韓 通，郭建華，孫程萬，王 杰

(河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056004)

1 概 述

生物炭[1]一般是指在低氧環(huán)境下，將生物質(zhì)如木材、農(nóng)作物產(chǎn)物、家畜糞便、污泥等進(jìn)行高溫裂解形成的固體高含碳量物質(zhì)。它一般應(yīng)用于土壤改良、土壤修復(fù)、吸附固定重金屬和作為有機(jī)肥料。但是它豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及獨(dú)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(xù)，如果可以成功應(yīng)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(hù)環(huán)境，還可以生成巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)于生物炭在水泥基材料中的應(yīng)用，很多學(xué)者展開研究。Gupta[3]將生物炭當(dāng)做內(nèi)部固化劑加入水泥基中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)浸生物炭在砂漿上的內(nèi)部固化效率更高，并且能提高水泥砂漿的強(qiáng)度和耐久性能。Rodier[4]將甘蔗渣經(jīng)過熱化學(xué)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)出的生物炭用于改性水泥基材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭的加入明顯改善了水泥漿體的水化性能，降低了導(dǎo)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(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭的摻入會(huì)略微增強(qiáng)水泥水化反應(yīng)，固定水泥中的有害物質(zhì)。余景良[6]將少量生物炭稻殼灰摻入混凝土，發(fā)現(xiàn)稻殼灰的加入可以明顯增強(qiáng)混凝土的耐久性能、抗?jié)B性能、水化速率及密實(shí)度。姜曉雨、李俊鵬等[7-8]研究了小麥秸稈生物炭對水泥導(dǎo)熱性能和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明少量生物炭的摻入可以提高水泥漿體的強(qiáng)度，并且可以降低其導(dǎo)熱系數(shù)，優(yōu)化了水泥性能。Zeidabadi[9]研究了由農(nóng)業(yè)廢料稻殼和甘蔗渣燒制的生物炭摻入混凝土對其機(jī)械性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入生物炭的樣品，其抗壓、抗拉強(qiáng)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(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不利影響的結(jié)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(fā)展前景。

2 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

試驗(yàn)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(yàn)選用在當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S收集到的污泥(河北省邯鄲市當(dāng)?shù)?。先將收集到的污泥放入烘箱里烘干，然后用粉碎機(jī)打碎至粉末，再分別倒入6個(gè)干凈的500 ml坩堝中，蓋好蓋子，保持低氧環(huán)境，最后一起放入智能溫控馬弗爐(KSMF-2000)。設(shè)定好溫度時(shí)間，根據(jù)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(guī)定溫度熱解4 h后，取出放在通風(fēng)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(chǔ)存在陰涼干燥處。

2.2 水泥的選取

本次試驗(yàn)水泥采用當(dāng)?shù)氐V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(chǎn)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(fā)現(xiàn)需要更多的水，這是生物炭良好的吸水特性導(dǎo)致。此外根據(jù)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(yàn)時(shí)要保持實(shí)驗(yàn)室環(huán)境穩(wěn)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(zhǔn)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) (溫度20℃±2℃) 24 h,然后脫模放入水中養(yǎng)護(hù)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(yàn)。

表1 污泥生物炭不同摻量配合比

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

本次試驗(yàn)分為抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的測定和導(dǎo)熱性能試驗(yàn)的測定。其中抗壓強(qiáng)度是水泥基材料最主要的性能之一，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)中最重要的試驗(yàn)。導(dǎo)熱性能試驗(yàn)關(guān)系到污泥生物炭水泥材料是否保溫隔熱，能否實(shí)際應(yīng)用。

4.1 試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)器材

在對污泥生物炭水泥試塊抗壓強(qiáng)度測試時(shí)，采用的試驗(yàn)器材為TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)。

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4.1.2 試驗(yàn)過程

進(jìn)行試塊抗壓強(qiáng)度測試時(shí)，先用毛巾擦拭試塊表面和試驗(yàn)臺(tái)，清除雜物，保持受壓面平整。測試時(shí)，以位移為開始方式，移動(dòng)速度為0.25 mm/min,目標(biāo)方式為負(fù)荷。設(shè)置完成后，將試塊放在試驗(yàn)臺(tái)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(huì)逐漸開裂，然后是內(nèi)部開裂，最后被壓壞。加載到試塊破壞時(shí)，記錄好試塊破壞時(shí)的最大荷載。

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

(1)

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

4.1.3 抗壓試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度條形圖。見圖1。

從圖1中可以看到，試塊的抗壓強(qiáng)度隨著污泥生物炭摻入量的升高，呈現(xiàn)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(qiáng)度明顯提升，摻入量在5%的試塊強(qiáng)度下降，抗壓強(qiáng)度普遍低于對照組。這是因?yàn)槲勰嗌锾康募尤?，使水泥漿體需要更多的水，從而促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)，生成更多的C-S-H凝膠(水合硅酸鈣)，使水泥漿體更加密實(shí)。此外，高溫?zé)坪蟮奈勰嗷鹕交一钚源龠M(jìn)水泥二次水化，也是水泥漿體抗壓強(qiáng)度升高的原因。但是污泥生物炭不宜摻入過多，過多會(huì)使水泥漿體流動(dòng)性變差，空隙率升高，水化產(chǎn)物減少。燒制污泥生物炭溫度的不同對水泥試塊強(qiáng)度的影響可以概括為：試塊的抗壓強(qiáng)度隨著加入污泥生物炭燒制溫度的提高而呈現(xiàn)先增后減的趨勢。這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)，生物質(zhì)慢速裂解，生物炭產(chǎn)率較高，生物炭有機(jī)組分含量也較高。高溫裂解時(shí)，會(huì)降低生物炭產(chǎn)率，生物炭會(huì)形成高灰分和高比表面積，結(jié)構(gòu)也變得多孔[17]，會(huì)對水泥漿體抗壓強(qiáng)度產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(jīng)濟(jì)環(huán)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(qiáng)度最好，達(dá)到48.373 MPa。與對照組相比，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度

4.2 試塊導(dǎo)熱性能試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)器材

本次導(dǎo)熱試驗(yàn)采用由瑞典生產(chǎn)的基于瞬態(tài)板熱源法測量導(dǎo)熱系數(shù)的Hot Disk熱常數(shù)分析儀。

4.2.2 試驗(yàn)過程

測試時(shí)，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(shè)置好測試參數(shù)，將輸出功率范圍調(diào)整在60～200 MW之間，時(shí)間控制在60～200 s之間，每個(gè)試塊選擇至少3個(gè)面測試，記錄數(shù)據(jù)，最后取測得數(shù)據(jù)的平均值繪圖。試塊的導(dǎo)熱系數(shù)按以下公式計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)；D(τ)為無量綱量時(shí)間函數(shù)。

4.2.3 導(dǎo)熱性能試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)

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(kuò)散系數(shù)

從圖2可以看出，污泥生物炭試塊的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)。摻入量在5%、生物炭燒制溫度在300℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)的影響可以概括為：隨著生物炭燒制溫度的上升，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)。

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(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)超過對照組。生物炭摻量在2%的試塊，熱擴(kuò)散系數(shù)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(shí)，污泥生物炭試塊導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最低；生物炭摻量在2%、燒制溫度在500℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)都低于對照組，導(dǎo)熱性能符合正常32.5礦渣硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

本試驗(yàn)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(qiáng)度和導(dǎo)熱性能的影響以及污泥生物炭水泥實(shí)際應(yīng)用的可行性。其主要結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度最好，達(dá)到48.312 MPa。與對照組相比，抗壓強(qiáng)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(dǎo)熱性能有略微影響。生物炭摻量在2%、燒制溫度在200℃時(shí)，水泥漿體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最低；生物炭摻量在2%、燒制溫度在500℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)都低于對照組，導(dǎo)熱性能符合正常標(biāo)準(zhǔn)。

3) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益可以得出，污泥生物炭可以增強(qiáng)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(qiáng)度、導(dǎo)熱性能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并且超過32.5礦渣硅酸鹽水泥性能。