一种生物炭混凝土及其制备方法与流程

本技术涉及混凝土的领域，尤其是涉及一种生物炭混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、水泥及其复合材料是最常用的水工建筑材料，是影响经济发展的重要资源和商品，目前仍属于不可替代的基础建筑材料。据估计,水泥行业约占所有人为二氧化碳排放量的5-7％，因此提升水泥强度的同时，采用新材料减少或部分替代水泥使用量对我国建筑、环保领域需要具有重要意义。

2、在水泥中加入生稻壳或秸秆等植物纤维虽然会能够一定程度上减少水泥使用量，但并不会使水泥的强度增强，这是由于秸秆等植物纤维有较高的硅含量，但这些硅的形态是无定型、非晶体的，尤其是水稻秸秆中80-98％的硅都是以无定型形态存在，并不能与水泥中矿物质水化结合为稳定的产物。

3、碳封存也是减缓全球变暖的关键性技术，生物炭也是碳的一种存在形式，但目前生物炭的封存和应用研究主要集中在土壤改良领域。混凝土内封存碳，即在水泥基材料中按一定比例掺入生物炭。由于混凝土寿命可达百年，这些碳将长时间形成碳汇，不再与碳源进行碳交换，这基本可实现永久封存，减少了水泥使用量，并且能够封存一部分碳，因此可有效地减少碳排放；并且，植物纤维经过高温热解后发现其中的无定形硅逐渐向晶态转变，与直接掺入农作物原料相比，掺入通过热解形成的生物炭则更加稳定，在一定程度上增强混凝土的力学性能。

4、但是混凝土中生物炭掺量不宜过多，参考文献《山核桃蒲壳生物炭混凝土基本力学性能及抗碳性能研究》中提到，混凝土中的生物炭掺量不宜超过水泥质量的2％。这是因为生物炭自身存在孔隙结构，当生物炭作为填料添加入混凝土混合物中，当生物炭的掺入量过多时，生物炭引入的原生孔隙数量增多，使得混凝土的密实度降低，从而产生强度损失；并且生物炭易出现团聚效应，随着生物炭掺量提高而出现团聚效应时，细颗粒的裂缝阻隔效应减弱，混凝土的劈裂抗拉强度随之降低，而导致韧性降低。因此，目前在混凝土掺入生物炭，对碳排放量的减小以及碳封存的能力仍然有限。

技术实现思路

1、为了保障混凝土力学性能的同时，提升生物炭混凝土的碳排放减少能力和碳封存能力，本技术提供一种生物炭混凝土。

2、本技术提供的一种生物炭混凝土采用如下的技术方案：

3、一种生物炭混凝土，包括以下组分及其重量份：

4、复合水泥掺料530-560份、细骨料608-614份、粗骨料1129-1140份、水210-220份；

5、所述复合水泥掺料包括质量比为1：(0.032-0.056)：(0.12-0.16)：(0.064-0.084)的水泥：生物炭粉：矿粉：纤维复掺料；

6、所述矿粉的粒径为l1，所述生物炭粉的孔隙孔径为l2，所述l1和l2均为微米级大小，所述l2小于l1；

7、所述纤维复掺料包括植物纤维、改性植物纤维和丙烯酸胶，所述改性植物纤维由植物纤维经表面改性处理后得到。

8、通过采用上述技术方案，将生物炭掺入混凝土后，由于生物炭颗粒的多孔结构，水泥基质的一部分体积被生物炭中以孔隙形式存在的空隙所占据，而混凝土中混掺有矿粉，且掺入的矿粉粒径小于生物碳粉的孔隙孔径，在混凝土搅拌成型过程中，矿粉能够对生物碳粉的孔隙进行填充支撑，以减小生物炭引入的原生孔隙数量，从而减小在混凝土的凝胶机制中形成较多的毛细孔网络，而造成混凝土的密实度降低，力学性能下降的程度。

9、与此同时，植物纤维表面本身分布有羟基基团，由于经过热解炭化处理后，生物质中的纤维素、半纤维素、蛋白质、脂肪等形成了许多含氧官能团，从而在生物炭表面和内部形成了大量的羧基、羰基等官能团，而羟基基团和羧基基团之间具有很好的亲和力，能够大大增加与植物纤维和生物炭粉之间的粘附性，使得生物炭颗粒能够与改性植物纤维进行粘附结合。丙烯酸胶使得植物纤维、改性植物纤维相互粘结混合。经表面改性后得到改性植物纤维，改性植物纤维表面变得粗糙，改性植物纤维的界面结合性能得到提升，更利于植物纤维和改性植物纤维在混凝土中的分散，以能够使得与植物纤维进行粘附结合的生物炭能够在混凝土中不易产生团聚，具有更好的分散效果，从而减小生物炭的高掺量导致混凝土中细颗粒的裂缝阻隔效应减弱，混凝土的劈裂抗拉强度随之降低，而导致韧性降低的程度。

10、由上可得，通过矿粉和纤维复掺料的加入，能够减小高掺量的生物炭对混凝土的密实度以及裂缝阻隔效应的减弱，从而能够一定程度上减小生物炭的掺量增加对混凝土的力学性能的影响，因此生物炭在混凝土中的掺量可提升至水泥使用量的3％-5％左右，以在一定程度上提升生物炭混凝土的碳排放减少能力和碳封存能力。

11、可选的，所述改性植物纤维的制备过程包括以下步骤：

12、在碱溶液中，通过硫酸钠和焦磷酸钠脱去植物纤维表面的胶质，再用酸洗和水洗，最后处理成细丝状，烘干后，取出备用；

13、在醇溶液中按一定比例加入硅烷偶联剂，调节溶液ph为4.0-4.5，把上述处理好的植物纤维放入上述溶液中浸泡1-2h，取出植物纤维并继续干燥，得到改性植物纤维。

14、通过采用上述技术方案，能够对植物纤维表面的胶质的脱除以及氢键的断裂，从而提升植物纤维表面的粗糙度。

15、可选的，所述植物纤维、改性植物纤维和丙烯酸胶的质量比为1：(2.4-2.8)：(1.2-1.4)。

16、通过采用上述技术方案，通过上述投入比例，使得植物纤维能够充分地与生物炭进行粘附结合，以及更利于植物纤维和改性植物纤维在混凝土中的分散。

17、可选的，所述纤维复掺料的制备过程包括以下步骤：

18、先将植物纤维和三分之一的丙烯酸胶进行均质搅拌，搅拌转速为100-130r/min，搅拌时间为4-6min，再投入改性植物纤维和剩余的丙烯酸胶，继续均质搅拌，搅拌时间为15-18min，得到纤维复掺料。

19、可选的，所述生物炭的细度为200-220目。

20、通过采用上述技术方案，上述细度的生物炭能够更好地对水泥基材固化过程形成的孔隙进行填充支撑，以在一定程度上提升混凝土的密实度。

21、可选的，所述生物炭为青稞秸秆灰、玉米秸秆、小麦秸秆、稻谷秸秆、棉花秸秆和大豆秸秆中的至少一种。

22、可选的，所述生物炭的制备步骤为：

23、首先将清洗后的生物炭原材料进行粉碎处理，烘干，再在280-320℃限氧环境下进行热解，热解过程约1-3h，将其完全炭化生成生物炭颗粒，最后，自然冷却到室温，研磨成细颗粒并进行筛分，得到生物炭。

24、通过采用上述技术方案，在上述温度热解炭化形成的生物炭的孔隙主要为大孔和中孔，以减小生物炭形成的微孔较多，矿粉难以进行对生物炭的孔隙进行填充支撑的可能性。

25、可选的，所述矿粉的细度为1350-1500目。

26、通过采用上述技术方案，生物炭的大孔半径通常≥20μm，中孔半径通常为0.15-20μm，细度为1350-1500目的矿粉的粒径通常在9-10μm左右，能够对生物炭的大孔以及部分中孔进行填充支撑的同时，又不会因细度过大、粒径过小而易出现团聚效应。

27、可选的，所述矿粉为沸石粉、蒙脱石粉、硅灰石和滑石粉中的至少一种。

28、第二方面，本技术提供的一种生物炭混凝土的制备方法采用如下的技术方案：

29、一种生物炭混凝土的制备方法，包括以下步骤：

30、将生物炭粉、矿粉和纤维复掺料按照比例混合搅拌至混合均勾，然后加入按比例需要加入的水的四分之一、以及二分之一的水泥，进行第一次搅拌，搅拌至混合均匀；

31、加入粗骨料和细骨料，以及剩余的水和水泥，进行第二次搅拌，搅拌至混合均匀，将搅拌均匀的混凝土拌合物装入预制模具内，并进行振捣，养护后得到混凝土。

32、通过采用上述技术方案，通过上述分批加入组分

33、进行搅拌，使得生物炭粉与矿粉和纤维复掺料先进行粘附结合，再与粗骨料和细骨料进行搅拌混合，能够使得矿粉更好地对生物碳粉的多孔结构进行填充支撑，以及使得生物炭分散于混凝土中。

34、可选的，所述第一搅拌和第二次搅拌的搅拌转速均为8-12r/min，所述第一次搅拌的搅拌时间为2-5min，所述第二次搅拌的搅拌时间为5-7min。

35、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

36、1.通过矿粉和纤维复掺料的加入，能够减小高掺量的生物炭对混凝土的密实度以及裂缝阻隔效应的减弱，从而能够一定程度上减小生物炭的掺量增加对混凝土的力学性能的影响，因此生物炭再混凝土中的掺量可相对提升，以提升生物炭混凝土的碳排放减少能力和碳封存能力；2.细度为200-220目的生物炭能够更好地对水泥基材固化过程形成的孔隙进行填充支撑，以在一定程度上提升混凝土的密实度。