污泥生物炭的摻入對水泥漿體性能的影響

韓 通，郭建華，孫程萬，王 杰

(河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056004)

1 概 述

生物炭[1]一般是指在低氧環境下，將生物質如木材、農作物產物、家畜糞便、污泥等進行高溫裂解形成的固體高含碳量物質。它一般應用于土壤改良、土壤修復、吸附固定重金屬和作為有機肥料。但是它豐富的孔隙結構、較大的比表面積以及獨特的固炭性能，為改性水泥基材料提供了可能。由于生物炭原材料豐富，綠色可持續，如果可以成功應用于水泥基材料，不僅能固定空氣中的二氧化碳[2]，減少溫室氣體保護環境，還可以生成巨大的經濟效益。

關于生物炭在水泥基材料中的應用，很多學者展開研究。Gupta[3]將生物炭當做內部固化劑加入水泥基中，結果發現預浸生物炭在砂漿上的內部固化效率更高，并且能提高水泥砂漿的強度和耐久性能。Rodier[4]將甘蔗渣經過熱化學轉變生產出的生物炭用于改性水泥基材料，結果發現生物炭的加入明顯改善了水泥漿體的水化性能，降低了導熱性，而且少量生物炭的加入可以提高其物理性能。Wang等[5]將木材廢料生物炭作為綠色外加劑摻入水泥基，結果發現生物炭的摻入會略微增強水泥水化反應，固定水泥中的有害物質。余景良[6]將少量生物炭稻殼灰摻入混凝土，發現稻殼灰的加入可以明顯增強混凝土的耐久性能、抗滲性能、水化速率及密實度。姜曉雨、李俊鵬等[7-8]研究了小麥秸稈生物炭對水泥導熱性能和抗壓強度的影響，結果表明少量生物炭的摻入可以提高水泥漿體的強度，并且可以降低其導熱系數，優化了水泥性能。Zeidabadi[9]研究了由農業廢料稻殼和甘蔗渣燒制的生物炭摻入混凝土對其機械性能的影響。結果發現，加入生物炭的樣品，其抗壓、抗拉強度都有不同程度提高，最后得出稻殼和甘蔗渣生物炭可以在混凝土中使用且不會對環境產生不利影響的結論。綜上所述，生物炭可以提高水泥基材料的性能，并有巨大的發展前景。

2 試驗材料的準備

試驗材料為污泥生物炭和32.5礦渣硅酸鹽水泥。

2.1 污泥生物炭的制備

本次試驗選用在當地污水處理廠收集到的污泥(河北省邯鄲市當地)。先將收集到的污泥放入烘箱里烘干，然后用粉碎機打碎至粉末，再分別倒入6個干凈的500 ml坩堝中，蓋好蓋子，保持低氧環境，最后一起放入智能溫控馬弗爐(KSMF-2000)。設定好溫度時間，根據高引用污泥生物炭論文研究成果，以100℃為間隔分別燒制200℃～700℃的生物炭[15]，在規定溫度熱解4 h后，取出放在通風處自然降溫至室溫。然后將燒制完成的生物炭粉末放入瓶中，蓋好儲存在陰涼干燥處。

2.2 水泥的選取

本次試驗水泥采用當地礦渣硅酸鹽水泥32.5(水泥來自河北省邯鄲市太行水泥，密度為2.8 g/cm3)。其水化產物主要成分是C2S(硅酸二鈣)、C3S(硅酸三鈣)、C3A(鋁酸三鈣)和C4AF(鐵鋁酸四鈣)。

3 生物炭水泥的制備

將制備好的污泥生物炭分別以水泥用量的1%、2%、5%摻入。為使生物炭與水泥混合均勻，發現需要更多的水，這是生物炭良好的吸水特性導致。此外根據林貴英[16]的研究，濕度、溫度和樣品量對生物炭的平衡含水量影響依次減輕，因此做試驗時要保持實驗室環境穩定。另外需要新的水灰比，具體配合比見表1。生物炭水泥漿拌和好后放入準備好的模具，模具是長寬高均為70.7 mm的正方體模具。模具5面都要涂油，方便脫模，底部鋪上一層保鮮膜防漏。然后放入水泥漿，再用振搗棒振搗除氣泡后進行標準養護 (溫度20℃±2℃) 24 h,然后脫模放入水中養護28 d。28 d后取出用干毛巾吸干表面水分，放入40℃左右的烘箱，半天后取出試驗。

表1 污泥生物炭不同摻量配合比

4 試驗及結果分析

本次試驗分為抗壓強度試驗的測定和導熱性能試驗的測定。其中抗壓強度是水泥基材料最主要的性能之一，抗壓強度試驗是力學強度試驗中最重要的試驗。導熱性能試驗關系到污泥生物炭水泥材料是否保溫隔熱，能否實際應用。

4.1 試塊抗壓強度試驗

4.1.1 試驗器材

在對污泥生物炭水泥試塊抗壓強度測試時，采用的試驗器材為TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機。

走出“留福記”的大門，雖然秋雨淅瀝，但我心里卻是陽光明媚。如果不折回付款，我可能一天甚至很久都會于心不安，小姑娘也可能因此懷疑人性、懷疑人生，甚至對世界充滿怨恨。

4.1.2 試驗過程

進行試塊抗壓強度測試時，先用毛巾擦拭試塊表面和試驗臺，清除雜物，保持受壓面平整。測試時，以位移為開始方式，移動速度為0.25 mm/min,目標方式為負荷。設置完成后，將試塊放在試驗臺中心，再將鐵片放在試塊正上方，隨著荷載的增加，可以看到試塊表面外層會逐漸開裂，然后是內部開裂，最后被壓壞。加載到試塊破壞時，記錄好試塊破壞時的最大荷載。

按照國家標準《水泥膠砂強度測試方法》(GB/T7617-1999)，污泥生物炭試塊抗壓強度按以下公式計算：

(1)

式中：Rc為抗壓強度，MPa;Fc為試件破壞時的最大荷載，N；A為受壓面面積，mm2。

4.1.3 抗壓試驗結果分析

根據實驗結果，用Origin作圖軟件作出不同摻量污泥生物炭試塊在不同燒制溫度下的抗壓強度條形圖。見圖1。

從圖1中可以看到，試塊的抗壓強度隨著污泥生物炭摻入量的升高，呈現先增長后減小的趨勢；其中摻入1%、2%污泥生物炭的水泥試塊抗壓強度明顯提升，摻入量在5%的試塊強度下降，抗壓強度普遍低于對照組。這是因為污泥生物炭的加入，使水泥漿體需要更多的水，從而促進了水泥水化反應，生成更多的C-S-H凝膠(水合硅酸鈣)，使水泥漿體更加密實。此外，高溫燒制后的污泥火山灰活性促進水泥二次水化，也是水泥漿體抗壓強度升高的原因。但是污泥生物炭不宜摻入過多，過多會使水泥漿體流動性變差，空隙率升高，水化產物減少。燒制污泥生物炭溫度的不同對水泥試塊強度的影響可以概括為：試塊的抗壓強度隨著加入污泥生物炭燒制溫度的提高而呈現先增后減的趨勢。這是因為低溫時，生物質慢速裂解，生物炭產率較高，生物炭有機組分含量也較高。高溫裂解時，會降低生物炭產率，生物炭會形成高灰分和高比表面積，結構也變得多孔[17]，會對水泥漿體抗壓強度產生不利影響。其中，摻入在200℃～500℃燒制的污泥生物炭的試塊，抗壓強度明顯提高；500℃以后只有添加了少量的在1%左右的生物炭的試塊，抗壓強度還有略微上升，其他摻量開始下降。綜合不同摻入量和不同燒制溫度并從經濟環保方面來看，污泥生物炭燒制溫度在500℃、摻入量在2%制出的水泥試塊抗壓強度最好，達到48.373 MPa。與對照組相比，抗壓強度增幅60.37%，提升效果顯著。

圖1 不同摻量污泥生物炭在不同燒制溫度下試塊的抗壓強度

4.2 試塊導熱性能試驗

4.2.1 試驗器材

本次導熱試驗采用由瑞典生產的基于瞬態板熱源法測量導熱系數的Hot Disk熱常數分析儀。

4.2.2 試驗過程

測試時，首先將做好的生物炭水泥試塊表面用粗糙的砂紙打磨光滑，然后把Hot disk探頭固定在水泥試塊表面，之后開始測量。設置好測試參數，將輸出功率范圍調整在60～200 MW之間，時間控制在60～200 s之間，每個試塊選擇至少3個面測試，記錄數據，最后取測得數據的平均值繪圖。試塊的導熱系數按以下公式計算：

(2)

式中：P0為從探頭輸出的總功率；α為探頭的半徑；λ為被測材料的導熱系數；D(τ)為無量綱量時間函數。

4.2.3 導熱性能試驗結果分析

試驗結果見圖2和圖3。

圖2 不同摻量污泥生物炭在不同燒制溫度下試塊的導熱系數

圖3 不同污泥生物炭摻入量在不同燒制溫度下試塊的熱擴散系數

從圖2可以看出，污泥生物炭試塊的導熱系數隨著污泥生物炭摻入量的增加呈下降趨勢，且均低于對照組不摻入生物炭的水泥試塊的導熱系數。摻入量在5%、生物炭燒制溫度在300℃時，導熱系數最低，與對照組相比降低了21.35%。此外，生物炭的燒制溫度對試塊導熱系數的影響可以概括為：隨著生物炭燒制溫度的上升，試塊的導熱系數總體上是略微增長的趨勢，但是均未超過對照組不摻加生物炭的試塊的導熱系數。

從圖3可以看出，摻入5%、在不同溫度下燒制的生物炭的試塊熱擴散系數普遍高于對照組，摻入生物炭量為1%和2%的試塊，隨著摻入的生物炭的燒制溫度的升高，熱擴散系數為略微上升趨勢。生物炭燒制溫度超過500℃后，生物炭摻量在1% 的試塊熱擴散系數超過對照組。生物炭摻量在2%的試塊，熱擴散系數在不同溫度下基本都低于對照組。綜合圖2、圖3可知，生物炭摻量在2%、燒制溫度在200℃時，污泥生物炭試塊導熱系數和熱擴散系數達到最低；生物炭摻量在2%、燒制溫度在500℃時，導熱系數和熱擴散系數都低于對照組，導熱性能符合正常32.5礦渣硅酸鹽水泥標準。

5 結 論

本試驗主要探究了污泥生物炭的燒制溫度和摻入量對水泥抗壓強度和導熱性能的影響以及污泥生物炭水泥實際應用的可行性。其主要結論可概括為：

1) 污泥生物炭的摻入可以明顯提高水泥漿體的抗壓強度，在水泥中摻入2%、燒制溫度在500℃的污泥生物炭，制出的水泥試塊抗壓強度最好，達到48.312 MPa。與對照組相比，抗壓強度增幅65.97%，提升效果顯著。

2) 污泥生物炭的摻入對水泥漿體的導熱性能有略微影響。生物炭摻量在2%、燒制溫度在200℃時，水泥漿體的導熱系數和熱擴散系數達到最低；生物炭摻量在2%、燒制溫度在500℃時，導熱系數和熱擴散系數都低于對照組，導熱性能符合正常標準。

3) 根據試驗結果并考慮經濟環保效益可以得出，污泥生物炭可以增強水泥性能。在水泥中摻入燒制溫度在500℃、加入量在2%的污泥生物炭，得到的污泥生物炭水泥性能最佳，抗壓強度、導熱性能達到實際應用標準，并且超過32.5礦渣硅酸鹽水泥性能。