碳封存是减缓全球变暖的关键技术。本研究利用不同质量分数生物炭替代普通水泥,制造生物炭混凝土,用C20强度标号混凝土作对照,比较分析生物炭混凝土基本性能及碳封存效益。当生物炭替代水泥为1%,生物炭混凝土强度超过对照9.77%;当替代水泥为5%,生物炭混凝土强度和对照强度相当;当替代水泥量为6%~30%时,生物炭混凝土强度下降,但仍然大于C20混凝土强度国家标准。生物炭混凝土补加水量、饱和吸水量随生物炭替代量增加而增加,坍落度和密度则下降。生物炭混凝土满足C20、C25和C30混凝土强度要求条件下,在全国新增建筑中推广,每年可封存4.95 × 1010 kg CO2,在现有建筑改造中应用,可封存1.73 × 1012 kg CO2,相当于每年增加1.5‰我国现有森林面积。生物炭混凝土是封存碳的新方法,具有方法简单、成本低、封存时间长,能处理有机固体废弃物的特点。 Carbon sequestration is a key technique mitigating the global warming. We used biochar to replace cement to make the biochar concrete in concrete production, and then compared the performance and carbon sequestration of the biochar concrete with C20 concrete. When 1% of cement was replaced by biochar, the strength of the biochar concrete increased by 9.77% compared with the control; When 5% of cement was replaced by biochar, the strength of the biochar concrete was similar to the control; When 6%~30% of cement was replaced by biochar, the strength of the biochar concrete decreased compared with the control, but the biochar concrete still met the national standards of the C20 concrete for the concrete strength. The addition of water for the production of the biochar concrete and the saturation water contents of the biochar concrete in-creased with increasing amount of biochar in the concrete, but slump constant and the apparent density of the biochar concrete decreased. If the biochar concrete that have met the demand of the strength of the C20, C25 and C30 concrete is applied to all constructing buildings in China, these buildings will be able to sequestrate 4.95 × 1010 kg CO2; If the biochar concrete is applied for im-provement in structures and functions of the existing buildings, these existing buildings will be able to sequestrate 1.73 × 1012 kg CO2. The total sequestration of CO2 by the application of the biochar concrete equals to 1.5‰ of the standard forest area in China. Biochar used to replace cement in concrete production is an innovative method of carbon sequestration. The biochar concrete has the advantages of easy operation, low cost, and long-time sequestration of carbon, and the production of the biochar concrete can consume a great amount of solid wastes.
张兴伟1,黄娴1,王震洪1*,黄彦森2
1贵州大学生命科学学院,贵州 贵阳
2贵州联建土木工程质量监测监控中心有限公司,贵州 贵阳
收稿日期:2017年11月15日;录用日期:2017年11月30日;发布日期:2017年12月8日
碳封存是减缓全球变暖的关键技术。本研究利用不同质量分数生物炭替代普通水泥,制造生物炭混凝土,用C20强度标号混凝土作对照,比较分析生物炭混凝土基本性能及碳封存效益。当生物炭替代水泥为1%,生物炭混凝土强度超过对照9.77%;当替代水泥为5%,生物炭混凝土强度和对照强度相当;当替代水泥量为6%~30%时,生物炭混凝土强度下降,但仍然大于C20混凝土强度国家标准。生物炭混凝土补加水量、饱和吸水量随生物炭替代量增加而增加,坍落度和密度则下降。生物炭混凝土满足C20、C25和C30混凝土强度要求条件下,在全国新增建筑中推广,每年可封存4.95 × 1010 kg CO2,在现有建筑改造中应用,可封存1.73 × 1012 kg CO2,相当于每年增加1.5‰我国现有森林面积。生物炭混凝土是封存碳的新方法,具有方法简单、成本低、封存时间长,能处理有机固体废弃物的特点。
关键词 :碳封存,生物炭,生物炭混凝土,吸水率,碳封存量,标准森林
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生物炭是有机物在嫌气条件下热裂解(<700℃)形成的一类具有稳定结构、髙度芳香化的化合物 [
目前国内外碳封存技术有地质封存、海洋封存、矿石碳化、工业利用、生态封存等 [
基于较小范围内钢材硬度–耐磨性随碳含量增加的理论、碳的同分异构体理论、以及生态系统地球化学循环调控理论 [
试验材料如图1,主要包括生物炭、水泥、粗细集料砂和石子。生物炭选用贵州省平坝县十字乡猫岩机制生物炭厂生产的低温木炭。水泥采用贵州省都匀豪龙水泥有限公司生产的P.O42.5级。粗细集料砂和石子从市场购买。试验材料的基本性质见表1。
参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)及《混凝土结构设计规范》进行生物炭混凝土试块制作 [
根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002) [
图1. 试验材料
生物炭Biochar | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
密度(g/cm3) | pH | MgO(%) | CaO(%) | ZnO(%) | CuO(%) | Al2O3(%) |
1.56 | 7.56 | 1.55 | 10.01 | 0.0063 | 0.0105 | 0.76 |
水泥Cement | ||||||
密度(g/cm3) | 石粉含量(%) | 比表面积 | 初凝时间(min) | 终凝时间(min) | ||
3.101 | 15.6 | 357 | 245 | 316 | ||
粗细集料Coarse and fine aggregates | ||||||
集料 | 表观密度(g/cm3) | 堆积密度(g/cm3) | 细度模数 | 最大粒径(mm) | 级配 | |
砂 | 2.78 | 1.81 | 3.5 | 0 - 4.75 | 良好 | |
碎石 | 2.79 | 1.43 | - | 5 - 20 | 良好 |
表1. 试验材料的基本性质
图2. 主要试验仪器
按照施工配合比,依次对每一个生物炭替代水泥百分比重复称取砂9.74 kg、碎石13.44 kg、水1.71 kg,水泥与生物炭总重量为3.00 kg,放入搅拌机预搅拌1 min,再徐徐加水搅拌,直到水用完,总搅拌时间约5 min。将拌合物装入坍落度桶,用捣棒分层振捣,装实后取出桶,用直角尺测定塌落高度Hi(i = 0, 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30),根据公式(1) [
L = H − H i ( i = 0 , 1 , 5 , 10 , 15 , 20 , 25 , 30 ) (1)
式中:L为塌落度(mm);H为塌落度桶高度(mm);Hi为生物炭替代混凝土塌落后最高点的高度(mm)。
2.3.3. 生物炭混凝土设计塌落度条件下的补加水量测定
根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002) [
2.3.4. 生物炭混凝土表观密度测定
根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002) [
ρ = ( M 2 i − M 1 ) × 1000 V ( i = 0 , 1 , 5 , 10 , 15 , 20 , 25 , 30 ) (2)
式中: ρ 为表观密度(kg/m3); M 2 i 为容量桶和试样总重量(kg); M 1 为容量桶重量(kg);V为容量桶容积(L)。
2.3.5. 生物炭混凝土饱和吸水率测定
用1.3.1中第二组标准养护试块,称量初重量M0i(i = 0, 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30),放入水中浸泡3 h,取出称重并记录,然后再放入水中浸泡3 h,取出称重并记录,直到多次浸泡和称重后重量恒定为止。根据试块浸泡前和浸泡后重量,用公式(3) [
R = ( M 1 i − M 0 i ) × 100 % M 0 i ( i = 0 , 1 , 5 , 10 , 15 , 20 , 25 , 30 ) (3)
式中:R为吸水率;M0i为试块未浸水时的重量(kg);M1i为试块多次浸水后被水饱和的重量(kg)。
2.3.6. 生物炭混凝土碳封存评价
根据《混凝土结构设计规范》,不同强度等级混凝土在建筑工程中的使用量不同。基于全国新增建筑和已有建筑改造数量得出不同强度混凝土用量,按满足混凝土设计强度等级及建筑工程施工条件下普通混凝土被生物炭混凝土替代,换算出二氧化碳封存量;按标准森林封存纯碳量,估算生物炭混凝土碳封存折合成标准森林面积 [
C s = α ⋅ β ⋅ M / 0.273 (4)
M = 0.3 × S ⋅ γ (5)
S s = 1 160 × C s × 0.273 × 0.1 (6)
式中:Cs为二氧化碳封存量(kg);α为水泥重量与混凝土重量的比例系数,即1/9.09;β为满足建筑工程强度要求的生物炭替代水泥的重量百分数(%);M为全国新增建筑或已有建筑改造所需混凝土重量(kg);0.273是纯碳换算成二氧化的比例系数;0.3是单位建筑面积折合成混凝土的最小体积(m3/m2);S为新增建筑面积或已有建筑面积(m2);γ:混凝土容重(kg/m3);Ss:标准森林面积(m2); 1 160 是纯碳封存量折合成标准森林面积的转换系数(m2/kg);0.1为换算系数(图3)。
图3. 试验流程图
混凝土强度是实现混凝土工程性能和施工性能的关键指标。随着强度越大,混凝土支撑力、抗压强度越大 [
结果还表明,生物炭混凝土标准养护28天并饱和吸水后,生物炭混凝土强度变化与标准养护28天后没有吸水的试块强度变化趋势一致。但是,标准养护28天生物炭混凝土强度要比标准养护28天后饱和吸水的生物炭凝土强度要大;相比而言,二者在每一替代量百分比相差2左右。这主要是混凝土吸水后静摩擦力下降的结果。
坍落度是量化混凝土和易性的指标 [
从表3可以看出,生物炭混凝土在设计坍落度和定水灰比条件下,其水补加量与对照相比是不断增加的,从0增加到0.55 kg,其增加的水量占鲜混凝土重量百分比为0%~1.97%。这是由于生物炭替代水泥,在混凝土制造过程中,生物炭高吸水性导致需要增加水量。这一结果表明,生物炭混凝土制造有增大耗水量的趋势,这也验证了坍落度测定中生物炭混凝土有较好的保水性。
生物炭替代百分比(%) | 试块养护28天后强度(MPa) | 试块养护28天饱和吸水后强度(MPa) |
---|---|---|
0 | 33.63 ± 0.15(b)* | 31.53 ± 0.32(b) |
1 | 37.27 ± 0.72(a) | 33.67 ± 0.12(a) |
5 | 32.07 ± 0.15(b) | 31.03 ± 0.32(b) |
10 | 26.73 ± 0.15(cd) | 26.03 ± 0.09(c) |
15 | 27.93 ± 0.18(c) | 26.57 ± 0.30(c) |
20 | 27.13 ± 0.03(cd) | 26.23 ± 0.3(c) |
25 | 25.63 ± 0.80(d) | 22.33 ± 0.12(d) |
30 | 22.20 ± 0.06(e) | 20.43 ± 0.26(e) |
表2. 生物炭混凝土标准养护28天后试块强度及养护28天后饱和吸水试块强度
*数字后边括号内的不同字母表示不同处理间在0.95置信水平上具有显著差。
图4. 生物炭替代水泥百分比与混凝土坍落度关系
生物炭替代水泥重量百分比(%) | 坍落度(mm) | 水补加量(kg) |
---|---|---|
0 | 13.8 ± 1.18 | 0.00 ± 0.00 |
1 | 13.2 ± 1.05 | 0.10 ± 0.01 |
5 | 13.5 ± 0.80 | 0.25 ± 0.01 |
10 | 13.0 ± 0.79 | 0.31 ± 0.02 |
15 | 13.4 ± 0.84 | 0.38 ± 0.02 |
20 | 13.5 ± 1.10 | 0.40 ± 0.03 |
25 | 13.4 ± 1.15 | 0.50 ± 0.06 |
30 | 13.0 ± 0.95 | 0.55 ± 0.05 |
表3. 在设计坍落度与定水灰比条件下生物替代量与补加水量关系
由图5表明,生物炭混凝土随着生物炭替代水泥量的增加,表观密度下降了,其变化范围在0%~30%范围内,从大于2.6 g/m3下降到2.4 g/m3。生物炭替代水泥量与密度的关系可用线性方程 y = − 0.0064 x + 2.62 ( R 2 = 0.95 ) 拟合。生物炭混凝土的这个特性有利于减轻建筑物重量。
由图6表明,随着生物炭替代水泥重量百分比的增大,生物炭混凝土饱和吸水率增加,其增加幅度
图5. 生物炭替代水泥重量百分比与混凝土表观密度的关系
图6. 生物炭替代水泥重量百分比与生物炭混凝土饱和吸水率关系
在0%~30%范围内,从0增大到约2.4%,其关系可用线性方程 y = 0.028 x + 1.41 ( R 2 = 0.96 ) 拟合。吸水率增加主要是生物炭掺入,生物炭多孔和高比表面增加了混凝土吸水。因此,生物炭混凝土对改善混凝土水文过程有一定作用。研究结果还表明,在浸水时间达到12 h后,吸水达到饱和状态。但是,由于吸水量增加,在一定程度上,减小了生物炭混凝土内摩檫力。但是,饱和吸水率增加和内摩檫力下降幅度,并不影响生物炭混凝土工程性能要求。
根据国家统计局资料,中国现有建筑面积5.6 × 1010 m2,每年新增建筑面积2 × 109 m2,占世界新增建筑面积的一半以上。这些建筑建造需要大量混凝土,根据计算,C20,C25和C30混凝土占这些建筑全部标号混凝土用量的55%~60%;C20,C25和C30强度等级混凝土在新增建筑中的用量分别为0.23 × 1012 kg,0.31 × 1012 kg和0.3 × 1012 kg,在现有建筑改造中的用量为6.5 × 1012 kg,8.6 × 1012 kg,8.6 × 1012 kg (表4)。现有建筑改造包括外墙、屋面、围护结构、梁、板、柱的改建,空调、采暖、通风、照明、供配电、热水供应等高能耗系统的节能改造,建筑格局的系统升级等一系列项目。由于现有落后建筑基数巨大,改造需要的混凝土远大于新增建筑。基于上述结果,生物炭混凝土在新增建筑和现有建筑改造中,能够满足C20,C25和C30强度和施工要求,如果在这些建筑中应用生物炭混凝土,折算成CO2封存量或相当于增加标准森林面积进行固碳,其结果见表4。
从表4看出,不同强度等级生物炭混凝土在全国每年新增的建筑中和现有建筑改造中,对碳封存的贡献不同,折合成标准森林面积也随之不同:当生物炭替代水泥重量百分比 ≤ 30%时,混凝土强度 ≥ 20.0 MPa,满足C20强度等级要求,此时CO2的封存量在新增建筑中达到27.47 × 109 kg,在现有建筑改造中达746.15 × 109 kg,折合标准森林面积分别为4.69 × 107 m2,127.31 × 107 m2;当生物炭替代水泥重量百分比 ≤ 25%时,混凝土强度 ≥ 25.0 MPa,满足C25强度等级要求,此时CO2封存量在新增建筑中达到31.25 × 109 kg,在现有建筑改造中达822.05 × 109 kg,折合标准森林面积分别为5.31 × 107 m2、140.26 × 107 m2;当生物炭替代水泥重量百分比 ≤ 5%时,混凝土强度 ≥ 30.0 MPa,满足C30混凝土强度等级要求,此时CO2封存量在新增建筑中达6.23 × 109 kg,在现有建筑改造中达164.40 × 109 kg,折合标准森林面积分别为0.62 × 107 m2、0.28 × 107 m2。
国家林业局2014年2月权威发布,我国森林面积为2.08 × 1012 m2,推广C20、C25、C30生物炭混凝土后,每年新增和改造现有建筑固碳折合标准森林面积为3.06 × 109 m2∙y−1,约占我国森林面积的1.5‰ [
1) 生物炭替代水泥制作生物炭混凝土,在较小范围内,随着替代量增加,混凝土强度增大;替代量为5%时,生物炭混凝土强度和未掺入生物炭的混凝土强度相似;替代量超过5%时,生物炭混凝土强度
强度等级 | 工程用量(%) | 每年混凝土用量(×1012 kg) | 每年CO2封存量(×109 kg) | 相当于标准森林面积(×107 m2) | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
新增建筑 | 现有建筑改建 | 新增建筑 | 现有建筑改建 | 新增建筑 | 现有建筑改建 | ||
C20 | 15%~20% | 0.23 | 6.5 | 27.47 | 746.15 | 4.69 | 127.31 |
C25 | 20% | 0.31 | 8.6 | 31.25 | 822.05 | 5.31 | 140.26 |
C30 | 20% | 0.31 | 8.6 | 6.23 | 164.4 | 0.62 | 28.05 |
Total合计 | 55%~60% | 0.85 | 23.7 | 64.95 | 1732.6 | 10.62 | 295.62 |
表4. 生物炭混凝土在全国新增建筑和现有建筑改造中碳封存量及折合标准森林面积
*混凝土用量是根据不同强度等级在建筑工程中的比例计算。
下降。在满足C20混凝土强度国家标准条件下,生物炭替代水泥量最多为30%。在相同养护条件下,饱和吸水生物炭混凝土强度要比未吸水混凝土强度要低。随着生物炭替代水泥量增加,混凝土补加水量、饱和吸水率增加,而塌落度、密度减小。在较小范围内,生物炭替代水泥具有改善混凝土工程性能和施工性能的特点。生物炭替代水泥在0%~30%范围内,生物炭混凝土能够满足混凝土C20-C30混凝土强度等级要求和建筑工程要求。
2) 生物炭混凝土符合不同强度等级要求及建筑工程施工要求条件下,如果在全国推广应用,每年封存的碳折合标准森林面积,约占我国森林面积的1.5‰,对全国乃至全球的碳封存贡献十分可观,是减少温室气体排放的有效新途径。生物炭生产通过高温裂解、水泥生产通过高温煅烧,二者都要消耗化石燃料,增加相似数量的温室气体排放。但是,生物炭可利用污水处理厂的污泥、垃圾填埋场的垃圾、农村养殖场的废弃物、农田秸秆废弃物等有机物质生产,在有效处理固体废弃物污染的同时,把即将很快分解释放出大量CO2的有机物,通过生物炭的方式长期固定在混凝土中,具有显著的生态效益。
3) 生物炭混凝土的环境生态功能,如与海绵城市建设有关的水分渗透性、热容量、保温防热功能、热岛效应减缓功能、呼吸功能、生物炭混凝土的生物属性等有待进一步的研究。
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