本文是一篇土木工程论文，本研究提出了一种跨领域资源化利用生物质固废的方法，即采用山核桃蒲壳生物炭、毛竹生物炭部分或完全替代砂作为细骨料，研发轻质、绿色且具备保温调湿性能的砂浆材料，广泛应用能够有效降低建筑能耗，助力双碳目标实现。
第1章绪论
1.1研究背景与意义
温室效应是人类面临的全球性问题。各国温室气体尤其是CO2的排放导致全球气候变化，严重威胁生态系统的稳定。随着温室效应对人类社会构成重大威胁，越来越多的国家将“碳中和”上升为国家战略。全球目前已有130多个国家和地区宣布了“零碳”或碳中和的气候目标[1]。其中，有30多个国家通过立法、政策宣示或领导人承诺等方式确定了碳中和目标[2]。
在全球应对气候变化的态势下，中国作为大国也积极承担相应责任。1992年，我国签署《联合国气候变化框架公约》，同年全国人大批准该公约；1998年，我国签署了《京都议定书》，并于2002年核准了该议定书；2016年，我国签署《巴黎协定》，并于同年批准该项协定；2020年9月，习近平总书记在联合国大会一般性辩论中郑重宣示：“中国将加强国家自主贡献，采取更有力的政策与措施，争取在2030年前使CO2排放达到峰值，并全力以赴，争取在2060年前实现碳中和”[3-5]。作为全球最大的发展中国家和最大的煤炭消费国，这一承诺展示了负责任大国的担当精神，为全球能源与气候治理合作注入了强劲动力，为世界创造了巨大的绿色低碳发展机遇，是实现人类命运共同体的务实举措。
根据世界资源研究所发布的报告[6]，截至2020年，全球已经有50多个国家实现碳达峰，约占到全球碳排放总量的40%。如德国在1990年、英国在1991年、法国在1991年、意大利、美国、加拿大在2007年、日本在2013年都已经实现了碳达峰。其中绝大多数为发达经济体，且欧洲国家占据主导地位，几乎包含了全部欧盟成员国。而从世界主要国家和地区提出的碳中和目标年份来看，大部分将实现碳中和的时间定在2050年。从实现碳达峰到碳中和，欧洲国家，如德国、法国、英国，计划在大约60年内实现碳中和，而美国、日本等国则制定了约40年的计划。相比之下，我国的碳达峰到碳中和的时间跨度仅约30年。值得注意的是，我国的能源消耗面临严峻的挑战，包括总量庞大、高度依赖化石能源、对外依存度较高、总能源消费呈现快速增长趋势，而能源效率整体较低[7]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1生物炭理化特性研究
生物炭是一种高温裂解生物质产生的碳质固体，通过无氧或限氧环境处理而成，与其他焚烧技术相比，其生产过程向大气排放的CO2较少。生物炭具有多种芳香环结构，表现出高度的理化性质和热稳定性[23]。热解温度范围、压力、升温速率和停留时间等生产条件以及生物质原料种类都会影响热解产物的产率和生物炭的理化特性[24]。
1.2.1.1物理性质
生物炭的物理性质关键参数包括孔隙结构、比表面积和颗粒大小[25]。在生物炭的制备过程中，热解的主要目标是去除挥发性有机物，而生物质原料的基本孔隙和结构特征会对热解后生物炭孔隙形貌产生影响[26]。比表面积是指单位质量的生物炭所具有的总表面积，其大小对多孔物质的吸水性能、理化性质以及化学稳定性等具有显著影响[27]。生物炭的孔径分布[28]通常可以划分为三个尺度类别：小孔（直径<2nm）、中孔（2纳米<直径<50nm）、大孔（直径>50nm）。其中，植物质生物炭孔隙结构中的大孔主要源自于植物原料本身的孔隙构造，而热解过程中的碳骨架破坏、收缩以及有机物的挥发则是小孔形成的主要原因。生物炭比表面积的主要影响因素之一是微小孔隙的含量。Mao等[29]选取了6种植物原料（松针、松木、秸秆、米糠、木屑、橙皮）和3种动物粪便（禽类粪便、猪粪、牛粪）作为原料，分别在250、500和700℃下热解6h制成27种生物炭，并采用气体吸附法测定生物炭的孔隙分布和比表面积等参数。研究表明，生物炭的比表面积和孔体积主要受热解温度影响，随着热解温度上升，相同原料的生物炭比表面积以及中孔和微孔的体积随之变大。朱秀红等[30]以泡桐的3种部位为原料，在300、500、700℃三种热解温度下热解2h制备生物炭，并通过热重和比表面积以及孔径分析来研究泡桐生物炭的热解过程和孔隙结构特征。
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第2章原材料及试验方法
2.2原材料
本文浇筑砂浆采用的原材料主要有：
（1）水泥：杭州临安南方水泥有限公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；（2）砂：采用颗粒级配良好的II区机制砂，细度模数2.65，堆积密度1453kg/m3；（3）拌和用水：实验室普通自来水；（4）减水剂：上海臣启化工科技有限公司生产的聚羧酸减水剂，白色粉末，减水率≥25%；（5）嘉兴桐奥环保科技有限责任公司生产的山核桃蒲壳生物炭、毛竹生物炭，堆积密度分别为588kg/m3、291kg/m3。
2.2.1生物炭制备
首先采集山核桃蒲壳、毛竹废料并清洗。将清洗后的山核桃蒲壳、毛竹废料进行破碎处理并在烘干箱中烘干。随后分别将干燥的两种原料放置于管式炉中以15℃/min的升温速率升温至500℃进行低温限氧热解处理至其完全碳化，热解过程为2h。最后，将制备好的生物炭(见图2-1、2-2)自然冷却至室温并做好标记装入自封袋中。山核桃蒲壳生物炭记为WB，毛竹生物炭记为BB。
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2.3试件制备
2.3.1配合比
生物炭丰富的孔隙结构使其具有较强的吸水性，拌和时极易从水泥浆中吸收拌和水从而影响有效水胶比，因此需要考虑附加用水[67-68]。依据JGJ 51-2002《轻骨料混凝土技术规程》，附加用水的掺入方式有两种：一种是预湿骨料，使其处于饱和面干状态时进行拌和；另一种是测定骨料1h吸水率，并在拌和水量中附加此部分水量。考虑到生物炭1h吸水率与饱和面干状态时吸水率相差较大，防止生物炭在养护过程中吸收水泥浆中的水分，本文参照第一种方法先对细骨料进行预湿处理，各组试件的配合比设计如表2-6、2-7所示。
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第3章 生物炭砂浆流动性和力学性能研究 ........................ 24
3.1 引言 .......................................... 24
3.2 生物炭对砂浆流动性的影响 .............................. 24
3.3 生物炭砂浆孔隙结构分析 ............................ 25
第4章 生物炭砂浆保温调湿性能研究 ............................ 38
4.1 引言 ......................................... 38
4.2 生物炭对砂浆保温性能的影响 .................... 38
4.3 生物炭对砂浆调湿性能的影响 ....................... 39
第5章 总结与展望 .................................... 50
5.1 主要结论 ..................................... 50
5.2 创新分析 ................................................ 51
5.3 展望 ...................................... 51
第4章生物炭砂浆保温调湿性能研究
4.2生物炭对砂浆保温性能的影响
两种生物炭砂浆导热系数试验结果详见图4-1。随着生物炭替代率的逐级增加，两种生物炭砂浆试件导热系数均逐级降低。当生物炭100%替代砂时，WB组、BB组砂浆试件的导热系数达到最小值，分别为0.36、0.31W·(m·k)-1，相较于对照组的1.38W·(m·k)-1分别降低了73.9%、77.5%。而当生物炭替代率相同时，WB组砂浆试件导热系数均大于BB组砂浆试件。
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第5章总结与展望
5.1主要结论
本文对生物炭砂浆的基本力学性能和保温调湿性能进行研究，得到如下结论：
（1）山核桃蒲壳生物炭、毛竹生物炭的级配曲线、细度模数与机制砂基本趋于一致，且混合后的细骨料级配和颗粒粗细与机制砂接近。因此从级配和颗粒粗细角度上考量，这两种生物炭均能较好地替代机制砂。生物炭中鲜有可激发二次水化的活性成分，化学性质稳定，因此本文暂不考虑其参与水化的可能性，只将其作为部分或全部替代砂的细骨料掺入水泥砂浆拌合物中使用。
（2）SEM和MIP结果显示，两种生物炭颗粒孔隙结构均较为丰富，孔径尺寸大多介于5~30μm范围，可较好地发挥吸水和保水性能。毛竹生物炭的孔隙率为76.7%、比表面积为75.1m2/g，而山核桃蒲壳生物炭的孔隙率、比表面积分别为63.5%、13.5m2/g。在孔径分布情况上，毛竹、山核桃蒲壳生物炭的中孔体积占比分别为21.3%、7.7%，最可几孔径分别为63nm、676nm，进一步说明了毛竹生物炭孔隙丰富且结构更加致密。
（3）两种生物炭砂浆流动度均随着生物炭替代率的增大而逐渐减小，当两种生物炭完全替代砂时生物炭砂浆流动度达到最小值，WB100、BB100流动度较对照组分别下降了4.9%、6.0%，此时两种生物炭砂浆仍具有良好的粘聚性和保水性，因此可认为对生物炭采取预饱水处理后替代砂，能有效减小对水泥砂浆流动度的影响。
（4）采用生物炭替代砂提高水泥砂浆强度存在最优掺量。两种生物炭以体积分数的10%替代砂时，砂浆试件的抗折强度和抗压强度均高于对照组试件。但随着生物炭替代率继续增加，两种生物炭砂浆试件的强度均逐级减小，且均低于对照组试件。过量的生物炭会引发稀释效应并且在水泥砂浆中引入更多初始孔隙，导致砂浆试件宏观力学性能降低。不同种类的生物炭因理化性质差异使生物炭砂浆的力学性能有不同表现。
参考文献（略）