将生物炭作为低碳胶凝材料的部分骨料替代品：生物炭含量、类型和粒径的影响

《Sustainable Materials and Technologies》：Using biochar as partial aggregate substitute for low-carbon cementitious materials: Effects of biochar content, type and particle size

　　

陈莎莎|张俊辉|唐玉香|顾帆

教育部公路工程重点实验室，长沙理工大学，中国湖南长沙410114

摘要

生物炭作为水泥基材料中的碳封存成分，受到了越来越多的关注，但其作为细骨料的部分替代品的使用仍受到限制，这主要是由于人们对生物炭含量、来源类型和粒径如何共同影响砂浆性能的理解还不够充分。本研究系统地研究了通过等体积替代天然砂制备的生物炭骨料砂浆，重点关注了其力学强度、干燥收缩、水分传输和微观结构演变。结果表明，较低的生物炭含量（低于20%）对力学强度和水分传输的影响有限。这归因于生物炭表面水化产物的沉积以及与基体之间形成的良好界面粘结。超过这一阈值会导致过多的孔隙，从而降低强度并增加吸水性。此外，加入预湿润的生物炭骨料可以减少干燥收缩，并由于其内部固化作用而增加砂浆的失水率。生物炭的来源类型也影响了强度、收缩和水分传输之间的平衡，主要是因为它们在密度、吸水性、孔隙形态和矿物组成方面的差异。就粒径而言，细生物炭颗粒与更明显的孔隙细化和水化产物沉积有关，而粗颗粒则倾向于形成较大的孔隙，但减少了易收缩的水泥浆体积分数。这些发现为生物炭作为水泥基复合材料中可持续骨料的潜在应用提供了新的见解。

引言

在过去的几十年里，由于各种人类活动产生的过量二氧化碳排放，气候变化威胁着地球的生态系统[1]。可持续发展政策敦促人们密切关注使用和开发环保和低碳材料[2]、[3]。作为使用最广泛的材料之一，混凝土生产造成的环境污染逐渐成为公众关注的焦点。因此，低碳建筑材料的研究和开发对建筑行业具有重要的经济和环境效益[4]。

生物炭是一种富含碳的材料，通过在缺氧条件下对生物质进行热解制备而成，由于其负碳足迹和高孔隙结构，在基于水泥的材料中引起了越来越多的关注。加入生物炭可以消耗农业废弃物（如木材废弃物、食物废弃物、稻草、污泥和果壳），1吨生物炭可以捕获2.0–2.6吨二氧化碳[5]、[6]。此外，它还具有低成本和可再生的优势，这对于缓解全球变暖至关重要。生物质的可再生性、广泛可用性和快速增长的特点使其在基于水泥的材料中具有巨大潜力[7]。值得注意的是，向建筑材料中添加适量的生物炭可以产生多种有益效果，例如减少收缩[8]、改善隔音和隔热性能[9]，以及潜在地固定有毒元素[10]。因此，将生物炭应用于建筑材料为促进碳中和提供了一个安全且有前景的解决方案[11]、[12]。

多项研究强调了生物炭作为水泥基材料补偿剂或替代品在力学性能方面的有益效果[14]。Berti等人[13]指出，当生物炭作为填料加入水泥时，可以形成更稳定的结构并降低砂浆的孔隙率。Wang报告称，添加1%重量的生物炭可使混合物的抗压强度提高8.9%[14]。Ahmad等人[15]证明，当以0.08%重量比添加竹子生物炭时，抗弯强度显著提高了66%。Choi等人[16]指出，生物炭颗粒在失效前吸收能量，将裂纹路径引向它们自身，从而增强了断裂能量和抗弯强度[17]。

为了进一步减少碳足迹，人们尝试探索扩大生物炭在水泥基材料中应用的方法，并评估其提高性能的潜力。一些学者将生物炭作为骨料使用，增加了生物炭在基于水泥的材料中的应用比例。例如，Chen等人[18]发现，用作骨料的生物炭促进了砂浆中的水泥水化过程，增强了C-S-H凝胶的形成，并通过内部固化提高了C-S-H凝胶的聚合程度。Mrad和Chehab[19]在介观尺度上将生物炭作为砂的部分替代品，评估了抗压强度和微观结构等性能指标。Rupasinghe等人[20]指出，利用木质生物炭骨料的多孔结构会降低砂浆的力学性能和耐久性，但提高了材料的热湿性能和碳封存能力。这一发现突显了生物炭骨料砂浆在功能性应用中的研究价值。

尽管有一些研究考察了生物炭骨料对水泥基材料性能的影响，但大多数研究仅关注单一的生物炭含量。由不同原料（如木材、稻草、稻壳和果壳）热解产生的生物炭颗粒的性能存在显著差异[21]、[22]、[23]，其对水泥基材料性能的影响需要进一步研究。此外，骨料主要通过骨架效应和孔隙填充机制发挥作用，这些都与粒径密切相关[24]、[25]。总之，关于生物炭含量、类型和粒径等各种因素对水泥基材料性能影响的系统研究仍然不足，这限制了生物炭颗粒作为骨料的安全应用。

因此，本研究系统地研究了生物炭含量、来源类型和粒径对砂浆宏观性能和微观结构的影响。目的是阐明生物炭骨料与水泥基体之间相互作用的层次机制。首先，确定了生物炭砂浆的力学强度、干燥收缩行为和水分传输性能，并进行了讨论。然后，对其相应的微观形态、孔结构 and 化学成分进行了表征。通过结合宏观性能和微观结构，阐明了生物炭骨料含量、类型和粒径对水泥基材料的影响机制，为优化生物炭骨料在低碳水泥基材料中的利用提供了基础。

章节片段

材料

本研究使用了符合GB 175–2007标准的42.5级普通波特兰水泥，其物理性能和化学成分符合标准[26]。使用清洁的自来水作为混合水，并添加了粉末状聚羧酸超塑化剂以提高混合物的工作性。本研究中使用的三种典型生物炭分别来自废弃椰壳（BC）、稻壳（RS）和竹子（BS），对应于果壳、农业废弃物和木材

生物炭含量、来源和粒径的力学响应

如图6(a)所示，随着BC含量的增加，砂浆的强度降低，尤其是当含量超过20%时。力学性能的下降趋势与以往的研究结果一致[37]。与BC0相比，BC20、BC40和BC60的抗压强度分别降低了17.7%、24.2%和27.4%，抗弯强度分别降低了1.5%、5.5%和12.22%。可以看出，BC10的强度有所增加。这表明较低水平的

生物炭含量的影响

对于生物炭砂浆，生物炭骨料与基体紧密结合（图16）。这可以归因于生物炭孔隙中的水分促进了水泥的水化过程。此外，生物炭的多孔结构作为水化产物的成核位点，有利于水泥的水化，从而提高了样品的强度[42]。尽管可以在生物炭的孔隙中观察到水化产物的沉积（图11和

结论

本研究通过使用生物炭替代细骨料开发了一种低碳砂浆。系统地确定了生物炭含量、类型和粒径对砂浆的力学强度、干燥收缩行为、水分传输性能和微观结构的影响。可以得出以下结论：

(1)

由于生物炭骨料内部的水化产物沉积及其与基体的紧密界面粘结，较低的生物炭含量（体积替代率低于

CRediT作者贡献声明

陈莎莎：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究。张俊辉：监督，资源，项目管理，资金获取。唐玉香：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。顾帆：数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：52408464, 52025085, 52361165623）、中国博士后科学基金（资助编号：2025T180894, 2025M773268）、CPSF博士后奖学金计划（资助编号：GZB20240636）和湖南省自然科学基金创新研究团队科学基金（资助编号：2024JJ1001）以及湖南省自然科学基金（2026JJ90011）、科学技术的支持