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user: 2. 材料和方法 2.1. 试验材料 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。 2.2. 试验设计 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 [ 17 ] [ 18 ] 。按C20混凝土强度fcu，k = 20.0 MPa设计，配制强度fcu，o = 26.58 MPa，设计坍落度为10 - 20 mm，设计砂率为40%，水灰比{即水/(水泥 + 生物炭粉)}W/C = 0.57；试块标准养护28天后，95%以上达到设计强度 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 。施工配合比为水泥:砂:碎石:水 = 1:3.16:4.36:0.57。以此为基础，试件按照生物炭替代水泥的重量百分比即0、1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%制作试块，每一替代百分比做2组重复，1组用于标准养护28天强度测定，另外1组用于饱和吸水后强度、吸水率测定。在混凝土制作过程中还测定了塌落度、补加水量、表观密度等指标。最后，依据国家统计局数据，对我国新增建筑及现有高耗能建筑改造，假定推广应用满足建筑工程要求的生物炭混凝土，估算碳的封存量，折算成标准森林面积，评价生物炭混凝土的效益。主要试验仪器见图2。 2.3. 试验步骤 2.3.1. 生物炭混凝土强度测定 根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002) [ 19 ] 和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002) [ 20 ] ，按照水泥:砂:碎石:水 = 1:3.16:4.36:0.57，对每一个生物炭替代水泥的重量百分比重复，依次称取砂29.23 kg、碎石40.32 kg、水5.13 kg；水泥和生物炭二者总重量，不管百分比变化，均为9.00 kg。然后放入搅拌机预搅拌1 min，再徐徐加水搅拌，直到水用完，总搅拌时间约5 min。把搅拌充分的拌合物装入内表面已打油的标准试模，用捣棒分两层振捣，每层振捣25次，然后放振实台上振实30 s，抹平静止。装模后第三天脱模，放入标准养护室养护(标准养护室条件：温度20℃ ± 2℃、相对湿度95%以上、并养护28天)。每一生物炭替代百分比制作2组试块，每组3个重复，第一组28天标准养护龄期后，采用万能压力试验机直接测定强度；第2组达到28天标准养护龄期后，浸水饱和，用万能压力试验机测定强度。 图1. 试验材料 Table 1 The basic property of experimental material 生物炭Biochar 密度(g/cm 3 ) pH MgO(%) CaO(%) ZnO(%) CuO(%) Al 2 O 3 (%) 1.56 7.56 1.55 10.01 0.0063 0.0105 0.76 水泥Cement 密度(g/cm 3 ) 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/cm 3 ) 堆积密度(g/cm 3 ) 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 2.3.2. 生物炭混凝土坍落度测定 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H i (i = 0， 1， 5， 10， 15， 20， 25， 30)，根据公式(1) [ 19 ] [ 20 ] 计算： 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)；H i 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) [ 20 ] ，按照施工配合比拌制生物炭混凝土，测定坍落度时，由于生物炭的掺和，理论上，塌落度将减小；试验时，若小于设计坍落度，则加入一定量的水再搅拌，再装桶振捣，测定塌落度，直到与设计坍落度一致，累加每次增加的水量，最后得到设计塌落度条件下的补加水量。 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) [ 20 ] ，称量干净的5L容量筒重量M 1 ，记录并编号，将每一个生物炭替代水泥的重量百分比重复的拌合物装入量筒，振捣装实抹平，称量M 2i (i = 0， 1， 5， 10， 15， 20， 25， 30)，按公式(2) [ 19 ] [ 20 ] 计算表观密度： 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/m 3 )； 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M 0i (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) [ 7 ] 计算吸水率： 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；M 0i 为试块未浸水时的重量(kg)；M 1i 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 [ 19 ] 。其计算公式如下： 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(m 3 /m 2 )；S为新增建筑面积或已有建筑面积(m 2 )；γ：混凝土容重(kg/m 3 )；Ss：标准森林面积(m 2 )； 1 160 是纯碳封存量折合成标准森林面积的转换系数(m 2 /kg)；0.1为换算系数(图3)。 图3. 试验流程图