基于生物炭的近零碳轻质同步注浆材料：多尺度机制与生命周期评估

《Developments in the Built Environment》：Near-zero carbon lightweight synchronous grouting materials: Multi-scale mechanisms and life-cycle assessment enabled by biochar

　　

研究人员采用竹（bamboo, BB）、木（wood, WB）和玉米秸秆（corn stalk, CB）生物炭部分替代同步注浆材料中的砂，用于轻质低碳盾构隧道应用。研究人员评估了体积替代率为20%–60%的混合料的新拌性能、力学性能、耐久性、微观结构和生命周期碳排放。增加生物炭含量降低了浆体密度和泌水率，并改善了力学性能，但在高替代率下降低了和易性并增加了后期收缩。微观结构分析表明，内养护、界面改性和孔结构细化对观察到的性能变化有所贡献。在采用的LCA假设下，生物炭替代率≥40%实现了净负碳排放。在相同假设下，BB20在所研究的混合料中提供了最佳综合平衡，保持了200 mm的流动度和28天抗压强度6.34 MPa，同时接近近零碳性能（2.5 kg CO₂-eq/m³）。

同步注浆是盾构隧道施工中填充盾尾空隙和控制地层沉降的关键技术，要求浆体具有足够流动度以确保管片背后密实填充。然而，传统高流动度浆体的单位重量较高，在浆体硬化前会对管片产生显著浮力，尤其在大直径盾构隧道中，浮力可能超过管片自重，导致管片上浮、错台、接缝张开、应力集中甚至螺栓破坏。为此，降低浆体密度成为同步注浆材料设计的重要方向。已有研究采用工业副产物、纳米管、废岩棉等轻质替代材料，但部分材料存在早期强度低、界面结合弱或需额外加工等问题，且加工能耗可能削弱其环境效益。生物炭作为生物质热解产生的富碳多孔材料，具有低密度、多孔结构、碳储存能力，在水泥基材料中可降低密度并影响水化与收缩行为，但以往在结构混凝土中掺量通常低于10 wt%（重量百分比），限制了其降密和固碳潜力。同步注浆材料强度要求较低（3天约0.5 MPa，28天约2 MPa），更注重工作性和体积稳定性，因此为高掺量生物炭提供了应用空间。基于此，研究人员选用竹（BB）、木（WB）和玉米秸秆（CB）三种生物炭，以20%–60%的体积替代率部分取代同步注浆材料中的砂，系统评估其对浆体新拌性能、力学性能、耐久性、微观结构和全生命周期碳排放的影响，并优选综合性能最佳的配合比。

研究人员通过宏观性能测试、微观结构表征和生命周期评价（LCA）得出以下主要结论：生物炭掺入可降低新拌浆体密度（最大降幅16.6%），从而减少理论浮力；合适替代率下可提高抗压强度和水下稳定性，但高替代率会降低流动度并增加后期收缩。微观分析表明，内养护、界面过渡区（ITZ）改性和孔径细化是强度提升的关键机制。在采用的生命周期评价假设下，生物炭替代率≥40%可实现净负碳排放，其中BB20（竹生物炭20%体积替代）综合性能最佳，流动度200 mm，28天抗压强度6.34 MPa，净碳排放仅2.5 kg CO₂-eq/m³，接近近零碳水平。该研究为盾构同步注浆材料的轻量化和低碳化提供了可行路径，并揭示了生物炭类型与掺量对多尺度性能的影响规律。

为开展研究，研究人员制备了1个对照组和12个生物炭改性组共13种浆体，生物炭由慢速热解（500°C、氮气无氧、3小时）制备，原材料包括P·O 42.5普通硅酸盐水泥（九旗建材）、钠基膨润土（河南典凡，蒙脱石含量65%）、I级粉煤灰（石家庄上安电厂）、ISO标准砂和自来水。宏观测试按JGJ/T 70-2009、GB/T 2419-2024、T/CECS 563-2018等标准测定新拌密度、流动度、稠度、凝结时间、泌水率、结石率、抗压强度和水气强度比；自由收缩和毛细吸水按GB/T 23439-2017和GB/T 9966.13-2021测定。微观表征采用SEM-EDS（扫描电镜-能谱）、TGA（热重分析）、XRD（X射线衍射）和MIP（压汞法）分析水化产物、界面特性和孔径分布。LCA依据ISO 14040/14044，功能单位1 m³浆体，系统边界包括原材料获取、浆体制备和运输至现场，以及生物炭碳封存信用。

4.1 新拌工作性和物理性能：通过密度、流动度、稠度、凝结时间、泌水率和结石率测试，发现生物炭掺入使新拌密度降低（最大16.6%），理论浮力从约704.8 kN/m降至647.7 kN/m（降低8.1%）；流动度和稠度随掺量增加而下降；初凝和终凝时间缩短；泌水率降低，3天结石率在较高掺量下升至99%–100%，满足工程要求。

4.2 力学性能和水中稳定性：抗压强度测试表明，3天强度随生物炭含量增加而提高，所有混合料均超过0.5 MPa要求和对照值1.44 MPa；水气强度比也随掺入而增加，其中WB组均值最高。28天强度随替代率呈先增后减趋势，各类型生物炭分别在CB20、BB40、WB50达到峰值，均超过2.5 MPa标准和对照值4.99 MPa。

4.3 微观分析和水化机理：
4.3.1 物相组成和定量水化分析：XRD显示生物炭掺入不改变水化产物种类，仅影响峰值强度；TGA分析表明生物炭降低CH含量并影响碳酸盐相，其中BB40的CH降幅最大，可能与其连通管状孔结构促进碳化有关。
4.3.2 微观结构演变和界面特性：SEM-EDS线扫显示生物炭改性浆体具有更宽的ITZ（CB20为33 μm，BB40为46 μm，WB50为35 μm，对照为16 μm），但Ca/Si摩尔比更低（1.14–1.46 vs. 2.03），表明界面区域C-S-H（水化硅酸钙）相对富集，可能有利于界面结合。
4.3.3 孔径分布和微观结构细化：MIP测试显示CB20总孔隙率最低（29.93%），平均孔径最小（35.96 nm）；BB40和WB50总孔隙率较高（32.13%和35.21%），但大毛细孔（100–1000 nm）体积低于对照，中位孔径从对照的504.22 nm降至97.28–271.49 nm，孔表面分形维数增大，表明孔结构得到细化。

4.4 耐久性评估：
4.4.1 体积稳定性评估：自由收缩测试显示20%替代率可降低早期（3–7天）收缩（约降至对照的0.11倍），但60%替代率下后期（14–28天）收缩增大；28天时BB20收缩约为对照的1.05倍，而CB20和WB20分别为1.71和1.53倍，表明竹生物炭的管状孔结构有利于水分缓慢释放，体积稳定性更优。
4.4.2 抗水渗透性评估：毛细吸水测试显示BB和高掺量WB组具有较低吸水率（最终21.0–26.5 kg/m²），低于对照和CB组（33.0–36.0 kg/m²）。BB的管状孔隙开口被水泥颗粒和水化产物部分堵塞，降低了水的连通路径；WB高掺量下孔隙网络迂曲度增加，限制水分传输。

4.5 生命周期评估和碳足迹：
4.5.1 系统边界和生命周期清单：按“从摇篮到现场”的边界计算1 m³浆体的碳排放，生物炭的碳封存信用根据有机碳含量计算（BB为-2.651 kg CO₂-eq/kg，CB为-2.068，WB为-2.002）。
4.5.2 碳减排潜力和净负排放：计算表明普通硅酸盐水泥是最大正排放源（总正排放约200–250 kg CO₂-eq/m³），生物炭替代率≥40%时净碳排放为负，BB60可达-476.4 kg CO₂-eq/m³。BB20综合工程与环境性能最佳，净碳排放2.5 kg CO₂-eq/m³。
4.5.3 敏感性分析：对BB20进行单因素敏感性分析，生物炭碳稳定性从100%降至80%会使净排放升至48.2 kg CO₂-eq/m³，运输距离增至100 km时升至35.3，电力排放因子在0.20–0.60范围内时净排放介于-3.7至11.2，但均远低于对照的237.6 kg CO₂-eq/m³。

讨论部分总结了生物炭的多尺度作用机制：其多孔结构提供内养护水分，调节局部水化并促进碳化；界面改性表现为更宽但C-S-H富集的ITZ，改善界面粘结；孔径细化表现为大毛细孔减少和凝胶孔增多。不同生物炭因孔隙形态和表面化学差异表现出不同效果，如BB的管状孔利于水分缓释和渗透控制，CB和WB的迂曲孔和亲水性表面则影响早期水化和强度。综合来看，BB20在工程性能和碳减排间取得了最佳平衡，但实际应用中还需针对长距离泵送中的流变行为、地下水压下的渗透性、化学侵蚀、干湿循环和长期体积稳定性进行进一步验证。

研究结论为：本研究通过宏观测试、微观表征和生命周期评估，评价了生物炭作为同步注浆材料中轻质砂替代物的可行性。主要结论如下：（1）生物炭可作为同步注浆中的轻质砂替代物。其掺入使新拌浆体密度降低16.6%，并降低了盾构管片上的理论静水浮力，适当替代率还提高了抗压强度和水下稳定性。对CB20、BB40和WB50的微观表征表明，内养护、界面过渡区改性和孔径细化对观察到的强度提升有所贡献。生物炭的多孔和蓄水特性也影响了尺寸稳定性和毛细水传输。（2）BB20在所研究浆料中表现出最佳综合平衡，因此被选为优选实际配方。该配方保持了200 mm的流动度和6.34 MPa的28天抗压强度，同时显示出良好的尺寸稳定性和相对较低的毛细吸水率。在采用的生命周期评价假设下，其计算净碳排放从237.6降至2.5 kg CO₂-eq/m³，接近近零碳性能。