李俊鵬，楊曉智，姜曉雨

(河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

1 概 述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及綜合國(guó)力的提升，水泥基材料廣泛應(yīng)用于水利工程、土木工程、建筑材料等領(lǐng)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(lái)提升其強(qiáng)度及性能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的方向。我國(guó)自20世紀(jì)50年代起開(kāi)始利用工業(yè)廢渣將其變廢為寶,如今已經(jīng)形成一系列較成熟的技術(shù)，并且已廣泛用于水泥生產(chǎn)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(qiáng)度增加。魯麗華[3]通過(guò)研究粉煤灰的摻量與水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)表明，粉煤灰摻量存在一個(gè)合理范圍,且混凝土中摻入適量粉煤灰,對(duì)混凝土性能有很好的改善作用。另外，將農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼灰用于建筑材料在國(guó)內(nèi)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(jìn)行了研究，結(jié)果表明在小摻量時(shí)增強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度；而隨著稻殼灰用量的增加，混凝土凝結(jié)的時(shí)間延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度相應(yīng)的降低。此外，徐迅等[5]還討論了超細(xì)碳酸鈣的摻入對(duì)水泥的影響，在水化早期(1 d、3 d)試塊抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而提高，28d時(shí)強(qiáng)度則隨摻量增加而降低。

在國(guó)內(nèi)，有關(guān)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(guó)外，已經(jīng)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(qiáng)度提升了10%左右。Ahmad等[7]使用竹片碳化顆粒以0.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入水泥漿中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明砂漿試件抗壓強(qiáng)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(duì)水泥砂漿影響，干生物炭的加入對(duì)砂漿試塊強(qiáng)度有所提升，而吸水飽和生物炭的加入則出現(xiàn)更為顯著的結(jié)果，以2%摻量摻入使砂漿28 d抗壓強(qiáng)度提升了40%～50%，并且由于生物炭的預(yù)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(qiáng)度方面具有非常大的潛力。本文通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究不同摻量、不同熱解溫度的小麥秸稈生物炭對(duì)水泥試塊強(qiáng)度的影響及影響規(guī)律。

2 試 驗(yàn)

2.1 生物炭制備試驗(yàn)

生物質(zhì)原材料采用農(nóng)業(yè)廢棄物小麥秸稈，風(fēng)干后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎至約2 mm碎末填滿(mǎn)于500 ml的坩堝，并壓實(shí)密封。將坩堝放于智能溫控馬弗爐(KSMF-2000)進(jìn)行熱解，升溫速率10℃/min，升溫至設(shè)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(guò)100目的篩網(wǎng)，密封保存待用。重復(fù)以上操作，制備出熱解溫度為200℃～700℃的生物炭。分別標(biāo)記為WS200、WS300、WS400、WS500、WS600、WS700。

2.2 試塊材料、制備及養(yǎng)護(hù)

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

表1 水泥化學(xué)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(lái)計(jì)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(duì)漿體進(jìn)行攪拌。具體配合比見(jiàn)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?dāng)嚢?。本次試?yàn)試塊采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm模具進(jìn)行澆筑，每個(gè)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(duì)照組，共19組試塊，每組制備3個(gè)相同試塊。將澆筑好的試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度20℃±2℃，濕度>95%)，24 h后脫模放入水中養(yǎng)護(hù)。將18組試塊分別養(yǎng)護(hù)至11 d、28 d、36 d天齡期后，取出準(zhǔn)備進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每組試塊以生物炭的標(biāo)記命名。

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

使用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)開(kāi)始前清理機(jī)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(méi)有縫隙?？刂朴?jì)算機(jī)程序以負(fù)荷為開(kāi)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(yīng)力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看到，與空白試驗(yàn)對(duì)比，加入摻量為1%和5%的生物炭提升了水泥試塊的強(qiáng)度。在摻量為1%時(shí)(圖1)，強(qiáng)度提升效果最為顯著，達(dá)到最高，所有熱解溫度下的生物炭水泥試塊強(qiáng)度都要高于對(duì)照試驗(yàn)。在11 d、28 d、36 d強(qiáng)度分別提升了1.6%～25.3%、18%～50%、18.6%～64.6%，養(yǎng)護(hù)28 d的生物炭水泥試塊相對(duì)于空白對(duì)照試塊的強(qiáng)度提升要遠(yuǎn)高于11 d。這是因?yàn)樯锾渴怯商脊羌軜?gòu)成的性質(zhì)穩(wěn)定的多孔隙結(jié)構(gòu)，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(nèi)部?jī)?chǔ)存并在水泥內(nèi)部進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)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(jìn)了水化反應(yīng)的進(jìn)行及水化產(chǎn)物C-S-H凝膠的產(chǎn)生[10]。同時(shí)生物炭的孔隙吸水性也限制了水泥試塊內(nèi)部自由水的蒸發(fā)，減少了試塊孔隙的出現(xiàn)，使其更加致密。因此說(shuō)明少量生物炭的加入不僅提升了水泥的強(qiáng)度，并且隨著養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度增長(zhǎng)。這也解釋了在圖2中部分試塊的11 d強(qiáng)度低于對(duì)照組，而到了28 d和36 d所有試塊強(qiáng)度均高于對(duì)照組的現(xiàn)象。

綜合比較圖1、圖2、圖3，可以看出在摻量為5%時(shí)(圖2)，部分試塊11d強(qiáng)度低于對(duì)照組；摻量為10%時(shí)(圖3)所有試塊強(qiáng)度均低于對(duì)照組。這一現(xiàn)象說(shuō)明與對(duì)照組相比，生物炭摻量大于5%時(shí)影響了試塊的強(qiáng)度，同時(shí)反映了水泥試塊強(qiáng)度的提升對(duì)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(jìn)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，因此單一就抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)1%～5%為生物炭最合適的摻量，在此之間可能存在最優(yōu)摻量使水泥強(qiáng)度表現(xiàn)更為優(yōu)異，這還有待于下一步試驗(yàn)進(jìn)行探索驗(yàn)證。同時(shí)從試驗(yàn)結(jié)果中可以看到，與其他試塊相比WS400在3種摻量下強(qiáng)度表現(xiàn)最為優(yōu)異，WS700強(qiáng)度表現(xiàn)較差。因?yàn)闊峤鉁囟葲Q定了生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及表面官能團(tuán)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(huì)增加[12]，因此會(huì)影響與水泥水化產(chǎn)物的結(jié)合，從而對(duì)試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性造成一定影響。隨著摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，各個(gè)試塊的強(qiáng)度差異減弱，這在摻量為5%時(shí)表現(xiàn)最為明顯?？赡苁且?yàn)樯锾康膿饺肓枯^大已經(jīng)影響了水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，已無(wú)法顯示出熱解溫度造成不同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度差異的變化，這時(shí)水泥水化產(chǎn)物對(duì)強(qiáng)度起了決定作用。

圖1 生物炭摻量為1%試塊抗壓強(qiáng)度

圖2 生物炭摻量為5%試塊抗壓強(qiáng)度

圖3 生物炭摻量為10%試塊抗壓強(qiáng)度

圖4、圖5、圖6分別為養(yǎng)護(hù)11 d、28 d、36 d各組試塊的抗壓強(qiáng)度。綜合分析圖4-圖6中的試驗(yàn)結(jié)果，基本可以確定試件的抗壓強(qiáng)度隨著生物炭摻量的增加而降低。一方面是因?yàn)樗嗟膹?qiáng)度主要靠水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)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(chǎn)物減少，因此強(qiáng)度降低。在28 d和36 d各組試塊在摻量為10%強(qiáng)度差異不明顯也是因?yàn)樗a(chǎn)物較少，不同熱解溫度下的生物炭對(duì)水化的促進(jìn)作用就不能顯示出明顯差異。另一方面，由于生物炭自身結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)性質(zhì)，大量摻入后與水泥水化產(chǎn)物并不能很好地結(jié)合，會(huì)在試塊內(nèi)部產(chǎn)生許多細(xì)小的微裂縫，從而影響了試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。同時(shí)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)11 d(圖4)的WS300、WS400、WS500摻量為5%的強(qiáng)度高于1%，這可能是因?yàn)樵缙谒磻?yīng)還沒(méi)有進(jìn)行完全，摻入5%的生物炭在不破壞水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下可以起到支撐作用，有助于早期強(qiáng)度的提升。

圖4 養(yǎng)護(hù)11 d抗壓強(qiáng)度

圖5 養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度

圖6 養(yǎng)護(hù)36 d抗壓強(qiáng)度

4 結(jié) 論

1) 生物炭的摻入顯著提升了水泥漿體的抗壓強(qiáng)度，并且與對(duì)照組相比隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加強(qiáng)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(qiáng)度提升表現(xiàn)最為顯著。

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

3) 通過(guò)對(duì)不同摻量的試快進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試可以得出結(jié)論，隨著生物炭摻量的增加，28 d、36 d水泥漿體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度差異更為不明顯。