甘蔗渣生物炭增强再生骨料混凝土的耐久性

《Next Materials》：Enhanced durability of recycled aggregate concrete with sugarcane bagasse biochar

　　

可持续发展要求材料回收利用，并强调保护环境的紧迫性。尽管在混凝土开发中回收骨料可确保节约体积密集型骨料，但已发现其会削弱混凝土结构所需的强度和耐久性。研究人员在本文中研究了通过热解从甘蔗渣中合成的纳米-微米尺度生物炭颗粒，以强化影响再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）强度和耐久性能的薄弱环节。合成的生物炭命名为碳质纳米微颗粒（Carbonaceous Nano-Micro Particles，CNMPs），按水泥质量以五种不同掺量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1%）加入。研究人员分析了其对抗冻性（包括表面剥落和内部结构损伤）、抗压强度、孔隙率、酸侵蚀、氯离子迁移和微观结构的影响。CNMPs在每个测试龄期均提高了RAC的强度和耐久性，这归因于孔结构细化、水化增强以及阻裂特性。扫描电子显微照片证实了CNMPs的裂纹分叉和裂纹桥接效应，而氮吸附测试则证明了相关的孔隙细化。CNMPs提高了抗压强度，并显著降低了RAC拌合物在严酷环境下的表面剥落、质量损失和氯离子渗透性。该研究最终揭示了一种源自废弃物的有前景的碳基添加剂，它既能有效提升RAC的性能，又能减轻其负面环境负担。

**研究背景与意义**

混凝土是世界上最广泛使用的建筑材料。随着城市化和基础设施升级，混凝土需求持续增加，导致天然骨料快速消耗。粗骨料约占混凝土体积的60%–70%，建筑业对粗骨料需求巨大。同时，全球每年产生大量建筑拆除废物（CDW），其处理造成环境污染和土地占用。据国际贸易管理局（ITA）报告，巴基斯坦每年产生约4960万吨固体废物，其中约30%来自建筑和拆除；全球CDW年产量预计到2050年达270亿吨（2000年为127亿吨）。因此，将CDW用作再生骨料（RCA）是减少环境破坏、防止资源枯竭的重要途径。然而，再生骨料混凝土（RAC）因旧砂浆与新砂浆之间界面过渡区（ITZ）复杂，其和易性、力学性能和耐久性均劣于天然骨料混凝土（NAC），尤其抗氯离子侵蚀、抗冻融和抗腐蚀能力下降，威胁结构安全。纳米材料被证明可有效改善RAC性能，其中碳基纳米微颗粒（CNMPs）因相容性好、力学性能优异而受关注，但商用碳材料成本高、分散性差且可能有害。因此，利用废弃物制备具有类似功能的生物炭成为可持续解决方案。甘蔗渣是常见农业废弃物，大量露天堆放和焚烧加剧环境负担。本研究首次将甘蔗渣热解制备的CNMPs掺入RAC，系统评估其在严酷冻融环境下的