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硅酸盐通报 2023年第9期42卷 3186-3195页

作者：周文建薛文许丹李颖浙江科技学院土木与建筑工程学院杭州310000

将生物炭用于水泥基材料可改善其基本性能,实现固碳的同时丰富了生物质固废资源化利用的途径。为研究山核桃蒲壳生物炭作为细骨料对水泥砂浆性能的影响规律及作用机理,将其以不同体积分数替代细骨料制备砂浆,对水泥砂浆拌合物的流动性... 详细信息

将生物炭用于水泥基材料可改善其基本性能,实现固碳的同时丰富了生物质固废资源化利用的途径。为研究山核桃蒲壳生物炭作为细骨料对水泥砂浆性能的影响规律及作用机理,将其以不同体积分数替代细骨料制备砂浆,对水泥砂浆拌合物的流动性、硬化砂浆的微观结构、基本力学性能及保温性能展开试验研究。结果表明:1)拌和时添加25%(占生物炭质量分数)的水作为附加用水,拌合物的工作性最稳定。2)生物炭25%(体积分数)替代砂时,骨料周围可形成良好的浆体握裹及界面过渡区,使砂浆试件抗折强度和抗压强度最高;随着砂替代率的增加,砂浆试件的强度均逐级减小。3)随着生物炭用量的增加,水泥砂浆导热系数呈显著的逐级下降趋势,生物炭的原生孔隙延长了热传导路径,并发挥了慢导热作用,添加生物炭可显著提高水泥砂浆的保温隔热性能。

关键词：山核桃蒲壳生物炭砂浆细骨料工作性能强度保温性能

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山核桃蒲壳生物炭混凝土基本力学性能及抗碳化性能研究

山核桃蒲壳生物炭混凝土基本力学性能及抗碳化性能研究

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作者：李竹浙江科技学院

学位级别：硕士

我国农业、林业等产业每年产生的农作物秸秆、果壳、落叶等生物质固体废弃物数量惊人。热解技术可将这些生物质固废转化成具有资源化利用效益的生物炭,将其应用于混凝土可改善混凝土的性能。本文选用浙江省特有的农林固废-山核桃蒲壳制... 详细信息

我国农业、林业等产业每年产生的农作物秸秆、果壳、落叶等生物质固体废弃物数量惊人。热解技术可将这些生物质固废转化成具有资源化利用效益的生物炭,将其应用于混凝土可改善混凝土的性能。本文选用浙江省特有的农林固废-山核桃蒲壳制得的生物炭为原料,采用元素分析、扫描电镜分析、傅里叶红外光谱分析等方法,研究了山核桃蒲壳生物炭的元素组成、微观结构、官能团种类等物理性质。将生物炭分别以无机填料、质量替代水泥、体积替代砂三种形式添加入混凝土中测试不同生物炭添加方式下的混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度,研究不同添加方式及不同掺量生物炭对混凝土力学性能的影响规律,同时采用压汞法(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)等微观手段分析生物炭影响混凝土强度的作用机理。依据强度最优原则确定山核桃蒲壳生物炭的最优添加形式,制备生物炭混凝土并进行碳化试验,测定生物炭混凝土的碳化深度和碳化后抗压强度并与普通混凝土进行对比研究。采用COMSOL软件建立生物炭混凝土碳化深度预测模型,根据试验结果验证模型的有效性;基于该模型对生物炭混凝土进行碳化寿命预测。本文的研究旨在提出山核桃蒲壳生物炭在改善混凝土强度及抗碳化性能的适用性。本文的研究表明:(1)通过元素分析发现,山核桃蒲壳生物炭的氧碳比(O/C)为0.18,其半衰期约为1000年,具有长期稳定性。SEM试验以及吸水率试验表明,该生物炭具有发达的孔隙结构、较高的比表面积以及强吸水性,吸水率可高达108%。(2)当生物炭作为填料应用于混凝土时,最佳掺量为水泥质量的2%,其抗压强度和劈裂抗拉强度较没有添加生物炭的对照组分别提高了3.54%和33.11%;当掺量超过2%时,强度呈下降趋势。采用这种添加方式应用于混凝土时,建议掺量不超过水泥质量的2%。(3)当生物炭替代水泥应用于混凝土时,生物炭混凝土抗压强度较对照组降低了6.25%～26.70%,劈裂抗拉强度与对照组几乎相当。主要原因在于这种生物炭中几乎不含可参与水化反应的元素。基于本文的研究,不建议将此类生物炭替代胶凝材料使用。(4)当生物炭以体积百分比部分替代砂用于混凝土时,生物炭-砂替代率在10%以内,混凝土抗压强度提升了4.1%～16.66%,生物炭混凝土的劈裂抗拉强度比对照组提升了2.36%～28.72%。其中替代率为5%时,抗压强度和劈裂抗拉强度最高。若将生物炭用作砂替代物添加入混凝土中时,建议替代率控制在砂体积的10%以内,同时应添加质量为胶凝材料的3‰左右减水剂以保证拌合物的和易性。(5)通过对生物炭混凝土进行碳化试验。结果表明,生物炭-砂替代率为5%和10%的生物炭混凝土在碳化龄期为3d、7d、14d、28d时的碳化深度均低于普通混凝土,但生物炭混凝土碳化后抗压强度增幅低于普通混凝土,并且随着生物炭替代率的增大增幅逐渐减小。(6)基于试验结果分析生物炭混凝土的碳化深度与碳化时间的关系,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,建立生物炭混凝土与普通混凝土碳化深度数值模型;并基于试验结果对数值模型进行可靠性验证,根据数值模型进行碳化寿命预测。结果表明,当山核桃蒲壳生物炭以5%体积替代砂时,可延长混凝土的碳化寿命。通过本文的研究,明确了将山核桃蒲壳生物炭用于混凝土以提高强度、增强抗碳化性能的适用性及可行性。本文的研究结果为在绿色建筑材料研发领域资源化利用这种生物炭提供了研究依据。

关键词：山核桃蒲壳生物炭混凝土强度抗碳化性能数值模拟

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