生物炭對(duì)混凝土力學(xué)性能收縮的影響

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摘要：為研究玉米芯生物炭混凝土的力學(xué)性能及收縮性能的影響，采用經(jīng)過(guò)450℃、500℃和550℃高溫裂解后的玉米芯生物炭，替換1％、4％和8％砂制備混凝土，測(cè)試其抗壓、抗折強(qiáng)度和收縮性能。試驗(yàn)得出：550℃下制備出的玉米芯生物炭在摻量為4％時(shí)，相比摻量為0的內(nèi)養(yǎng)護(hù)性效果更好，抗壓強(qiáng)度增加11．0％，抗折強(qiáng)度增加17．2％，自收縮減小14％。證明玉米芯生物炭對(duì)混凝土的力學(xué)性能及收縮性能能夠產(chǎn)生一定影響。

關(guān)鍵詞：玉米芯生物炭混凝土；抗折強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度；自收縮

前言

混凝土的早期收縮是導(dǎo)致混凝土早期開(kāi)裂現(xiàn)象的主要原因之一。對(duì)于現(xiàn)在大量應(yīng)用的普遍摻加減水劑混凝土，尤其是對(duì)泵送混凝土和低水膠比的高強(qiáng)高性能混凝土來(lái)說(shuō)，早期收縮的影響非常顯著，這與混凝土的早期養(yǎng)護(hù)和條件具有一定關(guān)系?；炷潦撬残圆牧希谄鋸?qiáng)度增長(zhǎng)期必須保持構(gòu)件表面的濕潤(rùn)，以保證水泥充分水化［1］。傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方式，如水養(yǎng)護(hù)、噴涂養(yǎng)護(hù)劑、塑料膜覆蓋等保濕方法，一般很難使水完全濕潤(rùn)到混凝土內(nèi)部，這就造成低水膠比的高性能混凝土的自收縮變形增大。針對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式的弊端，提出了混凝土“自養(yǎng)護(hù)”，亦即向混凝土中添加養(yǎng)護(hù)劑，均勻地分散在混凝土中，起到內(nèi)部蓄水的作用，養(yǎng)護(hù)劑一般是高吸水材料，如飽水輕集料（LWA）和高吸水樹(shù)脂（SAP）［2］。Bentur等［3］對(duì)輕集料進(jìn)行預(yù)濕處理，摻加到混凝土中，可以改善混凝土的收縮變形。胡曙光等［4］等研究了連通率、吸水率高的輕集料經(jīng)預(yù)濕后可明顯提高混凝土的工作性，但是輕集料的吸水量有限，往往不能為水泥水化提供足量的水分［5］，不能滿足混凝土強(qiáng)度上的要求。而高吸水樹(shù)脂利用其特殊的結(jié)構(gòu)和性能，能夠起到蓄水作用，達(dá)到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的目的。國(guó)內(nèi)外對(duì)SAP進(jìn)行了大量研究，Jensen等［6－7］提出在混凝土中加入SAP進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)，可以明顯提高混凝土強(qiáng)度和抗裂性。生物炭的結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)同高吸水樹(shù)脂相似，高吸水樹(shù)脂（SAP）能夠改善混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)性，使混凝土的強(qiáng)度提高、自收縮減小，但生物炭是否同樣可以擁有高吸水樹(shù)脂的性能，有待進(jìn)一步研究?，F(xiàn)已有對(duì)生物炭影響砂漿性能和混凝土性能的研究，李赫等［8］將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的污泥生物炭替代水泥制備污泥生物炭混凝土，當(dāng)生物炭替代量在5％以內(nèi)時(shí)C30和C40污泥生物炭混凝土的力學(xué)性能均高于或相當(dāng)于未摻污泥生物炭的對(duì)照組。本文針對(duì)生物炭替代砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響問(wèn)題做出了研究。生物炭是指在無(wú)氧或限氧環(huán)境下，通過(guò)高溫裂解將木材、草、玉米稈或其他農(nóng)作物廢物碳化得到的富炭產(chǎn)物。生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，比表面積大，其分子細(xì)密多孔，質(zhì)地堅(jiān)硬，有很強(qiáng)的吸附能力，若周圍環(huán)境濕度大時(shí)，可吸收水分；若周圍環(huán)境干燥，則可釋放水分。而玉米作為中國(guó)的主要農(nóng)作物及糧食之一，每年的出產(chǎn)量也相當(dāng)高，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局對(duì)2018年糧食播種面積、總產(chǎn)量及單位面積產(chǎn)量情況統(tǒng)計(jì)，玉米的播種面積最大，總產(chǎn)量最多，單位面積產(chǎn)量最多，可知玉米作為中國(guó)主要糧食及農(nóng)作物之一的重要性。但是，玉米作物廢棄物的隨意丟棄、焚燒等粗放處理方式使環(huán)境污染加劇，成為制約生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。將玉米廢棄物玉米芯在缺氧或限氧下制成生物炭是處理廢棄物的方法之一，現(xiàn)已廣泛用于固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等。但目前，尚未見(jiàn)到以玉米芯生物炭來(lái)改善混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)性、提高混凝土的力學(xué)性能為目的的針對(duì)性研究。

1材料與方法

1．1實(shí)驗(yàn)原材料

混凝土原材料采用P•O42．5級(jí)水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表1；中砂；自來(lái)水；高效聚羧酸減水劑；粗骨料（5～10、10～20mm）；通過(guò)三相電爐高溫裂解出的450℃、500℃、550℃三種玉米芯生物炭，將其研磨至滿足中砂的要求。

1．2試件制備

混凝土配合比是混凝土制備的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出合理的配合比才能為后續(xù)計(jì)劃做好準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得知，當(dāng)水膠比同為0．45，減水劑分別為2．78g（占0．5％）和3．89g（占0．7％）時(shí)配制玉米芯生物炭混凝土，在摻入1％的生物炭時(shí)兩種減水劑狀態(tài)下的混凝土坍落度相差不大，但隨著生物炭量的增加，減水劑為2．78g狀態(tài)下制備出的混凝土的坍落度差，粘聚性低。因?yàn)槠渖锾康奈侥芰?qiáng)，所以需要的水更多，但水膠比過(guò)高會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度。因此，增加一定量的減水劑來(lái)減少水的用量。當(dāng)減水劑為3．89g時(shí)，生物炭混凝土的坍落度符合要求，最終決定以水膠比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，減水劑3．89g為空白組的配合比，在空白組基礎(chǔ)上用生物炭替代砂，占比分別為1％、4％和8％制作玉米芯生物炭混凝土，作為實(shí)驗(yàn)組。生物炭混凝土的尺寸為100mm×100mm×100mm，每組混凝土制作3個(gè)試塊。若是測(cè)其抗折強(qiáng)度，將其每組混凝土所需的材料質(zhì)量各乘以3制作尺寸為100mm×100mm×300mm的試塊，每組需制作3個(gè)。

1．3試驗(yàn)方法

生物炭混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的測(cè)試。將養(yǎng)護(hù)14d生物炭混凝土放在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試。自收縮測(cè)試采用游標(biāo)卡尺測(cè)在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的7、14d后的生物炭混凝土的長(zhǎng)、寬、高，為保證數(shù)據(jù)精確選擇光滑平面分別進(jìn)行兩次測(cè)量，求得兩次平均值并估讀到小數(shù)點(diǎn)后兩位。通過(guò)公式計(jì)算其自收縮量。自收縮量＝（100－a）（100－b）（100－c）式中，a，b，c分別表示測(cè)得長(zhǎng)，寬，高的平均值，mm。

2結(jié)果與分析

2．1生物炭對(duì)混凝土自收縮的影響

7d后，測(cè)得的玉米芯生物炭混凝土自收縮如圖1（a）所示，當(dāng)生物炭的摻量為1％時(shí)，混凝土自收縮比摻量為0大0～0．02mm；當(dāng)摻量為4％時(shí)，500℃、550℃自收縮比摻量為0％小0．01～0．04mm，說(shuō)明500℃、550℃制備出的生物炭在摻量為4％時(shí)能有效減小混凝土的自收縮。14d后只有550℃時(shí)摻量為4％混凝土的自收縮比摻量為0％的小（小0．06mm），如圖1（b）所示。雖然7d450℃下制備出的生物炭混凝土減小了其自收縮，但在14d后增加了混凝土的自收縮，綜合考慮并比較7、14d時(shí)550℃下制備出的生物炭對(duì)混凝土的影響后得出，550℃下制備出的生物炭占砂4％時(shí)對(duì)混凝土自收縮影響效果好，14d摻量為4％的混凝土的自收縮比生物炭摻量為0時(shí)小0．08mm，證明生物炭在一定條件下能夠改善混凝土的自收縮。因在混凝土養(yǎng)護(hù)期間，水泥水化需要大量的水分并散熱，這樣內(nèi)部相對(duì)濕度降低，產(chǎn)生收縮變形，而摻入部分生物炭，能夠提高混凝土的內(nèi)部濕度，從而減小混凝土的自收縮。

2．2生物炭對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2（a）為生物炭對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。生物炭混凝土14d的抗壓強(qiáng)度比生物炭摻量為0高出1．5～8MPa，約4．3％～23．3％。對(duì)于不同煅燒溫度生物炭制備的混凝土，不會(huì)隨著溫度的升高，混凝土的強(qiáng)度增大，在溫度為500℃時(shí)混凝土強(qiáng)度比其他兩個(gè)溫度高。而隨著生物炭占比的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度在0～1％的占比中增大，在1％～8％的占比中強(qiáng)度逐漸減小。綜上所述，在500℃下制備出的玉米芯生物炭用于混凝土，其抗壓效果最好，且在占砂含量的1％時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高。

2．3生物炭對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

混凝土14d的抗折強(qiáng)度如圖2（b）所示。摻量為1％、4％玉米芯生物炭混凝土的抗折強(qiáng)度比摻量為0的混凝土抗折強(qiáng)度要高，增長(zhǎng)了8．2％～17．2％。三種不同溫度等量的生物炭制備出的混凝土，在450℃～550℃中，其抗折強(qiáng)度在550℃時(shí)最大。同時(shí)，隨著生物炭占比的增大，只有550℃抗折強(qiáng)度在隨之增大，在1％～4％時(shí)只增加了0．02MPa，在0～1％時(shí)增加了0．67MPa。綜合450℃、500℃、550℃可知，550℃下制備出的生物炭在摻量為4％時(shí)強(qiáng)度最大。

3結(jié)論

1）混凝土自收縮與生物炭摻量的多少聯(lián)系不大，但550℃時(shí)7、14d的玉米芯生物炭混凝土的自收縮相比普通混凝土的自收縮有所下降，使后期玉米芯生物炭混凝土強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度高。2）綜合三種溫度下制備出的玉米芯生物炭對(duì)混凝土強(qiáng)度和收縮性能的影響，550℃下制備出的玉米芯生物炭在摻量為4％時(shí)，相比摻量為0的內(nèi)養(yǎng)護(hù)性效果更好，分別增加抗壓強(qiáng)度11．0％，抗折強(qiáng)度17．2％，減小了自收縮程度14％。玉米芯生物炭確實(shí)能夠增加其混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度，達(dá)到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的效果。

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作者：雷源 楊通健 吳大鵬 杜永紅 吳福飛 單位：貴州師范大學(xué)