基于废牧豆树（Prosopis Juliflora）生物炭的资源化利用用于开发生物纤维工程水泥基复合材料

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Valorization of waste Prosopis Juliflora based biochar for the development of bio fiber engineered cementitious composites

　　

近年来，生物炭在建筑行业中作为水泥等胶凝材料的部分替代品越来越受欢迎。然而，将生物炭用于开发高性能水泥复合材料（如工程水泥基复合材料（ECC））的研究仍有限。在本研究中，研究人员利用从牧豆树（Prosopis Juliflora）植物中提取的生物炭替代水泥，并用天然纤维替代合成纤维，开发了一种新型可持续ECC。牧豆树植物的茎经过热解过程并进一步研磨获得细粉状生物炭颗粒，用作水泥的部分替代品。此外，由于ECC中合成纤维的存在导致初始成本高昂，限制了其实际应用。因此，为了在不牺牲力学性能的前提下促进可持续性，研究人员在ECC混合物中添加了亚麻和大麻等天然植物纤维。因此，该项目结合了使用生物炭替代水泥（最高20%）和2%体积分数的天然纤维（亚麻和大麻）替代商业微纤维。总共浇筑了10种混合物，包括0%、5%、10%、15%和20%的生物炭替代率，分别对应两种不同天然纤维（亚麻和大麻）。除了力学表征外，研究人员还进行了详细的微观结构评估，以了解生物炭的作用以及天然纤维在ECC混合物中的粘结情况。从结果可以明显看出，在亚麻ECC混合物中，添加最高20%的生物炭并未显著降低抗压强度（除F_BC-15%外）。含20%生物炭的亚麻ECC混合物的抗压强度为28.7 MPa，这表明由于生物炭和亚麻纤维的使用，界面相互作用和堆积效果更好。这一观察结果可以通过拉伸试验结果得到证实，其中添加20%生物炭使拉伸强度提高了18.24%（f_t = 4.86 MPa）。从生命周期评估（LCA）可以明显看出，与不含生物炭的对照ECC混合物相比，添加生物炭在显著降低碳足迹（最高20%）的同时，成本略有增加。

**论文解读：基于废牧豆树生物炭与天然纤维的可持续工程水泥基复合材料开发**

**研究背景与问题**

当前，全球面临因水泥大量生产导致的严峻环境挑战，水泥生产贡献了全球约8%的人为CO₂排放，预计到2050年这一比例将上升至12%。工程水泥基复合材料（ECC）作为一种高性能水泥基材料，具有高拉伸应变（3%-5%）、微裂纹宽度小于100 μm等优异力学和耐久性能，但实际应用受限，主要由于合成纤维（如聚乙烯醇PVA、聚乙烯PE）成本高昂、碳足迹高以及微纤维生产能耗大。与此同时，生物炭作为一种通过热解生物质获得的碳封存材料，近年来被研究作为水泥的部分替代品，但高剂量（>10%）生物炭在ECC中的应用常导致强度下降。此外，现有研究多聚焦于纯生物炭或单一纤维，缺乏同时使用高剂量生物炭和天然纤维（如亚麻、大麻）开发可持续ECC的系统研究。因此，如何平衡生态效益、成本降低与力学性能，成为ECC可持续发展的关键问题。本研究旨在填补这一知识空白，利用牧豆树（Prosopis Juliflora）废料制备生物炭，结合天然纤维，开发一种新型可持续ECC。

**研究内容与结论**

研究人员从牧豆树植物茎中通过缓慢热解制备生物炭，并研磨成细粉。设计了10种ECC配合比，包括0%-20%生物炭（以5%为增量）替代水泥，并加入2%体积分数的亚麻纤维或大麻纤维替代合成微纤维。通过抗压强度试验、单轴拉伸试验、微观结构分析（扫描电镜SEM）以及基于ISO 14040/14044标准的从摇篮到大门生命周期评估（LCA），系统研究了生物炭和天然纤维对ECC力学性能、微观结构及环境影响的影响。主要结论表明：20%生物炭替代的亚麻ECC混合物抗压强度未出现显著降低（除15%掺量外），20%掺量下抗压强度达28.7 MPa；拉伸强度提升18.24%（4.86 MPa）。微观结构分析证实了致密界面过渡区（ITZ）的形成和良好的纤维-基体粘结。LCA结果显示，与对照ECC相比，生物炭ECC的碳足迹降低高达20%，成本仅略有增加。该研究为开发低成本、低环境影响的可持续ECC提供了新路径，相关论文发表在《Sustainable Chemistry and Pharmacy》。

**关键技术方法**

本研究采用的关键技术方法包括：（1）生物炭制备：通过缓慢热解（500-1000°C）将牧豆树茎转化为碳富集的生物炭颗粒；（2）配合比设计：以水泥、粉煤灰（Class-F，来自当地热电厂）、矿渣微粉（GGBFS）和微硅粉为胶凝材料，分别以0%、5%、10%、15%、20%生物炭替代水泥，并加入2%体积分数的亚麻或大麻纤维；（3）力学测试：按照ASTM标准进行抗压强度和单轴拉伸试验；（4）微观结构分析：采用扫描电镜（SEM）观察界面结构；（5）生命周期评估：采用从摇篮到大门方法，依据ISO 14040/14044框架，评估碳足迹、能耗和成本。

**研究结果**

**抗压强度（Compressive strength）：** 通过抗压强度试验发现，对于亚麻ECC混合物，20%生物炭替代的混合物的抗压强度（28.7 MPa）与对照（无生物炭）相当，仅15%掺量出现下降；而对于大麻ECC混合物，随生物炭掺量增加，抗压强度逐渐降低。这表明亚麻纤维与生物炭协同改善了颗粒堆积和界面相互作用。

**拉伸强度（Tensile strength）：** 通过单轴拉伸试验得出，20%生物炭替代的亚麻ECC混合物拉伸强度比对照提高18.24%（f_t=4.86 MPa），说明生物炭和天然纤维增强了纤维-基体粘结，从而提升了拉伸性能。

**微观结构分析（Microstructural analysis）：** 通过扫描电镜（SEM）观察，致密的界面过渡区（ITZ）得以形成，生物炭颗粒填充了孔隙，天然纤维与基体之间粘结良好，证实了力学性能改善的微观机制。

**生命周期评估（Life cycle assessment of biochar-ECC）：** 通过从摇篮到大门LCA，与不含生物炭的对照ECC相比，含20%生物炭的ECC混合物碳足迹降低约20%，成本增加幅度很小（约1%左右），体现了显著的环境效益和可接受的经济性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，生物炭的火山灰反应性和微填充效应促进了更致密的微观结构，而天然纤维（尤其是亚麻）与生物炭的协同作用弥补了高剂量生物炭可能引起的强度损失。LCA结果证实了生物炭ECC在碳减排方面的潜力，但成本控制仍需优化。研究结论（Summary and conclusions）原文翻译如下：“本研究中，研究人员利用从牧豆树植物中提取的生物炭和天然纤维，开发了一种新型可持续工程水泥基复合材料。该工作提出了在ECC混合物中用高剂量生物炭（最高20%）替代波特兰水泥，并结合2%亚麻和大麻纤维的方案，生物炭替代范围为0%、5%、10%、15%和20%（对应两种纤维）。除力学试验外，还进行了详细的微观结构分析和生命周期评估。从结果可以明显看出，添加最高20%生物炭的亚麻ECC混合物抗压强度未出现显著降低，而拉伸强度提升了18.24%。微观结构分析揭示了生物炭和天然纤维形成的致密界面过渡区（ITZ）和更好的纤维-基体粘结。从LCA分析得出，与对照混合物相比，采用生物炭可使碳足迹降低20%。未来研究方向可包括优化生物炭掺量与纤维类型组合，以及评估其长期耐久性。”