CN107586081A - 一种生物炭混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的混凝土组成原料质量比为：生物炭：水泥：砂：石料：水＝0.01‑0.50：0.99‑0.50：1.00‑3.16：1.00‑4.36：0.40‑0.60，按照生物炭质量占水泥质量0.01％‑50％水泥的质量。生物炭混凝土具有比普通混凝土更高的韧性和硬度，因为炭元素的不同排列能够增强物质的强度和韧性，因此可以提升普通混凝土的工程性能和施工性能，维持或提升混凝土的经济属性。生物炭混凝土封存碳属于生态封存的一种，与现有的封存技术比，操作简单，成本低，封存时间可达500年以上。

Description

一种生物炭混凝土

技术领域

本发明属于环境生态工程领域，具体涉及一种生物炭混凝土的原料配方、原料性质和制作过程。

背景技术

生物炭是污水厂污泥、城乡垃圾场有机物、工厂有机废弃物、农田秸秆、养殖场有机废弃物、农村粪肥、木材、植物枝叶、林业有机废弃物等有机物在缺氧条件下经过低高温(<700℃)裂解炭化、干馏形成结构稳定、髙度芳香化的富碳物质。生物炭的来源十分广泛，可以源自城市、农村、森林的各种有机物质，这些有机物质主要是废物，对环境质量安全造成极大的危害。例如，污水厂污泥，据中国建设部资料，全国1572座污水处理厂处理污水量1.4亿吨/天，每天产生污泥20万吨,每年达7000多万吨。污水处理厂污泥产生恶臭，占用土地，堆放污泥会导致堆放区周围数倍土地环境严重恶化，已成为城市环境的一大公害。污水处理行业长期以来污泥得不到妥善处理，外运污泥中的有机污染物通过各种途径又回到水环境中，使污水处理事倍功半。把污水处理厂污泥等有机物高温裂解生成生物炭是一种好的处理方式，因为经过这样的转化，解决了有机物发臭、病原菌滋生等危害环境的问题。但是，生物炭产量大，作为肥料施用、工业原料、环保产品市场狭小。需要寻求有机废弃物产出的生物炭的新应用，延伸产业链。

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，它是由胶凝材料，骨料、水等按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。由于城市化、交通基础设施和水利基础设施的建设，混凝土已经是地球上人工建造的最大体量的建筑体。混凝土对社会经济发展具有重要的意义，其社会和经济意义不可替代。然而，生产混凝土需要大量水泥，生产水泥需要释放大量的二氧化碳，导致温室效应加剧。而且由于城市化发展，传统混凝土不断覆盖地表，导致了多种环境问题，如热岛效应、水分渗透性下降、生物生活环境破坏、洪涝灾害频发、水土流失加剧等。随着人民生活水平及社会环保意识的提高，开发绿色环保型混凝土具有重要的环境意义。

目前，由于温室气体的大量排放，全球变暖加剧。需要开发碳封存技术。国内外应对温室效应的碳封存技术除了在农田大量施用生物炭封存碳外，还有地质封存、海洋封存、矿石碳化、工业利用、造林固碳等措施。地质封存利用类似自然界中地质封存天然气等气体的原理对CO₂进行封存，封存潜力大，被普遍认为是未来主流的方式，但此技术工程量比较大，技术要求高，后期维护具有一定风险性。海洋封存是通过海上管道或者轮船输送到封存地，然后经过高压注入到海洋中的一种封存技术，封存量大，但该技术涉及技术经济、环境影响等一系列复杂的问题有待解决，故目前尚处于探索阶段。矿石碳化是利用碳与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐，从而将碳永久性地固化起来，此技术要增加反应速率，非常耗能，因此该技术发展潜力并不乐观。工业利用是以碳作为填料形式生产各种含碳化学物的封存技术，但是其效率不高，而且其封存时间较短。造林固碳封存是环境友好型封存，方便操作，成本低。但是，造林绿化，周期长。生物炭施入农田封存碳，也是环境友好封存，但施用量过大会影响耕作，而且从城市污水处理厂运送生物炭到农村，运费成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对污水处理厂污泥等有机废弃物生产生物炭，在开发应用上深度不足，传统混凝土建筑材料需要进行环境友好改进，以及全球变暖需要开发新的炭封存技术等问题，本发明的目的是提供一种生物炭混凝土，一方面在利用生物炭作为原料生产所述生物炭混凝土过程中能大量消耗污水处理厂污泥等有机废弃物,根本解决污泥问题；另一方面,通过生物炭掺和到混凝土中,截断有机物快速分解形成CO₂进入大气,大量封存碳，同时改善混凝土性能。

本发明的技术方案是：一种生物炭混凝土，所述的生物炭混凝土原料组成的质量比为：生物炭：水泥：砂：石料：水＝0.01-0.50：0.99-0.50：1.00-3.16：1.00-4.36：0.40-0.60。

所述的生物炭混凝土原料组成的质量比为：生物炭：水泥：砂：石料：水＝0.1-0.50：0.70-0.50：2.00-3.16：2.50-4.36：0.50-0.60。

所述的生物炭是污水厂污泥、城乡垃圾场有机物、工厂有机废弃物、农田秸秆、养殖场有机废弃物、农村粪肥、木材、植物枝叶、林业有机废弃物在缺氧条件下经过高温裂解炭化或干馏形成的富含碳的物质，其基本性质如下表1：

所述的水泥的基本性质如下表2：

所述的砂和碎石的性质如下表3：

所述的水为国标GB3838-2002规定的地表水三类水质或好于三类水质标准。

所述的一种生物炭混凝土的制备方法，利用水泥搅拌设备制作混凝土，将生物炭粉、砂、石料、水泥、和水同一时间混合，进行搅拌，其中搅拌时间要比普通混凝土搅拌时间长5％以上，凝固时间相似。

本发明的有益效果：所述生物炭混凝土就是针对社会经济发展中不可替代性和环保生态功能的重大需求的发明。一方面，所述生物炭混凝土可大量掺入有机废弃物干馏生成的生物炭，达到长期封存碳，解决污水处理厂大量污泥无法有效处理的问题，同时通过生物炭替代水泥，使小水泥厂产量减少，结果减少了生产水泥释放出的二氧化碳，这具有很大的生态环保价值。具体地，全国每年产生7000多万吨污泥。这些污泥将发臭，污染环境，而且很快分解释放出CO₂，增加温室气体。通过污泥-生物炭-生物炭混凝土封存碳，全国的污泥可以就近在城市建设中消耗(见表7)，与现有的封存技术比，操作简单。由于混泥土一般风化完全需要500年以上，所以通过生物炭混凝土封存，时间可达500年以上。而且生产1吨生物炭和生产1吨水泥的成本接近，但是生产水泥需要开山炸石，影响环境，而利用污水处理厂污泥等有机物生产生物炭，进一步生产生物炭混凝土则处理了有机废弃物，生态效益非常明显。

另外所述生物炭混凝土就是针对社会经济发展中不可替代性和环保生态功能的重大需求的发明，一方面，所述生物炭混凝土具有比普通混凝土更高的韧性和硬度，因为从结构化学理论可知，炭元素的不同排列能够改变和增强物质的强度和韧性，有如金刚石；生物炭的掺和改变了混泥土的微观结构，标准养护后，在生物炭替代水泥1％-10％范围内，能增强混泥土的强度和韧性，混凝土塌落度略有减小，可以提升普通混凝土工程性能，维持或提升混凝土的经济属性，但不影响施工性能。

此外，所述生物炭混凝土由于炭的掺入，混凝土具有了生命特征，如更多的孔隙性、渗透性，使生物附着能力提升，混凝土具有呼吸；生物炭混凝土热容量增大，对减轻热岛效应具有一定作用；生物炭混凝土热传导速率下降，对于建筑保温隔热具有一定作用。因此，生物炭混凝土具有绿色环保特性。

生物炭混凝土封存碳价值评价：

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。其计算公式如下：

Cs＝α·β·M [I]

M＝0.3×S·γ [2]

式中，Cs:碳封存量，kg；α：水泥重量与混凝土重量的比例系数，即1/9.09；β：满足建筑工程强度要求的生物炭掺和百分数，％；M：全国新增建筑或已有建筑改造所需混凝土重量，kg；0.3：单位建筑面积至少所需混凝土的体积，m³/m²；S：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，ha；纯碳封存量折合成标准森林面积的转换系数，m²/kg。

据统计报道，中国现有建筑面积达5.6×10¹⁰m²，每年新增建筑面积为2×10⁹m²，占世界新增建筑面积的一半以上。所有这些建筑大部分用混泥土建造，95％属高耗能建筑。

有研究表明，每平方米标准森林每天可以封存二氧化碳约1.6kg，折合生物炭封存约0.44kg，一年按365天计算，可以封存160kg左右碳。在建筑工程中，单位建筑面积混凝土的用量平均值为0.3-0.36m³·m^-2。根据上述公式1-3计算，不同强度等级的混凝土在建筑工程中的用量、全国建筑碳封存量、建筑物碳封存折合成标准森林面积见表7。

具体地，生物炭的替代掺量折算成碳封存量后，在符合混凝土强度等级设计要求及满足建筑工程施工条件下，不同强度等级的生物炭混凝土在全国新增的建筑群中和现有高耗能建筑改造中，对碳封存的贡献量不同，折合成标准森林面积也随之不同，结合表4和5：

当生物炭替代掺量≤30％时，混凝土强度≥20.0MPa，满足C20强度等级施工要求，此时碳的封存量在新增建筑中达到7.50×10⁹kg，在现有高耗能建筑改造中达2.03×10¹¹kg，折合成标准森林面积分别为4.69×10⁷m²、1.27×10⁹m²；

当生物炭替代掺量≤25％时，混凝土强度≥25.0MPa，满足C25强度等级施工要求，此时碳的封存量在新增建筑中达到8.53×10⁹kg，在现有高耗能建筑改造中达2.24×10¹¹kg，折合成标准森林面积分别为5.31×107m²、1.40×10⁹m²；

当生物炭替代掺量≤5％时，混凝土强度≥30.0MPa，满足C30强度等级施工要求，此时碳封存量在新增建筑中达到1.70×10⁹kg，在现有高耗能建筑改造中达0.49×10¹¹kg，折合标准森林面积分别为0.62×10⁷m²、0.28×10⁹m²。

国家林业局2014年2月权威发布，我国森林面积为2.08×10¹²m²，推广C20\C25\C30生物炭混凝土后,新增和改造现有建筑折合标准森林总面积约为3.05×10⁹m²，约占我国森林面积的1.5‰。

由此，生物炭混凝土对环境的碳封存贡献是相当可观的，对减少二氧化碳温室气体的排放具有积极作用。

所述生物炭混凝土和普通混凝土碳化不同，生物炭混凝土制作过程是用惰性的生物炭和水泥、砂、石子结合，不发生化学反应。是从物理学上发挥炭的结构特性。而普通混凝土碳化是混凝土和二氧化碳反应，形成碳酸盐，降低混凝土硬度。

具体实施方式

实施例1

所述制作过程严格按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)及《混凝土结构设计规范》设计和制作。制作完成的所述生物炭混凝土标准养护28天后，95％以上达到设计强度，其设计强度f_cu,k＝20.0MPa，配制强度fcu,o＝26.58MPa，设计坍落度为10-20mm，设计砂率为40％，水灰比{即水/(水泥+生物炭粉)}W/B＝0.57(水泥采用贵州省都匀豪龙水泥有限公司生产的P.O42.5级)。具体的施工配合比，按照所述生物炭：水泥：砂：碎石：水＝0.01-0.30：0.99-0.70：3.16：4.36：0.57的比例配制。所述制作过程中，利用水泥搅拌设备制作混凝土，须按照生物炭粉质量替代水泥量的0、1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％比例，和所述要求的砂、石料、水泥、水同一时间充分混合。不得在搅拌之前，为了方便，预先把水泥和生物炭混合，否则生物炭的吸湿性高，会导致水泥和生物炭提前胶结，之后胶结砂和石子的能力下降，影响混凝土的硬度和工作性能。

所述制作过程，首先按照原料性质范围选取优质材料，然后，根据所需养护完成的混凝土体积和所述塌落度计算要制作的混凝土量，再按所述原料配方确定每种原料的数量。

所属原料性质范围根据表1-3确定，所述制作过程中不按材料性质要求选取材料，制作出的生物炭混凝土将达不到要求的硬度和工作性能。

(1)生物炭混凝土强度

混凝土强度的表达是其众多性能中的重要指标。随着强度越大，混凝土支撑力，抗压强度越大。通常，在受力面积一定时，压强与压力成正相关关系。表4和表5给出了不同生物炭替代水泥量获得的生物炭混凝土的强度等级。

表4不同处理条件下的生物炭混凝土压力与强度

*当利用质量更好的水泥和其他材料，生物炭替代水泥量为10％时，强度可以比对照高(此实例仅替代水泥1％时比对照高)。

表5不同处理条件下的生物炭混凝土压力与强度

*当利用质量更好的水泥和其他材料，生物炭替代水泥量为10％时，强度可以比对照高(此实例仅替代水泥1％时比对照高)。

根据表5显示，标准养护28t后，当生物炭替代量为A1，即为1％水平时，所能承受的最大压力和最大压强最大，比不掺和生物炭的混凝土压力和强度大9.77％。根据分析，在本实例中,当掺和5％生物炭时，混凝土的强度和不掺和生物炭的混凝土持平；1％水平掺和与其他水平差异显著，表明A1水平的生物炭替代水泥掺量对混凝土的强度的表达是有显著增强。

(2)生物炭混凝土的塌落度

表6反映的是在设计施工水灰比条件下，不同生物炭替代掺量混凝土的坍落度、吸水时间变化情况及密度变化。从表6表明，随着向混凝土中增加生物炭量，生物炭混凝土坍落度和密度呈降低趋势，而吸水速率逐渐增加。

表6不同生物炭替代掺量混凝土性能

(3)生物炭混凝土处理污水处理厂污泥效益

据中国建设部统计，截止2016年2月底运营污水处理厂的数量已达1572座，总处理污水量近1.4亿吨/天，每天产生的湿污泥量近20万吨,每年达7000多万吨。由污水处理厂的污泥造成的二次污染问题日趋严重，已成为影响城市周围环境的一大公害。污水处理行业长期以来污泥得不到妥善处理，外运污泥中的有机污染物通过各种途径又回到水环境中，使污水处理事倍功半。有效解决污水处理厂污泥是环境工程领域将来要解决的重大问题。

传统的污泥处置方法有很多，如填埋、堆肥、制砖、干化焚烧、发电厂掺烧、水泥窑协同处理、污泥制造成炭等。通过对污泥问题的全面分析，人们会发现并不是污泥本身难处理而是传统的污泥处置技术难实施。由于污泥处理受法规、政策、土地、环境、费用等诸多因素制约和影响，传统的污泥处置技术在实施过程中均遭遇到了瓶颈。具体地，对于填埋，要占用土地，填埋中需要加药，而且有二次吸水泥浆化风险。对于堆肥，污泥中有大量有毒物质，不能用于粮食和蔬菜生产，而且堆肥就近难于找到土地，堆肥过程中影响环境。污泥制砖无法解决无害化问题。干化焚烧则导致大气污染，如二恶英污染。发电厂掺烧，热值低，成本高。水泥窑协同处理，大量污泥在城市，而水泥厂在乡村，面临着高运输成本问题。污泥制生物炭是好的方法，但生物炭的应用市场狭小，效应低。

因此，把污泥制成生物炭应用到巨量的建筑物混凝土中是最好的方法。全国每年污泥产量为7000多万吨，根据表7每年封存碳量进行折算，7000万吨污泥仅仅是每年生物炭混凝土推广应用消耗废弃有机物的1/4。因此，随着我国城市化发展，增加的污泥量都可通过生物炭混凝土的方法来处理，使这些污泥变成生物炭混凝土，变成各种形式的建筑物。具体地，污水处理厂随时排出的污泥，直接生产生物炭，并回收有用气体和生物油(不排放CO₂),杀灭各种病原微生物。生物炭直接运送到附近混凝土加工厂或城市建设工地，生产成生物炭混凝土，改善混凝土性能，并封存碳，运输成本非常低。甚至直接由污水处理厂在污泥堆放场地进行生物炭和预拌混凝土流水线生产，然后运输到建筑工地，实现预拌混凝土厂和污泥堆放场处理污泥分别占用的土地合二为一，节约土地施用量50％。

(4)生物炭碳性混凝土封存碳的价值评价

据统计报道，中国现有建筑面积达5.6×10¹⁰m²，每年新增建筑面积为2×10⁹m²，占世界新增建筑面积的一半以上。所有这些建筑大部分用混泥土建造，95％属高耗能建筑。

有研究表明，每平方米标准森林每天可以封存二氧化碳约1.6kg，折合生物炭封存约0.44kg，一年按365天计算，可以封存160kg左右碳。在建筑工程中，单位建筑面积混凝土的用量平均值为0.3-0.36m³·m^-2。通过折算，不同强度等级的混凝土在建筑工程中的用量、全国建筑推广生物炭混凝土碳封存量、建筑物碳封存折合成标准森林面积见表7。

表7每年生物炭混凝土在新增建筑和现有高耗能建筑改造中全国碳封存量及折合标准森林面积

*混凝土用量是根据不同的强度等级在建筑工程中的比例计算的；表中C20、C25、C30强度等级所对应的折算值是根据实测强度值大于等于设计强度值时，且满足建筑工程施工条件所得到的值

从表7中可以看出，生物炭的替代掺量折算成碳封存量后，在符合混凝土强度等级设计要求及满足建筑工程施工条件下，不同强度等级的生物炭混凝土在全国新增的建筑群中和现有高耗能建筑改造中，对碳封存的贡献量不同，折合成标准森林面积也随之不同，结合表5：

当生物炭替代掺量≤30％时，混凝土强度≥20.0MPa，满足C20强度等级施工要求，此时碳的封存量在新增建筑中达到7.50×10⁹kg，在现有高耗能建筑改造中达2.03×10¹¹kg，折合成标准森林面积分别为4.69×10⁷m²、1.27×10⁹m²；

当生物炭替代掺量≤25％时，混凝土强度≥25.0MPa，满足C25强度等级施工要求，此时碳的封存量在新增建筑中达到8.53×10⁹kg，在现有高耗能建筑改造中达2.24×10¹¹kg，折合成标准森林面积分别为5.31×107m²、1.40×109m²；

当生物炭替代掺量≤5％时，混凝土强度≥30.0MPa，满足C30强度等级施工要求，此时碳封存量在新增建筑中达到1.70×10⁹kg，在现有高耗能建筑改造中达0.49×10¹¹kg，折合标准森林面积分别为0.62×10⁷m²、0.28×10⁹m²。

国家林业局2014年2月权威发布，我国森林面积为2.08×10¹²m²，推广C20\C25\C30生物炭混凝土后,新增合改造建筑折合标准森林总面积约为3.05×10⁹m²，约占我国森林面积的1.5‰。

实施例2

制作过程中，利用水泥搅拌设备制作生物炭混凝土(同实施例1)，同时加入不同色素，制备不同颜色的混凝土。因为生物炭对色素的吸附力更强，比普通混凝土容易上色。因此可以通过生物炭混凝土建设多彩的建筑。

对比实施例1

当拌和生物炭混凝土时，采用材料不符合表2和表3要求，而是使用表8、表9水泥和粗细集料，按照实例1进行C20混凝土制作，其生物炭混泥土硬度则达不到国家标准规定的要求，其结果见表10。表10明显与表4和表5比，差距比较大。

表8：水泥的性质

密度(g·cm-3)	石粉含量(％)	比表面积	初凝时间(min)	终凝时间(min)
					0.98	41	215	-	-

表9：粗细集料的性质

表10不同处理条件下的生物炭混凝土压力与强度

Claims (7)

1.一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的生物炭混凝土原料组成的质量比为：生物炭：水泥：砂：石料：水＝0.01-0.50：0.99-0.50：1.00-3.16：1.00-4.36：0.40-0.60。

2.根据权利要求1所述的一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的生物炭混凝土原料组成的质量比为：生物炭：水泥：砂：石料：水＝0.1-0.50：0.70-0.50：2.00-3.16：2.50-4.36：0.50-0.60。

3.根据权利要求1所述的一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的生物炭是污水厂污泥、城乡垃圾场有机物、工厂有机废弃物、农田秸秆、养殖场有机废弃物、农村粪肥、木材、植物枝叶、林业有机废弃物在缺氧条件下经过高温裂解炭化或干馏形成的富含碳的物质，其基本性质如下表1：

4.根据权利要求1所述的一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的水泥的基本性质如下表2：

5.根据权利要求1所述的一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的砂和碎石的性质如下表3：

6.根据权利要求1所述的一种生物炭混凝土，其特征在于：所述的水为国标GB3838-2002规定的地表水三类水质或好于三类水质标准。

7.如权利要求1-6之一所述的一种生物炭混凝土的制备方法，其特征在于：利用水泥搅拌设备制作混凝土，将生物炭粉、砂、石料、水泥、和水同一时间混合，进行搅拌，其中搅拌时间要比普通混凝土搅拌时间长5％以上，凝固时间相似。