CN115772007A

CN115772007A - 一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料及其制备方法

Info

Publication number: CN115772007A
Application number: CN202310006947.2A
Authority: CN
Inventors: 曾超华; 瞿福林; 张钰莹; 张俊逸; 陈良
Original assignee: Biocarbon Building Materials Co ltd
Current assignee: Biocarbon Building Materials Co ltd
Priority date: 2023-01-04
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2043-01-04
Also published as: CN115772007B

Abstract

本发明一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料及其制备方法。本发明针对传统方式生产的轻质骨料在替代UHPC中的石英砂中存在缺陷，传统的轻质骨料的强度普遍偏低，传统的轻质骨料的掺入会粗化UHPC的孔结构，导致浆体和骨料的界面过渡区宽度增大，进而劣化UHPC的抗氯离子渗透性能，以及全球变暖需要开发新的碳封存技术等问题。本发明人造轻骨料是Mg‑Al双层氢氧化物（LDH）改性生物炭，高炉矿渣粉，镁质水泥，纳米氧化铝，分散剂，激发剂，外加剂，粘合剂制成。本发明利用Mg‑Al双层氢氧化物（LDH）对木质生物炭进行改性，确保其对氯离子具有极高的固化作用，作为轻骨料用在UHPC中使用，不但能降低UHPC结构的自重，还能有效提高其抗氯离子渗透性能。

Description

一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料及其制备方法。

背景技术

我国东部沿海和西部盐碱地区的混凝土结构通常耐久性差、服役寿命短，主要原因是这些地区存在大量有害离子，如Cl^－是导致混凝土钢筋锈蚀的主要因素，大幅度缩短了混凝土的使用寿命。尽管超高性能混凝土（UHPC）具有超高的力学强度以及优异的耐久性能，可有效抵制环境有害离子的侵蚀，在桥梁、公路、国防等工程领域应用前景广阔，但是由于UHPC存在高密度高自重大等问题，导致其应用受到了一定程度的限制。虽然，利用低密度的轻质骨料来代替UHPC中所用传统的石英砂，能降低混凝土结构的自重，有效的解决大自重带来的结构稳定性问题，然而在其实际应用中依然存在一些难题亟待解决。

直接利用传统的轻质骨料替代UHPC中相同级配的石英砂，轻质骨料的掺入会一定程度裂化UHPC的内部结构。一方面，轻质骨料的掺入，UHPC孔结构会被粗化，产生更多的使得孔隙率增大，为水分和氯离子的传输提供了有利通道，从而UHPC抗氯离子渗透性能劣化，增大了混凝土钢筋锈蚀的可能性。另一方面，传统的轻质骨料的强度比石英砂的强度低很多，这会使得UHPC的强度降低，影响混凝土结构的安全性，另外，轻质骨料的掺入，也会导致浆体和骨料的界面过渡区宽度增大，进一步导致强度降低，甚至导致混凝土结构开裂，从而加剧UHPC抗氯离子渗透性能劣化。这些问题会限制采用传统轻骨料制作的UHPC在实际工程中应用和推广。

同时为了符合现代建筑材料的低碳环保绿色可持续发展的建设方针，以及针对现有技术存在的问题和研究领域的局限性，亟须开发一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料，以满足建设发展的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统方式生产的轻质骨料在替代UHPC中的石英砂中存在缺陷，传统的轻质骨料的强度普遍偏低，传统的轻质骨料的掺入会粗化UHPC的孔结构，导致浆体和骨料的界面过渡区宽度增大，进而劣化UHPC的抗氯离子渗透性能，以及全球变暖需要开发新的碳封存技术等问题，利用废弃生物质来提升轻质骨料的性能，来提供一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料及其制备方法，其具有高氯离子固化率、低密度、高强度以及能够截断有机物快速分解形成CO₂进入大气和大量封存碳等特点，可以显著提高轻质人造骨料及其相关制品的长期性能，确保混凝土结构的安全和稳定性。

为实现上述目的，采用具体技术方案如下：一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料的制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一：改性处理：分别选取粒径为0.15～1.0mm 粗生物炭颗粒和<0.15mm细生物炭颗粒，再按下述步骤分别进行改性：

按照固液比为1：10的质量比掺入改性溶液，然后持续震荡至少24h，确保生物炭颗粒得到充分浸泡，再将浸泡后生物炭颗粒用水清洗2～3遍后，再在80 ℃下干燥2～3天，完成生物炭改性；

步骤二、轻质骨料的一次造粒成球：按重量份数计，称取改性的粗生物炭颗粒5份～15 份，高炉矿渣粉35份～55份，10份~35份镁质水泥，激发剂 2份～7份，外加剂 0.3份～0.8 份和粘合剂 1份～4份后混匀，倒入成球机中进行造粒，按照同一份数计加入20份～35份水溶液，并在其加入纳米氧化铝2份～5份和分散剂0.2份～1.0份，进行超声分散10～20分钟，然后自动成型，并在85±5%的相对湿度及23±2℃的自然条件养护3天～7天，得到一次裹浆的生物炭基人造轻骨料；

步骤三、轻质骨料的二次裹浆：按重量份数计，称取高炉矿渣粉15份～25份，5份~20份镁质水泥，激发剂 1份～3份，外加剂 0.1份～0.5份，粘合剂 0.5份～2份进行配料和混合，并按照同一份数计加入10份～15份水溶液，并在其加入纳米氧化铝1份～3份，改性的细生物炭颗粒2份～8 份和分散剂0.1份～0.5份，进行超声分散20～30分钟，然后将所得的浆体与一次裹浆的生物炭基人造轻骨料的按照比1:5的质量比再次裹浆，自动成型，最后将得到的改性生物炭基人造轻骨料在85±5%的相对湿度及23±2^oC的自然条件养护10～15天，然后筛分出粒径在2.36～0.15mm的颗粒，即得到高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料；

其中，步骤一中改性溶液是将乙二胺四乙酸二钠镁盐(EDTA)、三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐（NPAL）加入水中，混匀，再用1mol /L氢氧化钠溶液将含有的pH值调节至约10，即制得了改性溶液，改性溶液中乙二胺四乙酸二钠镁盐(EDTA)的浓度为0.03mol/L，三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐的浓度为0.01 mol/L，步骤一和二所用的分散剂，激发剂，外加剂，粘合剂均相同。

进一步地限定，粗生物炭颗粒和细生物炭颗粒是通过下述步骤制备的：将废弃生物质在60℃～80℃条件下烘干，然后在500℃～800℃无氧环境下热解3～5小时，自然冷却之后，用破碎机粉碎后过筛，得到粒径为0.15mm～1.0mm 粗生物炭或者粒径<0.15mm的细生物炭；其中，所述废弃生物质为芦苇叶、木屑、麻秆、桔梗、枯树枝中的一种或其中几种的任意比组合。

进一步地限定，所述的高炉矿渣粉的比表面积>450 m²/kg及碱性系也在数在2.4以上；其主要的氧化物组成为48% CaO、35% SiO₂、20% Al₂O₃和12% MgO。

进一步地限定，所述的镁质水泥的比表面积>350m²/kg；其主要的氧化物组成为90.5% MgO, 5.80% SiO₂, 和2.20% CaO。

进一步地限定，所述的纳米氧化铝的火山灰活性指数≥105%，氧化铝含量≥99%，密度为3.6 g/cm³及比表面积>230m²/g。

进一步地限定，所述分散剂为聚羧酸、HSB脂肪族减水剂中的一种或者其中两种的任意比组合。

进一步地限定，所述激发剂为硅酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或者其中两种的任意比组合。

进一步地限定，所述的外加剂为铝粉、滑石粉、石膏中的一种或其中多种的任意比组合。

进一步地限定，所述的粘合剂为硅酮、醋酸乙烯酯（VAM）乳液型、聚氨酯中的一种或两种的任意比组合。

上述任意一项所述的方法制备的高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

本发明利用工业废弃物及废弃生物质生产的人造轻骨料是社会经济可持续发展和实现碳中和发展过程中的重大发明。利用高炉矿渣和生物炭制作人造轻骨料，解决了大量废弃物无法有效处理的问题，促进了碳的长期封存，同时，通过作为轻骨料，可以替代传统骨料，如河砂、卵石等在混凝土中的应用，结果减少对河砂等的开采和使用，这具有很大的环保意义。

本发明利用EDTA和NPAL溶液制作Mg-Al双层氢氧化物（LDH）对生物炭进行改性，确保其对氯离子具有极高的固化作用，作为轻骨料用在UHPC中使用，不但能降低UHPC结构的自重，还能有效提高其抗氯离子渗透性能。废弃生物质在高温下热解下会形成的生物炭具有较大的比表面积，同时其表面具有较多数量的活性官能团，为Mg-Al LDHs的吸附提供有效附着点，并且能保证Mg-Al LDHs能与生物炭有效的结合。

本发明利用不同粒径的改性生物炭进行制作骨料，除了能有效利用生物炭的的密度低、表面空隙多等特点，还可以利用不同粒级的改性生物炭，对轻质骨料的孔隙进行优化。一方面，利用粗的改性生物炭进行一次造粒成球，由于较大的比表面积，能为胶凝材料提供很大的附着点，能有效的对粗的改性生物炭进行包裹，确保了生物炭与胶凝材料的胶结性能。另一方面，利用细的生物炭与胶凝材料混合成浆，对生物炭基人造轻骨料进行二次裹浆，能有效改善生物炭基人造轻骨料的有害孔的出现，降低UHPC浆体和改性生物炭基人造轻骨料的界面过渡区宽度，优化微观结构，进而确保UHPC结构的强度。

本发明利用了高炉矿渣，镁质水泥及纳米氧化铝做为胶结材料，除了通过一次造粒和二次裹浆，有效确保生物炭基人造骨料具备较高的强度之外，还由于高炉矿渣的Al和Mg氧化物的含量较高，在碱性激发剂的活化反应下会有Mg-Al LDHs在其胶结材料中，能进一步提高氯离子的吸附，提供‘双重’保障。另外，利用纳米氧化铝优化镁质水泥的胶结性能，促使形成更多的Mg-Al LDHs，进一步提高氯离子的吸附和固化，提供‘三重’保障。采用本发明的的生物炭基人造轻骨料在UHPC中的使用，相较于传统的轻质骨料，最为有效的提高了其结构的抗氯离子渗透性能。

本发明的高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料，该轻质骨料的养护过程不需要焙烧，能耗和生产成本低，生产周期短，整个生产过程中不会产生三废，这降低了对环境破坏的影响，同时制备的免烧轻质人造骨料，具有较高的强度，不但能满足轻集料的相关标准要求，可以广泛应用于混凝土结构有降低自重，也对实现产品绿色化及经济和社会带来良好的效益。

具体实施方式

为了是本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式，对本发明进行详细描述。

下述实施例使用的高炉矿渣粉的比表面积>450 m²/kg及碱性系也在数在2.4以上；其主要的氧化物组成为48% CaO、35% SiO₂、20% Al₂O₃和12% MgO。

使用的镁质水泥的比表面积>350m²/kg；其主要的氧化物组成为90.5% MgO,5.80% SiO₂, 和2.20% CaO。

使用的纳米氧化铝的火山灰活性指数≥105%，氧化铝含量≥99%，密度为3.6 g/cm³及比表面积>230m²/g。

使用对改性溶液是将乙二胺四乙酸二钠镁盐(EDTA)、三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐（NPAL）加入水中，混匀，再用1mol /L氢氧化钠溶液将含有的pH值调节至约10，即制得了改性溶液，改性溶液中乙二胺四乙酸二钠镁盐(EDTA)的浓度为0.03mol/L，三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐的浓度为0.01 mol/L。

实施例1:

本实施例提供了一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料，本实施例废弃生物质为质量比为1：3木屑和枯树枝的混合物，分散剂为聚羧酸减水剂，激发剂为质量比为2：1硅酸钠和氢氧化钠的混合物，外加剂为质量比为1：2铝粉和石膏的混合物，粘合剂为质量比为1：1硅酮和聚氨酯的混合物，具体包括步骤S1～步骤S5，具体的步骤说明如下：

S1：废弃生物质初料的制备：将废弃生物质在80℃条件下烘干，然后在700℃无氧环境下热解4小时，得到条状或片状生物炭。自然冷却之后，用破碎机粉碎后过筛，得到粒径为0.15mm～1.0mm 粗生物炭或者粒径<0.15mm的细生物炭。

S2：对粗生物炭或细生物炭按下述步骤分别进行改性：将粗生物炭（或细生物炭）颗粒置于容器中，按照固液比为1：10的质量比掺入改性溶液，并持续震荡容器24h，确保生物炭颗粒得到充分浸泡，然后浸泡后生物炭颗粒用水清洗3遍，然后在 80℃ 的烘箱中干燥3天，得到不同粒径的改性生物炭。

S3：轻质骨料的一次造粒成球：按照以下重量份数计，称取粗改性生物炭10份，高炉矿渣粉40份，镁质水泥25份，激发剂5份，外加剂 0.5 份，和粘合剂 2份进行配料和混合，并将混匀后的混合物料倒入成球机中进行造粒，按照同一份数计加入25份水溶液，并在其加入纳米氧化4份和分散剂0.6份，进行超声分散15分钟，然后自动成行，养护5天后得到一次裹浆的生物炭基人造骨料。

S4：轻质骨料的二次裹浆：按照以下重量份数计，称取高炉矿渣粉20份，10份镁质水泥，激发剂 2份，外加剂 0.2份，粘合剂 0.8份进行配料和混合，并按照同一份数计加入10份水溶液，并在其加入纳米氧化铝2份，细改性生物炭5份和分散剂0.2份，进行超声分散20分钟，然后将所得的浆体与一次裹浆的生物炭基人造轻骨料的按照比1:5的质量比再次裹浆，自动成型，养护15天后并筛分得到二次裹浆的改性生物炭基人造骨料。

S5：性能测试：对改性生物炭基人造骨料的表观密度，松散堆积密度，紧密堆积密度，空隙率，吸水率，筒压强度及氯离子固化率进行了测试。测试结果列于表1中。

本是实施例中，除了充分利用改性生物炭、高炉矿渣、及镁质水泥和纳米氧化铝对氯离子固化的‘三重’保障，还利用了不同粒径的的生物炭颗粒，对人造轻骨料的孔隙结构进行了优化，进而减少骨料与胶体的过渡界面，减少轻质骨料UHPC的薄弱环节。同时为了粘合剂的掺入能有效的提升二次裹浆的浆体与一次造粒的轻质骨料的有更好的粘接性能，进而为人造轻质骨料的强度提供了有力的保障。

未改性生物炭和改性生物炭的SEM图分别如图1和图2所示。

实施例2:

本实施例提供了一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料，本实施例废弃生物质为质量比为1：2麻秆和桔梗的混合物，分散剂为质量比为1：1聚羧酸和HSB脂肪族减水剂的混合物，激发剂为质量比为2：1硅酸钠和氢氧化钾的混合物，外加剂为质量比为1：1铝粉和滑石粉的混合物，粘合剂为质量比为1：1醋酸乙烯酯（VAM）乳液型和聚氨酯的混合物，具体包括步骤S1～步骤S5，具体的步骤说明如下：

S1：废弃生物质初料的制备：将废弃生物质在60℃条件下烘干，然后在500℃无氧环境下热解5小时，得到条状或片状生物炭。自然冷却之后，用破碎机粉碎后过筛，得到粒径为0.15mm～1.0mm 粗生物炭或者粒径<0.15mm的细生物炭。

S2：对粗生物炭或细生物炭按下述步骤分别进行改性：将粗生物炭（或细生物炭）颗粒置于容器中，按照固液比为1：10质量比的掺入改性溶液，并持续震荡容器24h，确保生物炭颗粒得到充分浸泡，然后浸泡后生物炭颗粒用水清洗3遍，然后在 80℃ 的烘箱中干燥3天，得到不同粒径的改性生物炭。

S3：轻质骨料的一次造粒成球：按照以下重量份数计，称取粗改性生物炭13份，高炉矿渣粉50份，镁质水泥30份，激发剂6份，外加剂 0.8份，和粘合剂 3.5份进行配料和混合，并将混匀后的混合物料倒入成球机中进行造粒，按照同一份数计加入30份水溶液，并在其加入纳米氧化5份和分散剂0.8份，进行超声分散15分钟，然后自动成行，并养护7天，得到一次裹浆的生物炭基人造轻骨料。

S4：轻质骨料的二次裹浆：按照以下重量份数计，称取高炉矿渣粉25份，15份镁质水泥，激发剂 3份，外加剂 0.4份，粘合剂 1.1份进行配料和混合，并按照同一份数计加入12份水溶液，并在其加入纳米氧化铝3份，细改性生物炭7份和分散剂0.4份，进行超声分散30分钟，然后将所得的浆体与一次裹浆的生物炭基人造轻骨料按照比1:5的质量比再次裹浆，自动成型，养护14天并筛分，得到二次裹浆的改性生物炭基人造轻骨料。

S5：性能测试：对改性生物炭基人造轻骨料的表观密度，松散堆积密度，紧密堆积密度，空隙率，吸水率，筒压强度及氯离子固化率进行了测试。测试结果列于表1中。

本实施例中，粗生物炭和细生物炭的重量比例较高，相应的的胶结材料如高炉矿渣粉，镁质水泥及纳米氧化铝的含量也增加，同时使用的外加剂和高聚分散剂的份数也增加。一方面，胶结材料和外加剂的份数的增加可以使生物炭颗粒和胶凝材料更好的粘接，降低骨料中的薄弱环节的产生，提高生物炭基人造轻骨料的质量。另外一方面，高聚分散剂的份数增加，能提高细生物炭表面的官能团的活性，为纳米氧化铝的吸附提供更多的附着点。

对比例1:本对比例使用未改性的生物炭来制取人造轻骨料。

本对比例1中与实施例1不同之处在于，对比例1中不含实施例1中的步骤S2，而是直接用未改性的生物炭制取人造轻骨料。

本对比例，主要用于验证改性生物炭对人造轻骨料性能的影响。

对比例2:本对比例未采用二次裹浆来制取人造轻骨料。

本对比例2中与实施例1不同之处在于，对比例1中不含实施例1中的步骤S5，而是直接使用一次造粒后的人造轻骨料进行性能测试。

本对比例，主要验证二次裹浆对人造轻骨料性能的影响。

对比例3:本对比例未采用改性细生物炭制取人造轻骨料。

本对比例3中与实施例1不同之处在于，对比例1中的步骤S5中相较于实施例1中的步骤S5，未采用改性细生物炭，而是直接采用高炉矿渣粉、镁质水泥和纳米氧化铝等胶凝材料进行二次造粒。

本对比例，主要验证改性细生物炭对人造轻骨料性能的影响。

对比例4:本对比例未采用镁质水泥制取人造轻骨料。

本对比例4中与实施例1不同之处在于，对比例1中的步骤S4和S5中相较于实施例1中的步骤S4和S5，未使用镁质水泥，而是直接采用采用普通水泥来替代镁质水泥进行一次造粒和二次裹浆。

本对比例，主要验证镁质水泥对人造轻骨料性能的影响。

对比例5: 本对比例使用改性生物炭基人造骨料作为轻骨料来制取UHPC

本对比例5中使用的生物炭轻集料为实施1中的生产的高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料，并且按照以下配合比进行配制：1085 kg/m³石英砂，821kg/m³水泥、208kg/m³硅灰、175kg/m³粉煤灰微珠，821kg/m³钢纤维， 821kg/m³水，高效减水剂。具体的步骤包括D1～D5：

D1.骨料预湿：将石英砂放入网袋中浸入水中预湿，达到所设定的预湿程度后，将骨料取出铺平晾至骨料表面干燥，得到所需的预湿骨料。这主要是轻质骨料的吸水率比较大，为了减少其对UHPC的工作性能和力学性能的影响，因此都对骨料都采取预湿的方法。

D2.胶凝材料混合: 将按配合比称取粉煤灰微珠倒入混凝土搅拌机中干搅1min，待胶凝材料混合匀均后，加入水和减水剂继续搅拌2min，至得到均匀流动的浆体。

D3.骨料纤维混合：边搅拌边加入预湿骨料搅拌3min后，将钢纤维均匀地撒落在搅拌的浆体中，继续搅拌2min后装模成型。

D4.脱模养护：在成型模具表面覆盖保鲜膜，放入标准养护箱中养护1天拆模，拆模后继续在标准养护箱中养护至测试龄期。

D5.性能测试：对采用石英砂制得的UHPC的28天的抗压强度和抗折强度进行了测试，同时采用了电通量法（ASTM C1202）以及快速氯离子渗透系数法（RCM）测量了UHPC 的28天抗氯离子渗透性能。测试结果列于表2中。

本对比例主要作为基准组与其他对比组的结果进行对比。

对比例6: 本对比例使用生物炭基人造骨料作为轻骨料来制取UHPC

本对比例6与对比例5的不同之处在于，对比例6中所使用的骨料是实施例2中的生产的高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料。本对比例6中其他操作步骤与对比例5中一致。

本对比例，用于对比不同改性生物炭基人造轻骨料对UHPC性能的影响。

对比例7: 本对比例未使用生物炭基人造轻骨料，而采用传统的陶砂作为骨料来制取UHPC。

本对比例7与对比例5的不同之处，主要体现在以下方面：对比例5中的生物炭基人造轻骨料用陶砂替代，陶砂的表观密度为1630kg/m³，松散堆积密度为750 kg/m³，紧密堆积密度为780 kg/m³，空隙率54.1%，吸水率为22.61%。而相同之处体现在：本对比例7中其他操作步骤与对比例5中一致，且陶砂的级配和对比例5中所用的生物炭人造轻集料的粒径在2.36～0.15mm且级配一致。

本对比例，主要是采用传统的陶砂作为UHPC的轻骨料，用于对比陶砂和生物炭基人造轻骨料，对UHPC性能的影响。

对比例8: 本对比例未使用生物炭基人造轻骨料，而采用传统的石英砂作为骨料来制取UHPC。

本对比例8与对比例5的不同之处，主要体现在以下方面：对比例5中的生物炭轻骨料用石英砂替代，石英砂的表观密度为2629kg/m³，松散堆积密度为1720 kg/m³，紧密堆积密度为1770 kg/m³，空隙率34.3%，吸水率为3.33%。而相同之处体现在：本对比例8中其他操作步骤与对比例5中一致，且石英砂的级配和对比例5中所用的生物炭人造轻集料的粒径在2.36～0.15mm且级配一致。

本对比例，主要是采用石英砂作为UHPC的骨料，用于对比未采用生物炭基人造轻骨料和采石英砂作为骨料，对UHPC性能的影响。

其中生物炭基人造骨料的表观密度，松散堆积密度，紧密堆积密度，空隙率，吸水率及筒压强度的测试方法按照GB/T17431 2010《轻集料及其试验方法标准》中的规定执行，电感耦合等离子体质谱仪器用以测试氯离子的固化率，以验证改性生物炭基人造轻骨料的性能变化。另外，UHPC的28天的抗压强度和抗折强度按照ASTM C1856/C1856M-17标准中的规定执行，同时采用了电通量法（ASTM C1202）以及快速氯离子渗透系数法（RCM）测量了UHPC 的抗氯离子渗透性能，以验证采用生物炭基人造轻集料制取的UHPC的性能变化。

表1展示了上述各个实施例中和对比例的生物炭基人造轻骨料料的表观密度，松散堆积密度，紧密堆积密度，空隙率，吸水率及筒压强度的测试结果。从表1可知，实施例1与实施例2的筒压强度分别为12.57 和11.83MPa，且实施例1生物炭基的人造骨料表观密度达到了1770kg/m³，这满足《轻集料及其试验方法》(GB/T17431 2010) 对高强轻集料的要求。另外，从实施例1与各对比组1，2，3和4的测试结果来看，改性的生物炭能有效提高人造骨料的氯离子固化率，细的改性生物炭，二次裹浆工序及镁质水泥等对人造骨料的强度和氯离子固化率都有不同程度的改善，这表明了本发明的高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料均不但满足轻骨料密度要求，也能满足目前工程实际应用的要求，同时还能有效的增加对CO₂的收集和储存。

表2展示了上述各个对比例中UHPC力学和抗氯离子渗透性能的测试结果。从对比例5和6的测试结果来看，采用改性的生物炭作为轻骨料制成的UHPC的都具有较高的抗压强度和抗折强度，其中对比组6的抗压强度、抗折强度比对比组5的结果低，且对比组6的电通量和氯离子扩散系数也要对比组5的结果要高，这可能与对比组5和6的生物炭的份数有关。然而从表2的测试结果来看，采用生物炭基人造轻骨料制作的UHPC（对比组5和6）的力学和抗氯离子渗透性能都要优于对比组7和8，这表明改性的生物炭轻质骨料不但能提高UHPC的强度，还能提升UHPC的抗氯离子渗透性能。

综上所述，本发明利用改性的粗细生物炭制作的骨料，具有轻质、高强，高氯离子固化率等特性，采用本发明制作的生物炭基轻集料UHPC具有高强及高抗氯离子渗透的性能，为混凝土结构的安全和稳定性提供了有效保障。

Claims

1.一种高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一：改性处理：分别选取粒径为0.15mm～1.0mm 粗生物炭颗粒和<0.15mm细生物炭颗粒，再按下述步骤分别进行改性：

步骤二、轻质骨料的一次造粒成球：按重量份数计，称取改性的粗生物炭颗粒5份～15份，高炉矿渣粉35份～55份，10份~35份镁质水泥，激发剂 2份～7份，外加剂 0.3份～0.8份和粘合剂 1份～4份后混匀，倒入成球机中进行造粒，按照同一份数计加入20份～35份水溶液，并在其加入纳米氧化铝2份～5份和分散剂0.2份～1.0份，进行超声分散10～20分钟，然后自动成型，并在85±5%的相对湿度及23±2℃的自然条件养护3天～7天，得到一次裹浆的生物炭基人造轻骨料；

步骤三、轻质骨料的二次裹浆：按重量份数计，称取高炉矿渣粉15份～25份，5份~20份镁质水泥，激发剂 1份～3份，外加剂 0.1份～0.5份，粘合剂 0.5份～2份进行配料和混合，并按照同一份数计加入10份～15份水溶液，并在其加入纳米氧化铝1份～3份，改性的细生物炭颗粒2份～8 份和分散剂0.1份～0.5份，进行超声分散20～30分钟，然后将所得的浆体与一次裹浆的生物炭基人造轻骨料的按照比1:5的质量比再次裹浆，自动成型，最后将得到的改性生物炭基人造轻骨料在85±5%的相对湿度及23±2^oC的自然条件养护10～15天，然后筛分出粒径在2.36mm～0.15mm的颗粒，即得到高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于粗生物炭颗粒和细生物炭颗粒是通过下述步骤制备的：将废弃生物质在60℃～80℃条件下烘干，然后在500℃～800℃无氧环境下热解3～5小时，自然冷却之后，用破碎机粉碎后过筛，得到粒径为0.15mm～1.0mm 粗生物炭或者粒径<0.15mm的细生物炭；其中，所述废弃生物质为芦苇叶、木屑、麻秆、桔梗、枯树枝中的一种或其中几种的任意比组合。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的高炉矿渣粉的比表面积>450 m²/kg及碱性系也在数在2.4以上；其主要的氧化物组成为48% CaO、35% SiO₂、20% Al₂O₃和12%MgO。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的镁质水泥的比表面积>350m²/kg；其主要的氧化物组成为90.5% MgO, 5.80% SiO₂, 和2.20% CaO。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的纳米氧化铝的火山灰活性指数≥105%，氧化铝含量≥99%，密度为3.6 g/cm³及比表面积>230m²/g。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述分散剂为聚羧酸、HSB脂肪族减水剂中的一种或者其中两种的任意比组合。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述激发剂为硅酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或者其中两种的任意比组合。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的外加剂为铝粉、滑石粉、石膏中的一种或其中多种的任意比组合。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的粘合剂为硅酮、醋酸乙烯酯（VAM）乳液型、聚氨酯中的一种或两种的任意比组合。

10.一种权利要求1-9任意一项所述的方法制备的高氯离子固化率的生物炭基人造轻骨料。