稻秆生物炭强化再生混凝土碳封存性能研究：热解温度与碳化压力的协同调控机制

《Case Studies in Construction Materials》：Rice straw biochar–enhanced carbonation sequestration in recycled concrete: Influence of pyrolysis temperature and carbonation pressure

本研究针对建筑行业碳减排与农业废弃物资源化需求，通过系统探究不同热解温度（400–700?°C）稻秆生物炭（WRSB）的理化特性及其在再生混凝土（RC）碳化养护中的增强效应，发现500?°C制备的WRSB具有最大比表面积（265.514?m2/g）和孔容积（0.262?cm3/g），在0.35?MPa碳化压力下使混凝土CO2吸收量达22.41?g/kg，抗压强度提升至37.49?MPa，为低碳建筑材料开发提供了新策略。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，建筑业作为碳排放大户，其碳排放占比高达38%。中国提出的“3060双碳目标”对建材行业绿色转型提出迫切需求。再生混凝土（Recycled Concrete, RC）虽能消纳建筑垃圾，但其存在孔隙率高、界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）结构疏松、力学性能差等问题，制约了广泛应用。与此同时，农作物秸秆等生物质废弃物的处理亦面临环境压力。如何将两类废弃物协同资源化，并提升材料碳封存能力，成为当前研究热点。

在此背景下，发表于《Case Studies in Construction Materials》的研究论文《Rice straw biochar–enhanced carbonation sequestration in recycled concrete: Influence of pyrolysis temperature and carbonation pressure》由成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的Ying Xuejin、Zhao Jianjun等团队开展，系统探索了稻秆生物炭（WRSB）热解温度与碳化压力对再生混凝土碳封存性能与力学强度的调控机制。

研究通过比表面积与孔隙结构分析（BET法）、力学性能测试、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等微观表征手段，明确了WRSB的最佳热解条件与碳化参数。结果表明，500?°C热解的WRSB具有最优的孔隙结构（比表面积265.514?m2/g，孔容0.262?cm3/g），其丰富的微孔为CO₂吸附提供了大量位点。在0.35?MPa碳化压力下，WRSB-RC的CO₂吸收量达22.41?g/kg，28天抗压强度为37.49?MPa，显著优于其他条件组。值得注意的是，700?°C制备的WRSB虽孔结构退化，但在高压碳化下仍能通过石墨化增强基体密实度，表明其适用于特定压力场景。

微观分析进一步揭示，WRSB的加入不仅通过吸附CO₂加速碳化反应生成CaCO₃（碳酸钙），填充ITZ裂缝，还因其亲水性与孔隙结构发挥内养护作用，促进水泥二次水化。XRD图谱显示碳化后CH（氢氧化钙）衍射峰减弱，CaCO₃峰增强，证实碳化反应充分进行。SEM图像中，碳化试样的ITZ结构致密，C-S-H（水化硅酸钙）凝胶以CaCO₃为成核位点生长，显著提升界面粘结强度。

本研究创新性地将农业废弃物转化为高附加值生物炭，并与建筑垃圾再生骨料协同用于混凝土碳化养护，构建了“废弃物—功能材料—碳封存”一体化技术路径。该策略不仅提升了RC的力学性能与耐久性，每立方米混凝土还可封存约51.5?kg CO₂，为建筑业碳减排提供了实测数据支撑。未来研究需进一步阐明生物炭-水泥界面反应机理，并推动该技术从实验室优化走向工程标准化应用。