摻入生物炭的水泥漿體抗壓強度試驗研究

李俊鵬，楊曉智，姜曉雨

(河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038)

1 概 述

隨著國民經濟的發展及綜合國力的提升，水泥基材料廣泛應用于水利工程、土木工程、建筑材料等領域。在水泥基材料中，加入外加劑或摻合料如礦渣、鋼纖維、粉煤灰、稻殼灰等，以此來提升其強度及性能一直是國內外學者研究的方向。我國自20世紀50年代起開始利用工業廢渣將其變廢為寶,如今已經形成一系列較成熟的技術，并且已廣泛用于水泥生產中[1]。劉寶舉[2]研究表明，隨著礦渣摻量的增加，28 d水泥漿體和砂漿試塊抗壓強度增加。魯麗華[3]通過研究粉煤灰的摻量與水泥強度增長趨勢表明，粉煤灰摻量存在一個合理范圍,且混凝土中摻入適量粉煤灰,對混凝土性能有很好的改善作用。另外，將農業廢棄物稻殼灰用于建筑材料在國內也比較成熟。梁世慶等[4]將稻殼灰作為一種添加劑摻入混凝土進行了研究，結果表明在小摻量時增強了混凝土強度；而隨著稻殼灰用量的增加，混凝土凝結的時間延長，抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度相應的降低。此外，徐迅等[5]還討論了超細碳酸鈣的摻入對水泥的影響，在水化早期(1 d、3 d)試塊抗壓強度隨摻量增加而提高，28d時強度則隨摻量增加而降低。

在國內，有關生物炭的研究大多集中在改良土壤、水體凈化及重金屬離子吸附等方面。但在國外，已經有將生物炭用于水泥砂漿的研究，并取得了可觀的研究成果。Choi Won Chang等[6]使用混合木屑生物炭以水泥用量的5%～20%加入水泥砂漿，在5%的替代比下試塊28 d的抗壓強度提升了10%左右。Ahmad等[7]使用竹片碳化顆粒以0.2%質量分數加入水泥漿中，實驗結果表明砂漿試件抗壓強度提升了30%。Gupta等[8-9]使用熱解溫度為300℃和500℃的混合木屑生物炭研究了干生物炭和吸水至飽和的生物炭對水泥砂漿影響，干生物炭的加入對砂漿試塊強度有所提升，而吸水飽和生物炭的加入則出現更為顯著的結果，以2%摻量摻入使砂漿28 d抗壓強度提升了40%～50%，并且由于生物炭的預先浸泡，水泥砂漿的吸水率和水滲透深度降低了55%～60%。

綜合以上研究可以看出，生物炭在提升水泥基材料的強度方面具有非常大的潛力。本文通過對不同養護齡期的試塊進行抗壓強度試驗，探究不同摻量、不同熱解溫度的小麥秸稈生物炭對水泥試塊強度的影響及影響規律。

2 試 驗

2.1 生物炭制備試驗

生物質原材料采用農業廢棄物小麥秸稈，風干后經粉碎機粉碎至約2 mm碎末填滿于500 ml的坩堝，并壓實密封。將坩堝放于智能溫控馬弗爐(KSMF-2000)進行熱解，升溫速率10℃/min，升溫至設置溫度后熱解4 h，待其自然冷卻至室溫后取出。將制備好的生物炭顆粒粉碎研磨后過100目的篩網，密封保存待用。重復以上操作，制備出熱解溫度為200℃～700℃的生物炭。分別標記為WS200、WS300、WS400、WS500、WS600、WS700。

2.2 試塊材料、制備及養護

制備試塊所用水泥為河北省邯鄲市太行水泥有限責任公司的42.5礦渣硅酸鹽水泥，密度為2.8 g/cm3。水泥化學成分組成見表1。水采用邯鄲市普通自來水。

表1 水泥化學成分表

將生物炭按1%、5%、10%摻量替代水泥，生物炭摻量的百分比按生物炭用量除以生物炭加水泥的總量來計算。由于生物炭具有吸水性，因此隨著摻量的增加需提高水灰比才能對漿體進行攪拌。具體配合比見表2。

表2 不同生物炭摻量配合比

由于生物炭比表面積大，為使生物炭均勻混入水泥，需先將生物炭與水泥混合均勻后再加水攪拌。本次試驗試塊采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm模具進行澆筑，每個摻量下加入熱解溫度為200℃～700℃的生物炭，將水泥凈漿試塊作為對照組，共19組試塊，每組制備3個相同試塊。將澆筑好的試塊進行標準養護(溫度20℃±2℃，濕度>95%)，24 h后脫模放入水中養護。將18組試塊分別養護至11 d、28 d、36 d天齡期后，取出準備進行抗壓強度試驗。每組試塊以生物炭的標記命名。

2.3 抗壓強度試驗

使用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機進行單軸抗壓強度試驗，試驗開始前清理機器和受壓面保證平整，操作上壓頭與試塊上端接觸并確保沒有縫隙。控制計算機程序以負荷為開始方式，加載速度200 N/s，直至試塊完全破壞，記錄試塊所受最大壓應力。

3 試驗結果與分析

從試驗結果中可以看到，與空白試驗對比，加入摻量為1%和5%的生物炭提升了水泥試塊的強度。在摻量為1%時(圖1)，強度提升效果最為顯著，達到最高，所有熱解溫度下的生物炭水泥試塊強度都要高于對照試驗。在11 d、28 d、36 d強度分別提升了1.6%～25.3%、18%～50%、18.6%～64.6%，養護28 d的生物炭水泥試塊相對于空白對照試塊的強度提升要遠高于11 d。這是因為生物炭是由碳骨架構成的性質穩定的多孔隙結構，生物炭自身的大量微孔使其具有保水性，可以吸收大量水分作為內部儲存并在水泥內部進行水化反應時緩慢釋放，減少水泥中自由水的含量并且提升了水泥水化程度，促進了水化反應的進行及水化產物C-S-H凝膠的產生[10]。同時生物炭的孔隙吸水性也限制了水泥試塊內部自由水的蒸發，減少了試塊孔隙的出現，使其更加致密。因此說明少量生物炭的加入不僅提升了水泥的強度，并且隨著養護齡期的增加生物炭加深了水泥的水化深度，提升了試塊的強度增長。這也解釋了在圖2中部分試塊的11 d強度低于對照組，而到了28 d和36 d所有試塊強度均高于對照組的現象。

綜合比較圖1、圖2、圖3，可以看出在摻量為5%時(圖2)，部分試塊11d強度低于對照組；摻量為10%時(圖3)所有試塊強度均低于對照組。這一現象說明與對照組相比，生物炭摻量大于5%時影響了試塊的強度，同時反映了水泥試塊強度的提升對生物炭的摻量有一定的合理要求范圍。由于生物炭可以促進水泥水化反應的進行，因此單一就抗壓強度來說1%～5%為生物炭最合適的摻量，在此之間可能存在最優摻量使水泥強度表現更為優異，這還有待于下一步試驗進行探索驗證。同時從試驗結果中可以看到，與其他試塊相比WS400在3種摻量下強度表現最為優異，WS700強度表現較差。因為熱解溫度決定了生物炭的孔隙結構及表面官能團組成等理化特性[11]。隨著熱解溫度的升高，碳含量升高，生物炭孔隙率會增加[12]，因此會影響與水泥水化產物的結合，從而對試塊內部結構的致密性造成一定影響。隨著摻量和養護時間的增加，各個試塊的強度差異減弱，這在摻量為5%時表現最為明顯。可能是因為生物炭的摻入量較大已經影響了水泥內部結構，已無法顯示出熱解溫度造成不同孔隙結構對強度差異的變化，這時水泥水化產物對強度起了決定作用。

圖1 生物炭摻量為1%試塊抗壓強度

圖2 生物炭摻量為5%試塊抗壓強度

圖3 生物炭摻量為10%試塊抗壓強度

圖4、圖5、圖6分別為養護11 d、28 d、36 d各組試塊的抗壓強度。綜合分析圖4-圖6中的試驗結果，基本可以確定試件的抗壓強度隨著生物炭摻量的增加而降低。一方面是因為水泥的強度主要靠水化反應產生的水化產物支撐，而隨著生物炭摻量的增加水泥用量減少，隨之水化產物減少，因此強度降低。在28 d和36 d各組試塊在摻量為10%強度差異不明顯也是因為水化產物較少，不同熱解溫度下的生物炭對水化的促進作用就不能顯示出明顯差異。另一方面，由于生物炭自身結構和表面官能團性質，大量摻入后與水泥水化產物并不能很好地結合，會在試塊內部產生許多細小的微裂縫，從而影響了試塊內部結構的優化。同時發現養護11 d(圖4)的WS300、WS400、WS500摻量為5%的強度高于1%，這可能是因為早期水化反應還沒有進行完全，摻入5%的生物炭在不破壞水泥內部結構的情況下可以起到支撐作用，有助于早期強度的提升。

圖4 養護11 d抗壓強度

圖5 養護28 d抗壓強度

圖6 養護36 d抗壓強度

4 結 論

1) 生物炭的摻入顯著提升了水泥漿體的抗壓強度，并且與對照組相比隨著養護齡期增加強度提升更為顯著。摻入熱解溫度為400℃的生物炭水泥試塊WS400，強度提升表現最為顯著。

2) 生物炭摻量為1%、5%時，與對照組相比對試塊強度提升，且1%摻量強度提升最為顯著；摻量為10%試塊強度低于對照組。摻量的增加對試塊強度存在影響，使試塊強度提升的摻量合理范圍在1%～5%。

3) 通過對不同摻量的試快進行抗壓強度測試可以得出結論，隨著生物炭摻量的增加，28 d、36 d水泥漿體抗壓強度降低，并且隨著摻量增加摻入不同生物炭的各組試塊之間強度差異更為不明顯。