混凝土对大气PM2.5吸收性的影响研究进展.pdf
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1、2 0 1 6年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NCRE T E AND CE MENT P RODUC T S 2 01 6 No 4 Ap r i l 混凝土对大气 P M2 5吸收性的影响研究进展 濮 琦 1 ,2 , 姚 燕 , 王 玲 , 刘远祥 , 史星祥 ( 1 苏州混凝土水泥制品研究院 , 江苏省高耐久混凝土工程技术研究中心 , 2 1 5 0 0 0 ; 2 中国建筑材料科学研究总院, 北京 1 0 0 0 2 4 ) 摘要 : 概述 大气 P M2 5 、 混凝 土的相 关特性 , 提 出利用混凝土吸湿性吸收 大气 P M2 5 、 解决
2、 P M2 5大气污染的 新 思路 分析 影响混凝 土吸收大气 P M2 5的 内在 因素 和外在 因素。 最后在 已有研 究成果的基础上 , 指 出有待进 一步 研 究 的 思路 。 关 键 词 : 混凝 土 ; P M 2 5; 吸 收 Ab s t r a c t :S u mma o f c u r r e n t wo r l d wi d e r e s e a r c h e s o n a b s o r b a b i l i t y o f c o n c r e t e f o r P M2 5 wa s p r e s e n t e d A n e w me t h
3、o d w a s p r o p o s e d b y t h e a b s o r b a b i l i t y o f c o n c r e t e t o s o l v e t h e p o l l u t i o n o f P M2 5 T h e f a c t o r s t o i n f l u e n c e t h e a b s o r b a b i l i t y o f c o n c r e t e we r e a n a l y z e d S o me k e y p r o b l e ms t o b e f u r t h e r s
4、t u d i e d we r e p r o p o s e d o n t h e b a s i s o f t h e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s Ke y wo r d s : C o n c r e t e ; P M2 5 : Ab s o r b a b i l i t y 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标识码 : C 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 6) 0 4 2 8 0 5 0前 言 空气动力 学中把 直径 小于 2 5 1 L m 的颗粒 物称 为细颗粒 又称 P M2 5
5、 ,它是一种重要的大气污染 物。这类颗粒 物在大气中的稳定程度高 , 沉降速度 慢 , 被吸入呼吸道的概率大 , 相对较粗颗粒而言 , 其 比表面积大 , 能携带更多有毒有害物质进入细支气 管和肺泡 区, 对人体的危害更 大【 - 3 。因此 , P M2 5长 时间停 留在大气 中,不仅影响气候和空气质量 、 破 坏生态环境 , 而且严重危害人体健康 。目前 , 关于 大气 中 P M2 5的污染特征及其影响 因素等研 究是 国际上大气环境 与大气化学 的研究热点与 研究 趋 势 0 , 主要集 中在各地 P M2 5颗粒 的来源解析 、 颗 粒组成 、 理化特性 、 影响 因素等领域 l
6、l 2 1 , 进 而为制 定相关行政措施 、 改善空气质量 、 降低 P M2 5提供 可靠依据 。为改善生态环境 , 节能减排 , 陆续出台了 搬迁污染企业 , 汽车限牌限号等行政措施 , 有效改 善了城市空气环境 , 达到降低 P M2 5的 目的。然而 目前 尚未有 有效 的技术 手段 能 够 除去 空气 中的 P M2 5颗粒 , 改善城市空气质量。 考虑到混凝土作为 城市建筑的主要构成物 , 尤其是多孔混凝土具有较 强的吸湿性 。 在一定 的湿度条件下 。 P M2 5颗粒作为 凝结核能够 吸收空气 中的水 分形 成含尘 液滴被混 凝土 吸收 进而达到 吸收 P M2 5颗粒 ,
7、有 效改善城 基金项 目: 绿色建筑材料国家重点实验室开放基金 。 一 2 8一 市空气质量的作用。因此 , 作者提 出了利用混凝土 吸湿性吸收大气 P M2 5 、解决 P M2 5大气污染的新 思路 。国内外基于混凝土 自身特性吸收大气 P M2 5 的研究未见 报导 , 相关研究 尚处 于空 白状态 。 因而 研究混凝土对 P M2 5吸收性 的影 响具有 十分深远 的社会意义和环境意义。 1 大气 P M2 5物理、 化学特性 由于 自身水化反应以及周 围环境 因素的变化 , 尤其是环境湿度 、温度等因素的 日夜变化原 因, 混 凝 土具有从周围环境中吸收水分的性质。P M2 5作 为
8、凝结核在一定的饱和蒸 汽压 条件下吸水转 化为 含尘液滴 , P M2 5中的易溶成分可溶解于含尘液滴 中,进而通过混凝土的吸水性 达到吸收 P M2 5液 滴 , 去除大气 P M2 5的效果 。P M2 5自身物理 、 化学 特性影响其吸水凝 结 、 溶解过程 , 进而影响混 凝土 吸收大气 P M2 5的效果 , 因此 , P M 2 5自身的物理特 性和化学特性是混凝土吸收大气 P M2 5的关键 性 因素。 1 1 大气 P M2 5的物理特性 蒸汽相变是 自然界和工业过程 中广泛存 在的 现象 。也是气相与颗粒相之间重要的质量输 运过 程 。蒸汽 以颗粒为凝结核发生相变凝结 , 首
9、先经历 异质核化过程 , 在 颗粒 上生成液体 晶核 , 之后蒸汽 在核化颗粒表面发生相变凝结。在蒸汽相变凝结过 程 中 首先是最贴近颗粒 的蒸汽分子聚集在核化颗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 濮琦 , 姚燕 , 王玲 , 等 混凝土对大气 P M2 5吸收性的影 响研究进展 粒表面 , 使该 区域蒸汽分子浓度降低 , 周 围高浓度 区的蒸汽分子向该区域补充 ,促进凝 结持续进行 : 同时凝结潜热使凝结液滴温度升高 。 而热量又会 向 气体介质输送 , 从而影响凝结过程 1 3 1 。 K u l m a l a 4 1综合考虑蒸汽扩散和热传导 的作用 推导出
10、小过饱和度 情况下单颗粒 凝结增长速率 的 表达式 ,颗粒 的凝结增长速度与其粒径成反 比, 由 于粒径较小 的颗粒增长速率较快 , 而粒径较大的颗 粒增长速度较慢 , 使得颗粒粒径范围随时间明显 变 窄 , 颗粒 由初始条件下多分散分布的微粒转变为单 分散分布的粒径较大的含尘液滴。P M2 5由于吸湿 增长 比较迅速 ,凝结增长后的颗粒也更为集 中 在 适宜饱和度条件下 , 颗粒初始粒径对凝结增长宏观 效果的影 响较小 。 根据 K u l ma l a研究结果 。 凡凤 仙同 等研究表明在几何标准偏差 O g o = 1 2时 几乎全部颗 粒增长到 3 3 5 1 m以上 。 1 2 大气
11、 P M2 5的化学特性 水溶性离子是 P M2 5的重要化 学组分 , 具有 吸 湿性 ,能够在低于饱和蒸气压条件下形成雾滴 , 其 阴离子主要是硫酸盐 、 硝酸盐 、 卤素离子 ; 阳离子主 要是铵盐 、 碱金属 和碱土金属离子 , 如 C r 、 K 、 N a 、 Mg 2 + 和 C a 2 + , 含量相对较低 , 不同离子不同的来源 1 5 1 。 Ya n g等【- 6 1 研究表 明我 国东部二次水溶性离子 S O 4 、 N O 3 - 和 N H 4 + 是 P M2 5的主要成分之一 占 P M 2 5质 量 的 4 0 - - 5 7 。沿海地区混凝土结构物在重度盐
12、雾 区 由氯离子 引起 的钢筋锈蚀 现象则表 明混 凝土 同样能够吸收含有离子成分的雾、滴【 切 。 由此推断 , 城 市环境大气 中的可溶性 离子吸湿后 可以被混凝土 通过毛细孔吸收。以上研究结果表 明 , 在大气环境 中 P M2 5同样存在吸湿增长为含尘 液滴 、 颗粒直径 增长 的现象 ,为混凝土吸收 P M2 5提供有利条件 , 对于解决大气 P M2 5污染问题具有重要意义 。 2混凝土吸水性 混凝土由固、 液 、 气三相组成 , 这三相 中均有水 的成分 按照水 的存在形式 , 可以将混凝土 中的水 分 为 : 自由水( 毛细孔水) 、 吸收水、 结晶水 和结构水 ( 层间水 )
13、 。在水化过程中, 自由水和吸收水会逐渐 转变为结 晶水和结构水 , 这种 自干燥作用将导致混 凝土 内部湿度降低 , 当外部环境湿润时 , 混凝 土通 过毛细孔吸收外部水分 。 自由水会转变为吸收水 , 此时混凝土处于吸水状态 1 s - 2 o 。当外部环境干燥 时, 吸收水 、 结构水会逐渐转变为 自由水通过毛细孔扩 散到环境 中。 此时混凝土处于失水状态 - 2 3 1 。外部环 境的干湿交 替变化将引起混凝土失水 、 吸收呈现 出 规律性变化 , 因此 , 混凝土能够通过吸收含尘液滴 而长期 吸收大气 中的 P M2 5 ,至于 P M2 5是否会随 着混凝 土失水 而散失 到空气
14、中则需要通 过研 究得 出结论 。 混凝土吸水性与孔结构相关 , 其吸水 能力直接 影响混凝土吸收大气 P M2 5的效果。混凝土孔范围 较宽 , 按考察 的尺寸大小 , 可以从微米级到纳米级 。 而 P M2 5为直径小于 2 5 m的颗粒物 , 其直径处于 这一范 围内, 理论上可 以被混凝土吸收 。混凝土吸 水性 随着水灰 比的降低 、 龄期 的增加 、 材料初始水 分含量 的增加而显著降低 , 毛细吸收的质量系数则 主要取决于有效孔隙率2 4 - 2 5 1 。另外 , P M2 5中的难溶 性颗粒吸湿后转变为含尘液滴 , 这些含尘液滴被混 凝 土 吸 收后 可 能 会堵 塞 混凝 土
15、 毛 细孔 进 而阻 止 混 凝土进一步吸收城市大气中的 P M2 5 。 因此 , 混凝土 孔结构对混凝土吸收大气中的 P M2 5有重要影响 。 有必要展 开混凝 土孔结构对大气 P M2 5吸收性 的 影响研究。 2 1 水灰 比 刘伟等闭认 为混凝土总孔 、 大孔和毛细孔孔隙 率均随水灰 比降低而明显下降 , 水灰比变化对孔径 大于 3 0 n m的大孔孔隙率影响更为显著 。由此说明 水灰 比变化所导致的孑 L 隙率变化 主要是改变了大 孔的数量。根据 P o w e r S理论 , 毛细孔孔分布及数量 由初始水灰 比和水化程度决定 , 只要允许足够充分 的水泥水化 水灰 比低于 0
16、7时毛细孔将会不连续 , 而低于 0 3 5时毛细孔将完全被填充2 7 1 。朱方之等 2 8 1 研究表 明 混凝土吸水性随着水灰 比的增大而增 大 , 吸水试验的环境温度和相对湿度增加 , 会促进 水的毛细吸收 , 毛细吸收对环境温度 的敏感性要高 于环境相对湿度 。G e r d e s 2 9 1 指 出。 从理论上讲 , 混凝 土水胶 比越低 , 孔 隙半径越小 , 混凝 土的吸水 能力 越低 ; 反之 , 水胶 比越高 , 则混凝 土吸水 能力越强 。 K e l h a m3 l 由吸收试验得 出 在初始吸水 时间内单位 面积混凝土的毛细水吸收量与时间 的平方根之 间 呈线性关系
17、。 2 2 掺合料 唐明等f3 l 1 采用压汞测孔技术对普通混凝土和粉 煤灰混凝土孔 隙展开研究 , 发现掺粉煤灰不仅能降 低混凝土的总体孔隙率 而且有粗孔 细化的效果 。 刘伟等【 翊 研究表明, 与粉煤灰相 比, 硅灰对混凝土孔 隙率影响更大 , 其 中对混凝土大孔孔隙率的降低尤 为显著 , 硅灰与粉煤灰复合时 , 混凝土总孔隙率和 毛细孔隙率较单掺混凝土能进一步降低。巴恒静3 3 1 等采用粉煤灰和沸石进行复合双掺对高强混凝 土 显微结构展开研究,认为粉煤灰和沸石复合双掺 一 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 4期 混凝土与水泥
18、制品 总第 2 4 0期 时 , 次级颗粒级配更趋合理 , 叠合效应显著 , 大孔减 少 细孔分布均匀 。其他学者研究表明, 多种不同细 度的矿物掺合料复掺后具有叠合效应 , 内部结构更 加致密 , 孔 隙率降低 , 平 均孔径减小 , 孔径分布更合 理 同时显著降低混凝土中有害大孔数量和水 化后 期的中值孔径3 3 5 。 黄蓓等闭认为在矿粉 尚未充分水 化前 ,矿粉等量取代水泥将导致混凝 土孔 隙率增 加 。 孔径变粗 , 毛细吸水高度减小 , 毛细吸水量和吸 水高度随矿物掺合料 的增加而减小。由于单掺或复 掺粉煤灰和硅灰时降低 了混凝土中毛细孔的含量 , 混凝土吸水性随掺合料的增加而减小
19、 , 并且 随着混 凝土龄期的增加 吸水性进一步降低3 3 1 。 然而 , 部分学 者则持相反观点 , 认为轻骨料混凝土和再生混凝土 的吸水性随着粉煤灰掺量的增加而提高3 7 - 3 8 1 。 3环境 影响 因素 3 1 湿度 研究表明【3 9 】 自然环境 中空气相对湿度变化规律 表 现出显著地周期性波动 , 相对湿度最大值 出现在 凌晨温度最低时 。 而最小值则出现在午后最高温度 时。以长沙为例 , 其最大幅值差可达 7 0 左右 , 这种 干湿交替作用呈现出规律性变化 水汽密度在夏季 最大 , 春秋次之 , 冬季最小。外部环境的干湿交替变 化将引起混凝土失水 、吸收呈现出规律性变化
20、, 因 此 , 混凝土能够通过吸收含尘液滴而长期吸收大气 中的 P M2 5 。至于 P M2 5是否会随着混凝土失水而 散失到空气 中, 则需要通过研究得出结论 。 钱晓倩 等根据开尔文公式得出环境湿度 ( R日) 和毛细失水 孔孔径( r ) 的关系 : I n ( RH) : - 1 0 3 4 r 根据公式 ( 1 ) 可知 , 混凝土毛 细孔失水孔 径随 湿度 的增大而减小 当环境湿度为 5 8 时 混凝土 内孔径 2 n m的毛细孔将处于失水状态 。 陈暖【 4 1 J 等研究表明 在无降水 的前提下 , 湿度与 P M2 5质量浓度两者呈正相关 。这主要是 因为相对 湿度增大 ,
21、 有利于大气 中的气体物质转化成为二次 粒子4 2 】 , 且一些极细的颗粒 由于吸湿使本身含液量 增加 ,粒子涨大从爱根核模态转化为积聚核模态 , 造成空气中 P M2 5的质量浓度增加。杨军 等研究 表 明在风力较小的条件下 。 空气 中的细颗粒受湿度 影响显著 ,在湿度较大情况下细粒子将吸湿增长 , 同时细粒子受到 重力沉 降作用 和碰并过 程将进一 步增加细颗粒 的质量浓度 , 尤其是湿度达到 7 0 以 上时 细粒子 中水等液体成分将进一步增大。 3 2 风 及 温度 一 3 0 一 温度是影 响混凝土内部湿度的主要 因素 , 影响 混凝土吸水或失水性能。混凝土温度与 自然环境温 度
22、之 间的主要关系表现为周期相等 、 时间滞后和温 度波动幅值衰减 。混凝土内部水分 的散失是 由 内部 到表 面 , 由表面再蒸发到环境中 , 温度越高水 分子运动越剧烈 , 扩散也越快 , 空气流动( 风速 大) 条件下这种水分散失速度越快 。这是 因为风速增 大改变 了混凝土 内部温度梯度 , 改变了混凝土热量 散失速率 。而环境温度不仅能直接改变混凝土表面 水分散失速度 , 且能影响混凝土 内部温度 , 影响水 泥水化速度 , 进而影响混凝土内部水分的散失 。 当湿度较高时 存在于混凝土毛细孔 中的水不 容易扩散 出去 , 即使处 于高温状态 , 由于高温促进 了水泥水化反应速度 ,此时
23、混凝 土处于吸水状态 ; 而在湿度较低温度较高的条件下 , 混凝土毛细孑 L 中 的水一部分用于水化反应 , 而另一部分则容易扩散 到周 围环境中去 , 此时混凝土处于失水状态 碣 。 王卫 仑4 l 4 9 等研究表明 , 长沙地 区凌晨温度最低时环境 相对湿度最高 。中午温度最高时环境相对湿度 最 低 ,混凝土孔隙 内水汽密度随温度呈现规律性 变 化 , 凌晨温度最低 时混凝 土水汽密度最高 , 中午温 度最高时混凝土水汽密度最低。 4 有 待进 一步 研 究的 问题 综上所述 国内外学者分别对大气 P M2 5理化 特性及混凝土吸水、 失水性展开 了大量的研究。然 而 , 将大气 P M
24、2 5与混凝土吸水性结合在一起的研 究较为少见 , 而沿海地区盐雾区钢筋混凝土结构中 由氯离子引起的钢筋锈蚀则间接证 明了混凝 土可 吸收大气中的 P M2 5液滴。考虑到混凝土是城市建 筑物最为主要 的一种材料 , 其吸收大气 P M2 5改善 城市大气环境 的作用不容忽视。展望未来 , 可以在 以下方面进行深入研究 : ( 1 ) 混凝土孔结构对 P M2 5吸收性的影响。混 凝土对 P M2 5吸收性的影 响研究 目前 国内外处 于 空白状态 , 混凝土能够有效、 长期地吸收大气 P M2 5 有待通过试验证明。由于 目前资料 的空 白性 , 没有 有效 的参考 资料 能够推断影 响混凝
25、 土吸收 P M2 5 的因素 。 结合混凝土特性 。 笔者认 为混凝土孔结构 是影 响 P M2 5吸收性的一个重要因素。 ( 2 ) 外部环境因素对 P M2 5吸收性的影响。混 凝土吸收 P M2 5受到外部因素与 内部 因素的影响 内部 因素为混凝土 自身孔结构 、 干燥程度 、 龄期 等 自身特性。 外部 因素为环境温度、 湿度、 P M2 5浓度 、 P M2 5成分等 相关因素随着地域、 季节因素的改变 而改变。探明外部环境因素对混凝土吸收 P M2 5的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 濮琦 , 姚燕 , 王玲, 等 混凝土对大气 P M2 5吸
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- 混凝土 大气 PM2 吸收性 影响 研究进展
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