“固廢資源化”是國家生態(tài)文明建設的重大戰(zhàn)略需求，綠色低碳發(fā)展是生態(tài)文明建設的基本途徑。隨著快速的城市化和工業(yè)化進程，近年來產生了大量富含有機污染物與病原體的市政污泥。此類固廢的傳統(tǒng)處置方式包括填埋、焚燒等，對環(huán)境產生巨大負荷。然而，污泥限氧熱解可減少溫室氣體排放并實現(xiàn)碳的穩(wěn)定儲存，產物生物炭的高比表面積、豐富的官能團和多界面反應位點，為污泥資源化利用提供了經(jīng)濟環(huán)保的出路。

　　武漢巖土所環(huán)境土力學與工程學科方向組科研團隊采用常規(guī)限氧熱解污泥得到多孔生物炭，將其作為綠色工程材料與水泥復配，制備了巖土工程固化用生態(tài)膠凝材料。污泥生物炭在反應體系中降低了局部水灰比，起到內部養(yǎng)護作用，并提供更多成核位點，促進水化產物的生成，從而增強了復合材料機械性能（如圖1）。盡管污泥生物炭在土壤改良、環(huán)境修復以及水處理等領域得到廣泛應用，然而，作為工程材料應用于巖土工程領域尚屬首次探索。污泥生物炭生態(tài)水泥的制備與使用，為污泥資源化利用和水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。

　　生物炭膠凝材料的性能取決于原材料的類型和熱解溫度工藝，污泥的熱化學特性表明，160-580°C的溫度范圍是主要和有效的熱解區(qū)。因此，在不同溫度工藝制備污泥生物炭的比表面積、孔隙特征隨溫度變化具有較大差異性。H/C和O/C比值揭示了污泥生物炭具有穩(wěn)定的化學和生物性質及較強的親水能力。這些特征為污泥生物炭作為工程材料的應用提供了條件。

　　為探明生物炭水泥復合材料的性能與水化反應過程，采用多尺度表征手段揭示了固化體的力學強度、水化產物以及水化程度演化規(guī)律（如圖2，3），優(yōu)化得到了污泥生物炭水泥的最佳制備工藝（500℃熱解溫度，60min保溫時間）。

　　為進一步揭示生物炭水泥復合材料的水合機理，采用等溫量熱法，確定了水化反應過程水化反應熱流曲線。盡管不同溫度工藝的反應體系具有相似的放熱特性，但最優(yōu)的溫度工藝使復合材料具有相對較高的放熱速率、累計水化熱和較短的休眠期。表明了生物炭的加速水化效應。此外，采用Krstulovic Dabic動力學模型很好地模擬了污泥生物炭的水合過程（如圖4），在生物炭-水泥復合體系中揭示了其水合作用機制：NG-I-D。最優(yōu)工藝生物炭提供的成核位點最多，在各反應階段的反應速率常數(shù)最高，并且具有最短的相邊界反應階段（I）。

　　結合生物炭優(yōu)勢和復合材料固穩(wěn)特性，污泥生物炭生態(tài)水泥應用潛力巨大。該材料在污染泥?土?渣固穩(wěn)修復，建材利用領域具有廣闊應用前景。

　　本研究成果已經(jīng)在線發(fā)表于國際工程技術領域TOP期刊“Construction and Building Materials”（IF:4.419）。第一作者為博士生陳新，通訊作者為李江山研究員和薛強研究員。該研究成果得到了國家杰出青年科學基金（No. 51625903），國家重點研究與發(fā)展計劃（No. 2019YFC1804002），國家自然科學基金委與香港研究資助局聯(lián)合科研資助合作研究項目（No.51861165104），國家科學基金會科學儀器基礎研究專項基金（No.51827814）等共同資助。

　　論文題目：Sludge biochar as a green additive in cement-based composites: Mechanical properties and hydration kinetics

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120723

　　圖1 污泥生物炭生態(tài)水泥制備工藝圖

圖2 不同工藝污泥生物炭水泥復合材料機械強度特征

　　圖3 不同工藝污泥生物炭水泥復合材料水合程度

　　圖4 不同工藝污泥生物炭水泥復合材料水化動力學曲線

                                      （文/圖  環(huán)境土力學與工程學科方向組）