活性炭國(guó)家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭增進(jìn)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度

　　混凝土一直是比較受歡迎的建筑材料之一，就在最近活性炭作為水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)劑突然被更多的人關(guān)注了。我們發(fā)現(xiàn)活性炭可以增強(qiáng)水泥的耐濕性和減輕潮氣侵襲的風(fēng)險(xiǎn)。還測(cè)試過(guò)活性炭對(duì)混凝土氣孔特性的影響，了解到活性炭可以減少了混凝土中的空氣含量，從而提高了強(qiáng)度。活性炭也可用于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。含有活性炭作為添加劑的硬化水泥漿也擁有了吸附能力，在揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)，和有害化合物(例如乙醛和甲苯)的環(huán)境中。活性炭粉末能夠吸收大部分的甲苯，因此，包含活性炭的硬化水泥漿可作為潛在的建筑材料，有助于提高除污效果。

　　活性炭水泥砂漿的組成

　　波特蘭水泥(硅酸鹽水泥I型和II型)作為基礎(chǔ)材料，活性炭采用植物種子轉(zhuǎn)化成。在物理活化過(guò)程中，碳化和活化步驟均通過(guò)加熱完成。制備方法是，先用蒸餾水洗滌和漂洗以除去雜質(zhì)，在100℃下干燥24小時(shí)，然后過(guò)篩以控制粒度。然后將制備好的原材料在馬弗爐中加熱到600℃，持續(xù)一個(gè)小時(shí)。冷卻至室溫后，將地面洗凈，然后再次用去離子水沖洗。并在100℃下干燥48小時(shí)，然后使用16號(hào)和60號(hào)篩分(篩孔分別為1.18和250微米)進(jìn)行分選。在加熱過(guò)程中，基礎(chǔ)材料的揮發(fā)性分子升華，從而在整個(gè)過(guò)程中留下多孔結(jié)構(gòu)。制備的活性炭?jī)?chǔ)存在密閉瓶中。處理后獲得的原材料和活性炭顆粒如圖1所示。活化過(guò)程形成了蜂窩狀的孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致活性炭中的表面積較大，這可能引起了形態(tài)對(duì)稱現(xiàn)象。

　　圖1：(a)處理后獲得的原材料和(b)活性炭，以及(c)原材料和(d)活性炭在500x下的SEM圖像。

　　活性炭水泥抗壓強(qiáng)度測(cè)試

　　在7天，21天和28天測(cè)量立方體樣品的抗壓強(qiáng)度。每個(gè)代表性的抗壓強(qiáng)度是十二個(gè)樣品的平均值。強(qiáng)度的測(cè)量是使用混凝土壓縮機(jī)進(jìn)行的。根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，由于在7天時(shí)測(cè)得的強(qiáng)度大大降低，因此未測(cè)試21天時(shí)5%和10%活性炭的樣品。結(jié)果證明，普通水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加。在活性炭復(fù)合材料樣品中也觀察到了相同的趨勢(shì)。沒(méi)有活性炭的水泥砂漿的7天強(qiáng)度達(dá)到28天強(qiáng)度的66%，而0.5%和1%活性炭復(fù)合材料的7天強(qiáng)度分別達(dá)到28天強(qiáng)度的80%和73%。這意味著低濃度的活性炭可能會(huì)加速?gòu)?qiáng)度硬化過(guò)程。等于或大于1.5%的過(guò)量濃度消除了早期強(qiáng)度效應(yīng)。此外，活性炭的過(guò)量含量大于5%導(dǎo)致強(qiáng)度顯著降低。添加5%的活性炭會(huì)使普通水泥砂漿的7天抗壓強(qiáng)度降低28%，而28天抗壓強(qiáng)度降低21%。添加10%會(huì)使7天強(qiáng)度下降50%，而28天強(qiáng)度下降52%。這些結(jié)果表明，大于合適范圍的活性炭的摻入會(huì)損害普通水泥的強(qiáng)度。在該研究中，觀察到增加抗壓強(qiáng)度的合適含量范圍為0.5%至1.5%。

　　樣品的抗壓強(qiáng)度

　　可視化了水泥砂漿的碳含量顯示在圖2，強(qiáng)度和重量之間的關(guān)系。左圖表示強(qiáng)度相對(duì)于碳含量的變化，右圖表示強(qiáng)度與試樣重量的關(guān)系。此外，底部的圖表顯示了碳含量與重量的關(guān)系。值得注意的是，添加碳會(huì)稍微減少樣品的重量。這是因?yàn)檩p質(zhì)的活性炭可能會(huì)在有限的樣品體積中代替相對(duì)較重的細(xì)骨料或水泥。盡管重量減輕，但與普通水泥砂漿樣品相比，碳共混樣品顯示出更高的強(qiáng)度。

　　圖2：活性炭含量，抗壓強(qiáng)度和樣品重量之間的關(guān)系。

　　活性炭含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。結(jié)果表明，隨著活性炭摻入量增加到1.5%，水泥砂漿強(qiáng)度增加。添加0.5%的活性炭可將7天強(qiáng)度大幅提高48%，而添加1.5%的活性炭則可將28天強(qiáng)度提高27%。其他研究也報(bào)告了類似的結(jié)果，表明通過(guò)添加活性炭可以提高強(qiáng)度。將4%的活性炭摻入粉煤灰水泥中會(huì)使28天的抗壓強(qiáng)度提高18%。

　　圖3：活性炭含量對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響。

　　活性炭對(duì)普通水泥砂漿強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，添加小于或等于1.5%(按水泥重量計(jì))的活性炭可提高水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度。此外，活性炭還可以加速?gòu)?qiáng)度硬化過(guò)程，從而縮短固化時(shí)間。特別是，少量的含量(0.5%)在早期強(qiáng)度有更有意義的提高，而含量較高的(1.5%)在28天時(shí)強(qiáng)度有更好的提高。但是，大量的活性炭超過(guò)5%會(huì)大大降低強(qiáng)度。這項(xiàng)研究得出的結(jié)論是，活性炭可以用作潛在的水泥添加劑，以增強(qiáng)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度。

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