物质作为可再生能源, 可以替代化石能源和解决有关全球变暖的成本。从植物生物量中生产生物燃料不仅是基于生物的能量, 还包括含有木质素、改性木质素和木质素衍生物的副产品。本文论述了含木质素生物能源副产品对路基土的水稳定性能, 以期在土壤稳定中建立生物基能量副产品新的应用。对木质素副产品处理土与传统粉煤灰稳定剂处理土样的水分敏感性进行了试验研究，还对添加剂组合进行了评价。
关键词: 可再生能源；木质素；可持续发展；路基；水稳定性。
引言
随着化石能源成本和全球变暖问题的日益增加, 自然资源的可持续利用已被广泛接受为解决这些问题的可行技术。在各种自然资源中, 生物量, 详细来说, 植物生物量, 被认为是可再生的能源, 如生物燃料和乙醇, 以及矿物燃料替代品。植物生物量产生的生物基能量比传统的化石燃料具有多项优势[1]。 生物能源是可再生和环境友好型能源, 提供安全能源, 促进着世界巨大的经济发展。它的缺点是目前费用较高和大量土地参与生产可观的能量。
在基于生物的能量转化过程中, 植物生物量也产生了许多不同的副产物, 有许多未探索的用途。木质素是植物生物量的第三大部分, 是丙烷和甲氧基组的大型复杂聚合物, 一种 非碳水化合物 多酚类物质, 包裹植物细胞壁和水泥植物细胞。利用植物生物量的各种工业产品转化技术可以改变天然木质素。
本文还对在土木工程基础设施应用中使用亚硫酸盐木素进行了各种研究。一些研究表明, 亚硫酸盐木质素在土壤稳定、未铺设道路的防尘、沥青铺路混合物的膨胀剂以及作为混凝土的减水剂和缓凝掺合料等方面都是有效的。然而, 对研究使用生物燃料衍生的无硫木质素用于土木工程基础设施的应用进行了不足的调查, 而无硫木质素的使用最近由于多样化而在生物质的加工方案中获得了兴趣。
土壤稳定化是去改善岩土材料的性质复合成为混合材料土壤的过程。传统的土壤稳定添加剂或外加剂包括水合石灰、硅酸盐水泥和粉煤灰。根据粘土土中添加木质素提高土壤稳定性的研究，天然木质素和木质素也被认为对土壤稳定有积极作用。根据土壤骨料, 粘土分数的分散性增加了，通过堵塞空隙和后果频繁改善防水, 降低霜冻易感性的稳定性;消除局部粘结剂土浓度引起的软斑; 用吸粉填补空隙, 从而增加密度;提高粘结剂分数的有效表面积, 从而对提高强度有较大的贡献[2]。
在木质素(无硫木质素)中，乙醇的加入有助于维持或改善土壤的结构和稳定性。在路面下部结构稳定中，利用生物质转化的木质素生物燃料辅料的研究是需要研究的，因为这可能会使路面更加坚固。 地下结构稳定，可能减少路面系统的损坏。最近，ISU的研究人员一直在研究这种方法的可行性。本研究初步结果表明，木质素基生物燃料辅料在改善生物燃料的性能方面具有一定的应用前景。然而，以木质素为基础的生物燃料辅料对土壤其他地球化学工程性质的影响，如水稳定性和冻融耐久性，应在田间土壤稳定试验之前确定。
本研究以两种含木质素的生物燃料辅料作为添加剂，并将其命名为辅产物A和B。副产品A是从位于加拿大的一个商业生物质转化设施获得的它是在一种叫做快速热解的过程中形成的，其中植物材料(生物量)，如森林残留物(树皮、木屑、刨片等)和农业残留物(甘蔗、玉米壳、甘蔗渣、 草等)，暴露在400-500摄氏度内。最近，爱荷华州行政服务部-总务企业(D)与动力能源系统公司和生物资源公司合作对爱荷华州国会大厦的辅助产品A进行了几次资格测试。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆副产物A含有25%左右的木质素和高达25%的水，pH值为2.2。用于液体燃料的副产物A中的水成分不是一个单独的相，因为它降低了它的粘度。
根据先前的经验，所需添加剂的用量为每种未组合添加剂的12%，2%的辅产品A和10%粉煤灰。这些添加剂提供了最强的土壤混合物。还制备了不含添加剂的未处理的土壤混合物作为对照。所有混合物的目标含水量是根据ASTM确定的未处理土壤的最佳含水量(Omc)。混合土样在柱形模(51×51 mm)中静态压实。用塑料包装的样品密封，然后放在温控室，在25°C和40%相对湿度下进行固化。固化时间分别为UCS试验样品制作后1天和7天。本研究中的湿法测试过程包括试样的完全饱和和半饱和。完全饱和要求试样在水浴中浸泡1小时。半饱和实验也进行了，因为一些标本被打破在充分饱和。标本的一侧浸泡在水中5分钟。然后，将完全饱和或半饱和的标本从水中移出，允许排水5分钟。然后根据ASTM对试样进行UCS测试。湿法不仅允许对结构强度损失进行物理评价，而且还可以直观地观察到水分的敏感性。
作为单独的UCS试验，每种混合物固化1d后的密实试样进行所谓的浸泡试验。这些试验的目的是评估长期水分敏感性的样品处理或未处理的添加剂，并确定什么时候样品因水而解体。如图2所示，标本完全浸泡在水中。为这些试验准备了两组样本。试验集1包括未处理土(纯土)、12%粉煤灰处理土、12%副产物A处理土和12%辅产物B处理土。2套试验装置，包括10%的辅料A和2%的粉煤灰和10%的辅料B处理土。浸泡7天后，观察试验标本的破坏情况。
另外，粉煤灰处理后的试件经1天固化后在完全饱和时崩解。在所有试验条件下，共混处理的土壤样品均符合有效的耐潮性标准。特别是在湿的条件下(半饱和完全饱和)，经过1天弯曲处理的辅料的强度提高了。复合添加剂不仅达到了有效的防潮标准，而且提高了土的强度。这些结果表明，含有无硫木质素的生物燃料辅料对粘土土壤的水分降解具有显著的抗性。这类似于ERDC的研究发现木质素磺酸盐对黏土有良好的防潮作用。
结论
本文研究了一种含木质素的生物能源辅料稳定路基土的水稳定性。采用室内试验程序，比较了两种生物燃料副产物处理土壤样品与未处理ED土壤样本和常规粉煤灰处理土壤样品的水稳定性。利用生物燃料辅料作为土壤稳定材料，在技术上是可行的。由于更多的生物燃料辅助产品被处置而不是使用，因此，更有成效地使用生物燃料辅助产品将对可持续发展产生相当大的好处。本实验中使用的生物燃料辅料在改善低体积道路用低质材料的耐湿性方面表现出优异的性能。这些产品可用于改善现有路基材料的耐湿性，从而使路面系统更加优化。从经济角度来看，化石能源向可再生能源的转变可能导致粉煤灰产量减少，成本上升，而粉煤灰是燃煤发电厂的副产品。 然而，与传统的土壤稳定剂相比，这一变化也可能导致生物燃料副产物的产量增加和成本降低。生物燃料副产物中的木质素也可以在不对环境造成不利影响的情况下得到有益的利用，而粉煤灰具有浸出重金属的能力。对未来工作的建议包括研究这些生物燃料辅料在新应用中的冻融耐久性、回弹模量特性和长期性能以及生物能源副产物在土壤稳定中的应用研究。
参考文献
[1].Bothast, R. J., and Schlicher, M. A. (2005). “Biotechnological processes for conversion of corn into ethanol.” Appl. Microbiol. Biotechnol., 67(1), 19–25.
[2].Davidson, D. T., and Handy, R. L. (1960). “Soil stabilization.” Highway engineering handbook, K. B. Wood, ed., McGraw–Hill, New York, Sect. 21.
论文作者:张云秀
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷22期
论文发表时间:2020/3/10
标签：木质素论文; 生物论文; 土壤论文; 燃料论文; 生物量论文; 辅料论文; 稳定论文; 《建筑实践》2019年38卷22期论文;