生物炭功能化碱激发矿渣复合材料：工业与农业固废协同利用下的力学与微观结构调控

《Developments in the Built Environment》：Mechanical and microstructural regulation of biochar-geopolymer composites from industrial slag wastes

为应对传统水泥高碳排放和固废堆积问题，本研究通过碱激发高炉矿渣（GGBFS）和电石渣（CS），并掺入稻壳生物炭（BC）作为功能添加剂，制备了环保型地质聚合物复合材料。研究表明，低掺量生物炭（≤5 wt%）能有效增强早期和最终抗压强度，优化孔隙结构，促进钙铝硅酸盐水化凝胶（C-A-S-H）生成；而高掺量则会破坏基体连续性，增加孔隙率，导致强度下降。该研究为实现工业与农业废弃物的可持续协同利用及开发高性能低碳建筑材料提供了新途径。

　　

在当今全球建筑热潮的推动下，波特兰水泥（OPC）作为最主要的人造建筑材料，其生产过程伴随着巨大的环境代价。据统计，每生产一吨水泥会排放660至820公斤的二氧化碳（CO₂），整个水泥工业贡献了全球约8-9%的人为CO₂排放，使其成为“双碳”战略下的关键减排目标。与此同时，钢铁和化工等行业产生的工业固体废弃物，如粒化高炉矿渣（GGBFS）和电石渣（CS），以及农业废弃物（如稻壳）的处理也带来了严峻的土地占用和环境污染挑战。这些看似棘手的问题，却为开发新型低碳建筑材料——地质聚合物（Geopolymer）——提供了宝贵的原材料来源。地质聚合物是一类由硅铝酸盐网络构成的胶凝材料，其生产过程能耗低，且能大量利用固废，被视为传统水泥的理想替代品。然而，如何进一步提升这类固体废弃物基地质聚合物的力学性能，并平衡其耐久性与环保效益，仍是研究者们面临的关键难题。

一项发表在《Developments in the Built Environment》上的研究，为我们带来了一个创新性的解决方案：将农业废弃物稻壳制成的生物炭（Biochar, BC）作为功能添加剂，引入到由GGBFS和CS组成的碱激发体系中。生物炭是一种在缺氧条件下热解生物质得到的多孔碳材料，不仅能长期封存碳，其独特的微观结构还可能对水泥基材料起到增强作用。但生物炭在富含钙的工业固废地质聚合物体系中的作用机制尚不明确。为此，东北电力大学的研究团队系统探究了不同生物炭掺量对GGBFS-CS基地质聚合物复合材料力学性能和微观结构的调控规律，旨在为工业与农业废弃物的协同高值化利用开辟新路径。

为了系统评估生物炭的调控效应，研究人员采用了多技术联用的表征方法。首先，他们优化了CS与GGBFS的质量比（10:90， 15:85， 20:80）和生物炭的掺量（0， 1， 2， 5， 10， 20， 30 wt%），制备了立方体试件并在标准条件下养护。核心的实验技术包括：1) 抗压强度测试：依据国家标准（GB/T 17671-2021），测试了试件在不同龄期（3， 7， 14， 28天）的力学性能；2) 核磁共振（NMR）孔隙分析：通过测试水分子在孔隙中的横向弛豫时间（T₂），换算得到材料的孔隙分布和总孔隙率，从而量化微观结构特征；3) X射线衍射（XRD）分析：用于识别材料中的结晶物相，如钙铝硅酸盐水化凝胶（C-(A)-S-H）、方解石、白云石等，评估生物炭的加入是否改变了水化产物的种类；4) 扫描电子显微镜（SEM）观察：直观地揭示了不同生物炭掺量下复合材料的微观形貌、水化产物形貌以及生物炭与基体的界面结合情况。这些技术手段相结合，从宏观力学到微观结构，全面解析了生物炭的掺入效应。

研究结果部分揭示了以下几个关键发现：

3.1. 抗压强度发展

研究发现，在所有CS/GGBFS比例中，当比例为15:85时，复合材料表现出最优的综合力学性能。其中，掺加1 wt%生物炭的配方（CS15S85BC1）在28天时达到了最高的抗压强度，为27.3兆帕（MPa），且孔隙率最低，为30.14%。生物炭的掺量呈现出明显的“阈值效应”：低掺量（≤5 wt%）显著提升了材料的早期和最终强度。例如，与未掺生物炭的对照组相比，掺1%生物炭的试样在3天、7天、14天和28天的强度分别提高了22.8%、16%、17.9%和9%。然而，当生物炭掺量超过10 wt%时，抗压强度开始显著下降，掺量达到30 wt%时，28天强度降至17.1 MPa。对强度发展曲线进行对数模型和负指数模型拟合进一步证实，低掺量生物炭能大幅提升初始强度（f_c0），但对长期强度增益系数（m）的影响较小，说明其主要作用是加速早期水化。

3.2. 孔隙率

通过核磁共振分析，研究人员量化了材料的孔隙结构。结果表明，孔隙率与生物炭掺量呈“U”型关系，在掺量为1 wt%时达到最低值（30.14%），而在30 wt%时达到最高值（41.91%）。更重要的是，大孔隙（>1000 nm）和裂纹在总孔隙中占主导地位（>60%），尤其是在高掺量生物炭（30 wt%）试样中，其比例超过了95%。这解释了高掺量下强度急剧下降的原因：过量的生物炭破坏了基体的连续性，引入了无法被水化产物填充的连通大孔和界面缺陷，成为应力集中点。研究还建立了抗压强度（σ）与孔隙率（P）之间的定量关系，符合Balshin模型（σ = σ₀·(1-P)ⁿ），并发现了一个临界孔隙率阈值（约36%），超过此值，抗压强度将无法维持在20 MPa以上。

3.3. 微观结构分析

扫描电镜观察提供了直观的证据。在掺1 wt%生物炭的试样中，可以观察到片层状的生物炭被成功嵌入到毛细孔隙中，其周围包裹着丰富的水化产物，包括钙铝硅酸盐水化凝胶（C-(A)-S-H）、针状的钙矾石（Ettringite）以及离散的方解石晶体，基体致密，缺陷较少。相比之下，掺30 wt%生物炭的试样中则存在大量未被填充的宏观孔隙和微裂缝，水化产物稀疏，基体连续性被严重破坏。这从微观层面印证了力学和孔隙分析的结果。

3.4. 物相组成分析

X射线衍射图谱显示，掺加生物炭并未改变复合材料的主要结晶物相种类，均包括钙铝硅酸盐水化凝胶、方解石和白云石等。然而，在掺1 wt%生物炭的试样中，归属于钙铝硅酸盐水化凝胶的衍射峰（18.06°和34.23°）强度比对照组高出20-25%，表明低掺量生物炭促进了更多水化凝胶的生成。这一发现与力学性能的增强和SEM观察到的致密结构相互印证。

综合以上结果，研究得出了明确的结论。在CS/GGBFS质量比为15:85的体系中，掺加1 wt%的稻壳生物炭可以制备出性能最优的环保地质聚合物，其28天抗压强度达到27.3 MPa，孔隙率仅为30.14%。低掺量生物炭（≤5 wt%）通过其内部养护作用和成核效应，优化了有效水胶比，促进了钙铝硅酸盐水化凝胶、钙矾石和方解石等产物的形成，从而填充孔隙、细化微观结构，起到增强作用。相反，过高的生物炭掺量（≥10 wt%）因其非胶凝性和多孔性，会破坏基体连续性，引入大量缺陷，导致孔隙率升高和强度劣化。强度与孔隙率的关系遵循Balshin模型，确认了孔隙率是控制力学性能的关键因素。

这项研究的重要意义在于，它成功地将工业固体废物（GGBFS和CS）与农业废弃物（稻壳生物炭）协同利用，制备出具有良好力学性能的地质聚合物，为固体废弃物的资源化提供了新的技术思路。生物炭的加入不仅可能改善材料性能，其固有的碳稳定性还为材料赋予了碳封存的潜力，进一步放大了该技术在减少碳排放方面的环境效益。研究成果验证了通过微观结构调控来实现废弃物基建筑材料高性能化的可行性，为开发符合“双碳”战略目标的绿色建筑材料提供了重要的理论和实验依据。