加速建筑脱碳：生物炭与石灰石煅烧粘土水泥（LC3）的协同效应助力碳减排与性能提升

《Journal of Environmental Management》：Accelerating construction decarbonization: biochar-Limestone Calcined Clay Cement (LC3) synergy for carbon mitigation and performance enhancement

　　**摘要要点**- 利用大量生物炭应用于水泥砂浆，以实现低碳建筑。- 生物炭被用于增强石灰石煅烧黏土水泥。- 系统研究了生物炭对普通硅酸盐水泥和LC3水泥新拌及硬化性能的影响。- 30%生物炭与LC3的协同使用展现出巨大的环境效益。**引言**随着城市化进程的推进，全球变暖加速加剧，导致极端天气频发，并对生态系统构成重大挑战（Wernberg等，2013）。特别是建筑部门约占全球能源使用与过程所产生的碳足迹的40%（GABC，2019）。因此，减少建筑行业的碳排放已成为各国日益关注的重点（Onat和Kucukvar，2020）。混凝土复合材料是现代生活与社会的基石，支撑着道路、桥梁、住宅、隧道、大坝、电厂和机场等关键基础设施的建设（Van Damme，2018），它也是人类在地球上消费最广泛的合成材料（Li等，2026；Vieira等，2016）。作为混凝土中不可或缺的胶凝材料，水泥的年产量估计在2019年达到约41亿吨（Cembureau，2020），贡献了全球人为碳排放的近5%–8%（Fang等，2024；Turner和Collins，2013）。为实现国际能源署（IEA）提出到2050年水泥行业实现短期净零排放的目标，到2030年碳强度需以每年近4%的速率降低（TEC，2026）。因此，采用可持续材料部分或完全替代水泥熟料，对于减少水泥消耗、推动低碳城市建设中的绿色施工至关重要。生物炭是一种碳负排放的多孔材料，通过在惰性气氛中、在缺氧或限氧条件下将各种有机原料在高温下转化为富碳物质而制成（Guo等，2025；Li等，2025a；Peng等，2026）。常规的热化学转化通常采用慢速热解工艺，以约0.1?1 °C/s的升温速率在400?500 °C温度区间内进行5?30分钟的保温（Tripathi等，2016）。热解后产生三种主要副产物：固体生物炭、热解油和气化合成气（Zhang等，2021）。生物炭具有多种优势特性，包括无毒、化学稳定性好、导热率低和可燃性低（Gupta和Kua，2017），使其成为建筑材料中的理想添加剂。它可以作为水泥熟料或骨料的替代物，也可作为水泥基复合材料中的填料（Li等，2024）。由于生物炭具有碳捕获与封存能力，将生物炭引入水泥基材料已引起越来越多的关注（Li等，2025b）。此外，通过使用生物炭部分替代波特兰水泥，或在受控量下直接掺入生物炭添加剂（通常为质量的1?2%），水泥复合材料可实现强度提升（Maljaee等，2021；Sobuz等，2024；Tan等，2020）。由于其多孔结构，生物炭可吸收水分并在早期水化过程中逐步释放到水泥基体中，从而促进内部养护并推动微观结构发展（Choi等，2012）。此外，细粒生物炭可作为异相水化的成核位点，加速氢氧化钙[Ca(OH)?]和硅酸钙水化物（C?S?H）等水化产物的形成（Gupta等，2018b）。目前，大多数研究聚焦于将生物炭作为砂浆或混凝土中的辅助胶凝材料（Li等，2024）。例如，Maljaee等（2021）将橄榄核、木片和稻壳制备的不同类型生物炭以0.5%至4%（质量分数）的替代率掺入砂浆中，观察到28天抗压强度和抗折强度分别提高约9%和8%，这归因于生物炭促进了包括Ca(OH)?和C?S?H凝胶在内的额外水化产物形成。此外，Sobuz等（2024）将300 °C和500 °C热解制备的生物炭以1?8%（质量分数）掺入水泥砂浆中，发现1%的最优生物炭含量可在任意热解温度下增强抗压强度，而超过5%的生物炭含量会对砂浆强度产生负面影响。总体而言，以往研究主要关注低生物炭掺量（低于10%），而关于高生物炭含量增强水泥复合材料的研究仍十分有限（Li和Shi，2023）。近期研究强调了在高替代率下评估含生物炭水泥材料环境安全性的必要性（Karmakar等，2026）。Legan等（2025）使用含5%木源生物炭的砂浆浸出液进行了生态毒理学测试，发现相比传统砂浆，铬和硝酸盐含量有所增加。尽管如此，将生物炭掺入水泥基体在陆地和水生场景下均未表现出毒性。相反，Praneeth等（2025）观察到在飞灰–水泥砌块中使用2–6%生物炭添加剂可减少硒、铝、铬和钡的浸出。因此，在将生物炭掺入建筑材料之前，应考虑诸如痕量金属和多环芳烃等污染物的潜在释放问题。近年来，一种名为石灰石煅烧黏土水泥（LC3）的可持续三元复合水泥引起了全球研究人员的广泛关注，这得益于其较高的熟料替代率（Sharma等，2021）。广泛采用的LC3-50配合比由50%熟料、30%煅烧黏土、15%石灰石和5%石膏组成，可在保持与OPC相当力学性能的同时，用专门的复合材料替代一半的熟料（Scrivener等，2018）。与OPC相比，LC3-50配合比展现出33%的碳足迹降低和15%的能耗下降（Gettu等，2019），凸显了其良好的环境效益。此外，LC3表现出优异的耐久性特性，包括增强的气体渗透性、氯离子侵入和水分渗透抗性（Dhandapani等，2018）。Shah等（2020）的系统研究表明，随着水泥替代率从10%增加到50%，LC3复合材料的初始凝结时间和诱导期呈下降趋势。煅烧黏土的火山灰反应性促进了额外的C?S?H凝胶和碳铝酸盐的形成，改善了基体致密化，增强了抗压性能，并减少了吸水率和氯离子扩散（Shah等，2020）。此外，LC3复合水泥的抗弯承载能力也可以提高，这归因于额外的钙矾石和高聚合度钙铝硅酸水化物（C?A?S?H）凝胶的形成（Li等，2023；Wang等，2021）。然而，在LC3复合材料中掺入高生物炭含量的研究尚未开展。此外，生物炭与LC3反应产物之间的相互作用仍不清楚。本研究通过结合绿色生物炭与LC3，提出了一种设计可持续水泥复合材料的创新方法。在本研究中，生物炭以15 wt%和30 wt%的不同替代率分别掺入纯砂浆和LC3复合材料的结合料中。研究旨在考察不同废源生物炭含量对纯水泥砂浆和LC3复合材料流动性和水化过程的影响，并采用先进的表征技术评估熟料被生物炭替代对相组成、孔隙结构和力学性能的影响。最后，通过生命周期评估和生命周期成本法，定量评估了所提出复合材料的减碳潜力和整体经济成本。**章节摘要****2.1 材料**商用Plus500生物炭由EGoS GmbH（德国布特罗普）提供，通过木片热解制成。该多孔材料总碳含量超过90%，灰分含量约为3–5%（由供应商提供）。通过X射线光电子能谱测定的生物炭表面化学成分列于表S1。在掺入水泥基体之前，使用1 mm孔径的筛网对生物炭进行筛选。**3.1 水泥砂浆的初始性能**图2a展示了所有水泥砂浆在冲击前后流动度试验中可比的扩散值。用生物炭替代OPC的水泥砂浆中，随着生物炭含量从15%升至30%，OPC体系的扩散直径逐步增大。这种流动性改善可归因于悬浊水泥的稀释作用以及相对于OPC结合料而言超塑化剂的相对比例提升。聚丙烯酸共聚物大分子可以被……**4 结论**本工作通过将可持续生物炭整合到普通硅酸盐水泥（OPC）和石灰石煅烧黏土水泥（LC3）中，提出了一种新型环保水泥复合材料设计。以15 wt%和30 wt%的高掺量分别替代OPC和LC3砂浆中的结合料。系统研究了生物炭掺入对初始性能、水化产物和微观结构发展的影响。此外，还通过力学测试和生命周期……**5 CRediT作者贡献声明****Huanyu Li：** 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念构思。**Junyi Zhang：** 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据管理。**Ning Zhang：** 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、研究、正式分析。**Gang Huang：** 撰写——审阅与编辑、研究、正式分析。**Yirou Zhou：** 撰写——……**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者衷心感谢**浙江省重点研发计划**（资助号 2025C01176）、**中国-政府间科技合作/国家重点研发计划**（2024YFE0100200）、**国家自然科学基金**（资助号 52206174；52236008）、**中央高校基本科研业务费**（资助号 226-2024-00082；226-2024-00225）以及**科学技术**……提供的资助。作者：Huanyu Li｜Junyi Zhang｜Ning Zhang｜Gang Huang｜Yirou Zhou｜Yan Xia｜Liang Chen｜Lei Wang｜Viktor Mechtcherine