沸石与竹生物炭在混凝土中作为CO₂吸收剂的性能研究！

沸石与竹生物炭在混凝土中作为CO₂吸收剂的性能研究！

二氧化碳（CO₂）作为主要的大气污染物之一，其排放量不断增加，主要来源于水泥制造业、众多行业的化石燃料燃烧以及交通拥堵等情况。大气中CO₂浓度的上升引发了诸多不良影响，尤其是全球变暖问题。为了有效降低大气中的CO₂含量，本研究通过在混凝土中添加沸石和竹生物炭，制备出具有CO₂吸收能力的混凝土。选择这两种材料的原因在于它们具备较大的孔隙率和较高的比表面积，能够吸收更多的CO₂。沸石含有较高的氧含量，而竹生物炭则富含碳元素，这些特性都有助于CO₂的吸收。

在本研究中，沸石分别以25%和50%的比例替代细骨料，竹生物炭则以0.5%、1%和1.5%的比例替代水泥。通过对比不同配比下混凝土的强度特性和CO₂吸收能力，发现50%沸石和1%竹生物炭（ZB5）混合的混凝土表现最为出色。最佳配比的确定是基于混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、吸水率、抗冲击强度、CO₂吸收量以及CO₂渗透深度等多方面因素综合考量得出的。具体而言，这种最佳配比混凝土的抗压强度达到了38.49 MPa，相比常规混凝土提高了7.48%；其劈裂抗拉强度为4.39 MPa，较常规混凝土提升了15%。

此外，研究还发现，当混凝土立方体在碳化室中存放7天时，最佳配比的混凝土每天能够吸收1.2 g CO₂，且CO₂的渗透深度为15 mm。本研究为在混凝土中添加沸石和竹生物炭提供了详实的数据支持，证实了这两种材料不仅可以增强混凝土的强度性能，还能显著提升其CO₂吸收能力。这种含有沸石和竹生物炭的混凝土为减少大气中CO₂含量提供了一种有效的解决方案，并且可广泛应用于混凝土路面、下水管道、护墙等工程领域，尤其适用于CO₂含量和排放量较高的环境。

沸石和竹生物炭混合的混凝土能有效降低大气中的CO₂含量。沸石凭借其较大的孔隙率和独特的比表面积，可吸收更多CO₂。增加沸石用量，混凝土的强度和CO₂吸收量均会提升；而当竹生物炭用量超过1%时，虽混凝土强度有所下降，但CO₂吸收量会增加。含50%沸石和1%竹生物炭的混凝土，在碳化深度、抗压强度、抗拉强度和抗冲击强度方面均优于常规混凝土，且7天内CO₂吸收量最高（1.2g/天），碳化深度达15mm。加入竹生物炭、沸石粉和人造沸石颗粒的混凝土，展现出更高的强度和更强的CO₂吸收能力。沸石作为重要辅助材料，有助于提高机械强度并促进CO₂吸收。沸石和竹生物炭混合的混凝土，为建筑领域提供了碳中和的解决方案，助力可持续发展目标的实现。

图1 沸石颗粒（1-2 mm）、沸石颗粒（3-5 mm）、沸石粉和竹生物炭

图2 滴定法工艺流程图

图3展示了不同材料的微观结构和元素分布特征。其中，(a)部分为粒径在1 - 2mm范围内的沸石颗粒的扫描电镜图像及能量色散X射线光谱分析结果；(b)部分呈现了粒径介于3 - 5mm的沸石颗粒的相关分析情况；(c)部分则是竹生物炭的扫描电镜图像和能量色散X射线光谱分析内容。

图4 抗压强度试验结果

图5 劈裂抗拉强度试验结果

图6  吸水率试验结果

图7 抗冲击强度试验结果

图9 碳化深度试验结果

总结

本研究着重探讨了在混凝土中掺入不同比例的沸石和竹生物炭对提升其强度以及增强在富碳环境中吸收CO₂能力的可行性，全面评估了沸石和竹生物炭混合混凝土的力学性能与CO₂吸收效能。研究结果显示，沸石和竹生物炭的加入显著提高了混凝土的强度和CO₂吸收性能。

在实验中，细骨料被部分替换为25%和50%的沸石珠和沸石粉，水泥则被部分替换为0.5%、1%和1.5%的竹生物炭。实验结果表明，当竹生物炭的掺量超过1%时，混凝土的抗压强度出现下降趋势，原因是竹生物炭含量的增加使得混凝土的脆性增强；而沸石掺量的增加则导致抗压强度上升，这主要归因于沸石中较高的铝和硅含量。通过扫描电镜分析可以清晰地观察到沸石的微孔结构，这种多孔结构为CO₂的吸收提供了有利条件。

在不同配比的混凝土中，ZB2的抗压强度最高，达到37.84 MPa。而在ZB4、ZB5和ZB6中，ZB5的抗压强度最大，为38.49 MPa，较常规混凝土提高了7.48%，这表明竹生物炭的最佳掺量为1%。ZB5的劈裂抗拉强度为4.39 MPa，高于其他所有沸石和竹生物炭配比形成的混凝土，比常规混凝土高出15%。不同沸石和竹生物炭混合比例下形成的混凝土的吸水率均在允许范围内，其中ZB5的吸水率为5.2%，低于规定的限值。ZB5的冲击强度为30 J，比对照混凝土高出10%，这证明其韧性优于常规混凝土。

尽管ZB6的碳化深度最大（16 mm），但碳化深度为15 mm的ZB5可能更具优势，因为其在抗压强度和劈裂抗拉强度测试中表现最佳，更适合用于强度要求较高的结构中。综合考虑，本研究推荐使用50%沸石部分替代细骨料和1%竹生物炭部分替代水泥的ZB5配比，该配比在强度和CO₂吸收方面表现最为出色。它不仅具有更高的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗冲击强度，还具有较低的吸水率，并且在7天内具有最高的CO₂吸收量（1.2 g/天），碳化深度为15 mm。

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