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user: 3. 结果与讨论 3.1. 生物炭混凝土强度 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 [ 7 ] 。表2表明，随着混凝土中生物炭替代水泥的重量百分比增加，生物炭混凝土所能承受的最大压力发生了变化。当生物炭替代量为1%水平时，所能承受的最大压力最大，比不加入生物炭的混凝土对照强度还大，这说明掺入生物炭，提高了混凝土强度。根据分析，当掺入5%生物炭时，混凝土强度和不掺入生物炭的混凝土持平。当掺入量超过5%后，混凝土的强度随着掺入生物炭的增加不断下降。当掺入量为30%时，生物炭混凝土强度接近于C20混凝土强度的最低限值。分析显示，除5%的替代百分比外，其他掺入量与对照差异显著。 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。 3.2. 生物炭混凝土坍落度 坍落度是量化混凝土和易性的指标 [ 6 ] 。从图4表明，随着生物炭掺入量增加，坍落度依次减小，减小的幅度从14 mm到2 mm。通过分析，生物炭替代水泥的重量百分比与坍落度关系可用线性方程 y = − 0.37 x + 13.04 ( R 2 = 0.98 ) 拟合。这一结果表明，随着生物炭掺入量增加，生物炭混凝土流动性下降，混凝土和易性有减小趋势。生物炭混凝土施工过程中，粘聚性和保水性有增加趋势，但能够满足和易性要求。生物炭掺入有增大混凝土粘聚性和保水性的特点，是因为生物炭本身有较强的吸附水能力。 3.3. 生物炭混凝土在设计坍落度条件下的补加水量 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。 Table 2 The strength of the biochar concrete with different biochar substitutions after the 28 days standard curing and the strength of the water-saturated biochar concrete with different biochar substitutions after the 28 days standard curin 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 Table 3 The relationship between the biochar substitutions and the water supplement ratio under the defined slump constants and water cement ratio 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 3.4. 生物炭混凝土表观密度 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/m 3 下降到2.4 g/m 3 。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。 3.5. 生物炭混凝土饱和吸水量 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。 3.6. 生物炭混凝土的固碳效益 根据国家统计局资料，中国现有建筑面积5.6 × 10 10 m 2 ，每年新增建筑面积2 × 10 9 m 2 ，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 × 10 12 kg，0.31 × 10 12 kg和0.3 × 10 12 kg，在现有建筑改造中的用量为6.5 × 10 12 kg，8.6 × 10 12 kg，8.6 × 10 12 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CO 2 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CO 2 的封存量在新增建筑中达到27.47 × 10 9 kg，在现有建筑改造中达746.15 × 10 9 kg，折合标准森林面积分别为4.69 × 10 7 m 2 ，127.31 × 10 7 m 2 ；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CO 2 封存量在新增建筑中达到31.25 × 10 9 kg，在现有建筑改造中达822.05 × 10 9 kg，折合标准森林面积分别为5.31 × 10 7 m 2 、140.26 × 10 7 m 2 ；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CO 2 封存量在新增建筑中达6.23 × 10 9 kg，在现有建筑改造中达164.40 × 10 9 kg，折合标准森林面积分别为0.62 × 10 7 m 2 、0.28 × 10 7 m 2 。 国家林业局2014年2月权威发布，我国森林面积为2.08 × 10 12 m 2 ，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 × 10 9 m 2 ∙y −1 ，约占我国森林面积的1.5‰ [ 21 ] 。综上，生物炭混凝土对碳封存贡献是相当可观的，对减少二氧化碳温室气体排放具有重要意义。