生物炭对混凝土力学性能收缩的影响

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摘要：为研究玉米芯生物炭混凝土的力学性能及收缩性能的影响，采用经过450℃、500℃和550℃高温裂解后的玉米芯生物炭，替换1％、4％和8％砂制备混凝土，测试其抗压、抗折强度和收缩性能。试验得出：550℃下制备出的玉米芯生物炭在掺量为4％时，相比掺量为0的内养护性效果更好，抗压强度增加11．0％，抗折强度增加17．2％，自收缩减小14％。证明玉米芯生物炭对混凝土的力学性能及收缩性能能够产生一定影响。

关键词：玉米芯生物炭混凝土；抗折强度；抗压强度；自收缩

前言

混凝土的早期收缩是导致混凝土早期开裂现象的主要原因之一。对于现在大量应用的普遍掺加减水剂混凝土，尤其是对泵送混凝土和低水胶比的高强高性能混凝土来说，早期收缩的影响非常显著，这与混凝土的早期养护和条件具有一定关系。混凝土是水硬性材料，在其强度增长期必须保持构件表面的湿润，以保证水泥充分水化［1］。传统的养护方式，如水养护、喷涂养护剂、塑料膜覆盖等保湿方法，一般很难使水完全湿润到混凝土内部，这就造成低水胶比的高性能混凝土的自收缩变形增大。针对传统养护方式的弊端，提出了混凝土“自养护”，亦即向混凝土中添加养护剂，均匀地分散在混凝土中，起到内部蓄水的作用，养护剂一般是高吸水材料，如饱水轻集料（LWA）和高吸水树脂（SAP）［2］。Bentur等［3］对轻集料进行预湿处理，掺加到混凝土中，可以改善混凝土的收缩变形。胡曙光等［4］等研究了连通率、吸水率高的轻集料经预湿后可明显提高混凝土的工作性，但是轻集料的吸水量有限，往往不能为水泥水化提供足量的水分［5］，不能满足混凝土强度上的要求。而高吸水树脂利用其特殊的结构和性能，能够起到蓄水作用，达到内养护的目的。国内外对SAP进行了大量研究，Jensen等［6－7］提出在混凝土中加入SAP进行内养护，可以明显提高混凝土强度和抗裂性。生物炭的结构与物理性质同高吸水树脂相似，高吸水树脂（SAP）能够改善混凝土的内养护性，使混凝土的强度提高、自收缩减小，但生物炭是否同样可以拥有高吸水树脂的性能，有待进一步研究。现已有对生物炭影响砂浆性能和混凝土性能的研究，李赫等［8］将不同质量分数的污泥生物炭替代水泥制备污泥生物炭混凝土，当生物炭替代量在5％以内时C30和C40污泥生物炭混凝土的力学性能均高于或相当于未掺污泥生物炭的对照组。本文针对生物炭替代砂对混凝土力学性能的影响问题做出了研究。生物炭是指在无氧或限氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秆或其他农作物废物碳化得到的富炭产物。生物炭具有疏松多孔的结构，比表面积大，其分子细密多孔，质地坚硬，有很强的吸附能力，若周围环境湿度大时，可吸收水分；若周围环境干燥，则可释放水分。而玉米作为中国的主要农作物及粮食之一，每年的出产量也相当高，据国家统计局对2018年粮食播种面积、总产量及单位面积产量情况统计，玉米的播种面积最大，总产量最多，单位面积产量最多，可知玉米作为中国主要粮食及农作物之一的重要性。但是，玉米作物废弃物的随意丢弃、焚烧等粗放处理方式使环境污染加剧，成为制约生态环境与农业可持续发展的瓶颈之一。将玉米废弃物玉米芯在缺氧或限氧下制成生物炭是处理废弃物的方法之一，现已广泛用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等。但目前，尚未见到以玉米芯生物炭来改善混凝土内养护性、提高混凝土的力学性能为目的的针对性研究。

1材料与方法

1．1实验原材料

混凝土原材料采用P•O42．5级水泥，其化学成分见表1；中砂；自来水；高效聚羧酸减水剂；粗骨料（5～10、10～20mm）；通过三相电炉高温裂解出的450℃、500℃、550℃三种玉米芯生物炭，将其研磨至满足中砂的要求。

1．2试件制备

混凝土配合比是混凝土制备的基础，设计出合理的配合比才能为后续计划做好准备。经过多次试验得知，当水胶比同为0．45，减水剂分别为2．78g（占0．5％）和3．89g（占0．7％）时配制玉米芯生物炭混凝土，在掺入1％的生物炭时两种减水剂状态下的混凝土坍落度相差不大，但随着生物炭量的增加，减水剂为2．78g状态下制备出的混凝土的坍落度差，粘聚性低。因为其生物炭的吸附能力强，所以需要的水更多，但水胶比过高会影响混凝土的强度。因此，增加一定量的减水剂来减少水的用量。当减水剂为3．89g时，生物炭混凝土的坍落度符合要求，最终决定以水胶比0．45，水250g，水泥551．67g，砂447．28g，粗骨料（5～10mm）313．10g，粗骨料（10～20mm）730．55g，减水剂3．89g为空白组的配合比，在空白组基础上用生物炭替代砂，占比分别为1％、4％和8％制作玉米芯生物炭混凝土，作为实验组。生物炭混凝土的尺寸为100mm×100mm×100mm，每组混凝土制作3个试块。若是测其抗折强度，将其每组混凝土所需的材料质量各乘以3制作尺寸为100mm×100mm×300mm的试块，每组需制作3个。

1．3试验方法

生物炭混凝土抗压、抗折强度的测试。将养护14d生物炭混凝土放在压力试验机上进行抗压、抗折强度测试。自收缩测试采用游标卡尺测在标准条件下养护的7、14d后的生物炭混凝土的长、宽、高，为保证数据精确选择光滑平面分别进行两次测量，求得两次平均值并估读到小数点后两位。通过公式计算其自收缩量。自收缩量＝（100－a）（100－b）（100－c）式中，a，b，c分别表示测得长，宽，高的平均值，mm。

2结果与分析

2．1生物炭对混凝土自收缩的影响

7d后，测得的玉米芯生物炭混凝土自收缩如图1（a）所示，当生物炭的掺量为1％时，混凝土自收缩比掺量为0大0～0．02mm；当掺量为4％时，500℃、550℃自收缩比掺量为0％小0．01～0．04mm，说明500℃、550℃制备出的生物炭在掺量为4％时能有效减小混凝土的自收缩。14d后只有550℃时掺量为4％混凝土的自收缩比掺量为0％的小（小0．06mm），如图1（b）所示。虽然7d450℃下制备出的生物炭混凝土减小了其自收缩，但在14d后增加了混凝土的自收缩，综合考虑并比较7、14d时550℃下制备出的生物炭对混凝土的影响后得出，550℃下制备出的生物炭占砂4％时对混凝土自收缩影响效果好，14d掺量为4％的混凝土的自收缩比生物炭掺量为0时小0．08mm，证明生物炭在一定条件下能够改善混凝土的自收缩。因在混凝土养护期间，水泥水化需要大量的水分并散热，这样内部相对湿度降低，产生收缩变形，而掺入部分生物炭，能够提高混凝土的内部湿度，从而减小混凝土的自收缩。

2．2生物炭对混凝土抗压强度的影响

图2（a）为生物炭对混凝土抗压强度的影响。生物炭混凝土14d的抗压强度比生物炭掺量为0高出1．5～8MPa，约4．3％～23．3％。对于不同煅烧温度生物炭制备的混凝土，不会随着温度的升高，混凝土的强度增大，在温度为500℃时混凝土强度比其他两个温度高。而随着生物炭占比的增大，混凝土的抗压强度在0～1％的占比中增大，在1％～8％的占比中强度逐渐减小。综上所述，在500℃下制备出的玉米芯生物炭用于混凝土，其抗压效果最好，且在占砂含量的1％时，抗压强度最高。

2．3生物炭对混凝土抗折强度的影响

混凝土14d的抗折强度如图2（b）所示。掺量为1％、4％玉米芯生物炭混凝土的抗折强度比掺量为0的混凝土抗折强度要高，增长了8．2％～17．2％。三种不同温度等量的生物炭制备出的混凝土，在450℃～550℃中，其抗折强度在550℃时最大。同时，随着生物炭占比的增大，只有550℃抗折强度在随之增大，在1％～4％时只增加了0．02MPa，在0～1％时增加了0．67MPa。综合450℃、500℃、550℃可知，550℃下制备出的生物炭在掺量为4％时强度最大。

3结论

1）混凝土自收缩与生物炭掺量的多少联系不大，但550℃时7、14d的玉米芯生物炭混凝土的自收缩相比普通混凝土的自收缩有所下降，使后期玉米芯生物炭混凝土强度比普通混凝土强度高。2）综合三种温度下制备出的玉米芯生物炭对混凝土强度和收缩性能的影响，550℃下制备出的玉米芯生物炭在掺量为4％时，相比掺量为0的内养护性效果更好，分别增加抗压强度11．0％，抗折强度17．2％，减小了自收缩程度14％。玉米芯生物炭确实能够增加其混凝土的抗压、抗折强度，达到内养护的效果。

参考文献：

［1］富恩久，吴村，黄荣辉，等．混凝土养护方法的选择［J］．混凝土，2005，27（4）：10－11．

［2］刘成虎，王辉，任冶，等．高吸水树脂（SAP）对砂浆与混凝土性能的影响［J］．武汉理工大学学报，2015，39（6）：190－193．

［4］胡曙光，周宇飞，王发洲，等．高吸水性树脂颗粒对混凝土自收缩与强度的影响［J］．华中科技大学学报，2008，36（5）：1－4，16．

［5］新伟，李学英，焦贺军，等．强吸水聚合物在砂浆与混凝土中的应用研究［C］／／第六届全国高强与高性能混凝土会议论交集，2007．

［8］李赫，王震洪．污泥生物炭混凝土性能及环境效益研究［J］．环境科学与技术，2019，42（11）：147－153．

作者：雷源 杨通健 吴大鹏 杜永红 吴福飞 单位：贵州师范大学