湿热地区生物炭透水混凝土的热湿性能.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering湿热地区生物炭透水混凝土的热湿性能吴维1,谭康豪1,张云寒2,汪俊松3(1.广西大学 土木建筑工程学院;工程防灾与结构安全教育部重点实验室,南宁 530004;2.北京工业大学 建筑工程学院,北京 100044;3.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510640)摘要:透水混凝土因丰富的孔隙结构而具有良好的渗透和调湿性能,不仅能渗透降雨以减少地表径流,还能在内部
2、截留一定的水分并通过水分蒸发降低表面温度。为提高透水混凝土的保水性以延长其降温效果,利用农业废弃物制成生物炭作为保水填料,并按照一定质量比取代水泥,制备出生物炭透水混凝土,分析生物炭对透水混凝土力学性能的影响,进而在最佳取代率下探讨生物炭对透水混凝土的热物参数和吸水蒸发降温性能的影响。结果表明:当生物炭取代率小于 5.0%时,研磨后的超细炭颗粒可以充分发挥填充和内固化效应,有效提高透水混凝土的力学性能;生物炭的掺入对其发射率影响并不显著,但降低了反射率和导热系数;生物炭具有较高的比表面积和丰富的孔隙,添加到透水混凝土后能显著提高其毛细吸水能力和保水能力,而额外吸收的水分能有效降低其表面温度 3
3、6,维持 1418 h的蒸发冷却效果。关键词:农业废弃物;生物炭;透水混凝土;保水能力;蒸发降温中图分类号:TU528.1 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)04-0173-09Hygrothermal properties of biochar-modified pervious concrete in hot and humid areaWU Wei1,TAN Kanghao1,ZHANG Yunhan2,WANG Junsong3(1.School of Civil Engineering and Architecture;Key Laboratory of Dis
4、aster Prevention and Engineering Safety of Guangxi,Guangxi University,Nanning 530004,P.R.China;2.College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100044,P.R.China;3.State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology,Guangzh
5、ou 510640,P.R.China)Abstract:Pervious concrete has good permeability and moisture adjustment properties due to its rich pore structure.It can not only penetrate rainfall to reduce surface runoff,but also retain a certain amount of water inside then via evaporation to decrease surface temperature.In
6、order to improve the water retention of pervious concrete and prolong its cooling effect,this study introduced a modified method of incorporating biochar produced by pyrolyzing agricultural wastes into pervious concrete as hygroscopic filler.The effects of biochar on the mechanical properties of per
7、vious concrete were analyzed,then the thermophysical properties,water DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2021.171收稿日期:20210419基金项目:国家自然科学基金(51678243、51678164);广西研究生教育创新计划资助项目(YCBZ2021022)作者简介:吴维(1993-),男,主要从事建筑材料与节能研究,E-mail:。谭康豪(通信作者),男,博士,E-mail:。Received:20210419Foundation items:National Natural Scien
8、ce Foundation of China(No.51678243,51678164);The Innovation Project of Guangxi Graduate Education(No.YCBZ2021022)Author brief:WU Wei(1993-),main research interests:building materials and energy saving,E-mail:.TAN Kanghao(corresponding author),PhD,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英
9、 文)absorption properties and evaporative cooling performance of biochar-modified pervious concrete with the optimum replacement rate were studied.The results show that the carbonaceous particles after grinding could fully exert the filling and internal curing effects when the replacement rate was le
10、ss than 5.0%,and effectively improve the mechanical strength of pervious concrete.It was found that the biochar addition had little impact on the emissivity of pervious concrete,while significantly reduced the reflectivity and thermal conductivity.Contributing to the abundant micro-pores and higher
11、specific surface area of biochar particles,it could improve capillary water absorption and water storage ability of pervious concrete.During the evaporation process,the water absorption increment could effectively reduce surface temperature of 3-6 and maintain evaporation cooling effect for 14-18 h.
12、Keywords:agricultural wastes;biochar;pervious concrete;water storage;evaporation cooling城市规模的不断扩大导致城市下垫层过度人工化,破坏了原有天然土壤界面与大气间的热湿交换平衡1-3。现有路面多为沥青、混凝土、石板或水泥砖等不透水材料,丧失了对地表温度和湿度的调节能力4。加上混凝土的热惰性,不透水路面白天吸收的热量在夜晚以长波辐射形式释放出来,导致近地面空气平均气温升高,进一步加剧了城市热岛效应5-6。由于路面占据了 15%30%的城市面积,运用冷却路面的方法降低城市热岛效应成为城市热环境研究的热点7-9。
13、与不透水混凝土铺装相比,透水混凝土材料及构造层中含有连通孔隙,内部可以储存一定水分,在太阳辐射、空气温度、湿度和风速的综合作用下,以水蒸气的形式将内部热量转化为潜热热量散发到室外环境中,降低了铺装表面温度,从而抑制周围空气温度上升。而湿热地区夏季高温、天然降雨较多且季风旺盛的气象特点为上述蒸发降温过程的发生提供了先决的自然条件。以湿热地区的典型代表城市广州为例,夏季太阳辐射照度日总量值约为 7 318 W/m2,可为蒸发过程提供充足的能量来源;夏季降雨量丰沛,年平均降雨量约为 1 694 mm。该地区年蒸发量水平低于降雨水平,应 用 气 候 资 源 实 现 被 动 蒸 发 冷 却 技 术 值
14、得推广10。然而,传统路面所用透水混凝土的孔隙粒径较大,造成雨水渗透速率过快而不能有效地将雨水储存于面层中,导致热天后期蒸发降温能力严重不足3。为了提高其保水性能,以延长降温效果,常见的改善措施有:优化多孔结构设计;提供有效水源补充;掺入高吸水性填料。在优化设计方面,Bao等11和 Qin 等12通过封闭透水混凝土的四周和底部,并在材料内部插入与铺装材料厚度等高的溢水管,在保证水分渗透的同时,又能截留足够多的水分,以 供 蒸 发 降 温。在 有 效 水 源 补 充 方 面,Yamagata 等13对东京地区的透水铺装进行了淋水降温试验,并对比观测了路面温度、湿度及暑热压力指数(WBGT)。研究
15、发现,有淋水的情况下,相比草地区域,路面温度白天降低了 8,夜晚降低了3。在高吸水性填料方面,姜骞等14发现,纳米二氧化硅具有高比表面积,易吸附自由水,能促进浆体在透水混凝土中的竖直分布,提高连通孔隙率和透水系数。此外,高吸水性填料如多孔陶瓷15、高炉矿渣16、硅灰和粉煤灰17-18在多次吸水后仍具有较好的保水性能,降温效果更持久。因此,掺入高吸水性填料是提高透水混凝土路面蒸发降温性能的最有效途径之一。生物炭(Biochar,BC)是在缺氧条件下由废弃生物质高温裂解而成的富碳固体产物,因能提高土体的保水能力、降低土壤密实度而被广泛应用于土壤改良领域19-20。最近,研究发现,生物炭作为一种替代
16、水泥的辅助胶凝材料,部分掺入混凝土可发挥填充和内固化效应,提高胶凝材料的力学性能和耐久性,成为一种潜在的碳捕捉和封存技术21-23。生物炭因其较大的孔隙度和超高的比表面积而具有良好的保水能力,若能以透水混凝土作为母体材料,结合一定量的生物炭粉末作为保水材料,制备生物炭透水混凝土,不仅可提高透水混凝土的蒸发降温效果,还可将碳元素以稳定态的形式存储在胶凝材料中,以达到固碳减排的目的,从而实现双赢。笔者以木屑和米糠两种生物质为原料制备生物炭,并取代部分水泥制备生物炭透水混凝土。分析生物炭取代率及类型对透水混凝土力学性能的影响,在确定最佳取代率的前提下,研究生物炭透水混凝土的反射率、发射率、导热系数、
17、孔隙率、吸水特征和蒸发降温效果。1试验1.1原材料制备及表征水泥采用 42.5 级海螺牌普通硅酸盐水泥。粗骨料为粒径 510 mm 的玄武岩碎石,表观密度为2 760 kg/m3,细骨料为细度模数 2.9 的中砂。选取木屑和米糠为原料,在实验室自制生物炭。在制备过程中,首先将这 2 种生物质原料烘干、粉碎,筛选后于 70 下干燥 24 h。然后将这些生物质装入坩埚并放置于控温马弗炉内,以 10/min的升温速率加热到 500,保温 2 h使其完全碳化,冷却后取出,即得到经过高温裂解碳化的生物炭。最后将其机械研磨 30 min,过 100 目筛网后贮存在干燥箱中备用。通过 Master 3000
18、 激光粒度分析仪测试机械研磨后的生物炭颗粒粒径分布。如图 1 所示,两种生物炭粒径均主要分布于 1100 m 之间,且 50%的米糠生物炭(RBC)和 42%的木屑生物炭(WBC)粒径小于 10 m。二者粒径均小于水泥颗粒,意味着这些炭颗粒易填充于水泥砂浆之间的孔隙。图 2 为RBC 和 WBC 颗粒的 SEM 微观图。可以看出,两种生物炭颗粒表面呈现出丰富的孔隙结构,这些孔隙结构有利于细小颗粒的吸附,使其具有较强的毛细吸水能力。其中,RBC 颗粒具有细长且均匀的孔结构,而 WBC 颗粒的孔隙为蜂窝状的连续圆孔,孔径范围均在 1030 m 之间。结合能谱仪(EDS)分析两种生物炭的化学成分发现
19、,RBC 和 WBC 的 O/C比分别为 0.16 和 0.13,一般情况下,O/C 原子摩尔比小于 0.2的生物炭稳定性较佳,据估算,其半衰期可超过千年24,这也意味着两种生物炭掺入混凝土内部可以保持较长时间的稳定。1.2透水混凝土配合比设计根据 透水水泥混凝土路面技术规程(CJJ/T 1352009)25设计控制组透水混凝土基准配合比,在此基础上将生物炭按 1%、3%、5%、8%质量取代水泥制备透水混凝土,水胶比为 0.40,砂率为 10%,具体配合比见表 1。1.3试验方法1.3.1基本力学和物理性能透水混凝土采用手工振捣和平板振动相结合的方式制作成型,成型后用保鲜膜覆盖试块,24 h后
20、拆模,在标准养护室中养护 28 d。达到养护龄期后,分别对试件开展力学性能、吸水性能和热物性能试验,热物性能主要包括反射率、发射率和导热系数。采用的相关试验方法、标准及所需试件如表 2所示。1.3.2风洞蒸发降温试验蒸发降温试验平台选择华南理工大学自主研发的可高质量复现气象参数环境的热湿气候风洞试验台,风洞的具体设计参数见文献30-31。为尽可能消除室外气象条件对图 2生物炭颗粒的 SEM 图Fig.2SEM micrograph of pulverized biochars图 1普通硅酸盐水泥和生物炭颗粒的粒度分布Fig.1Particle size distribution of pulv
21、erized biochar and ordinary Portland cement表 1透水混凝土配合比Table 1Mix proportions of pervious concrete174第 4 期吴维,等:湿热地区生物炭透水混凝土的热湿性能木屑和米糠为原料,在实验室自制生物炭。在制备过程中,首先将这 2 种生物质原料烘干、粉碎,筛选后于 70 下干燥 24 h。然后将这些生物质装入坩埚并放置于控温马弗炉内,以 10/min的升温速率加热到 500,保温 2 h使其完全碳化,冷却后取出,即得到经过高温裂解碳化的生物炭。最后将其机械研磨 30 min,过 100 目筛网后贮存在干燥箱
22、中备用。通过 Master 3000 激光粒度分析仪测试机械研磨后的生物炭颗粒粒径分布。如图 1 所示,两种生物炭粒径均主要分布于 1100 m 之间,且 50%的米糠生物炭(RBC)和 42%的木屑生物炭(WBC)粒径小于 10 m。二者粒径均小于水泥颗粒,意味着这些炭颗粒易填充于水泥砂浆之间的孔隙。图 2 为RBC 和 WBC 颗粒的 SEM 微观图。可以看出,两种生物炭颗粒表面呈现出丰富的孔隙结构,这些孔隙结构有利于细小颗粒的吸附,使其具有较强的毛细吸水能力。其中,RBC 颗粒具有细长且均匀的孔结构,而 WBC 颗粒的孔隙为蜂窝状的连续圆孔,孔径范围均在 1030 m 之间。结合能谱仪(
23、EDS)分析两种生物炭的化学成分发现,RBC 和 WBC 的 O/C比分别为 0.16 和 0.13,一般情况下,O/C 原子摩尔比小于 0.2的生物炭稳定性较佳,据估算,其半衰期可超过千年24,这也意味着两种生物炭掺入混凝土内部可以保持较长时间的稳定。1.2透水混凝土配合比设计根据 透水水泥混凝土路面技术规程(CJJ/T 1352009)25设计控制组透水混凝土基准配合比,在此基础上将生物炭按 1%、3%、5%、8%质量取代水泥制备透水混凝土,水胶比为 0.40,砂率为 10%,具体配合比见表 1。1.3试验方法1.3.1基本力学和物理性能透水混凝土采用手工振捣和平板振动相结合的方式制作成型
24、,成型后用保鲜膜覆盖试块,24 h后拆模,在标准养护室中养护 28 d。达到养护龄期后,分别对试件开展力学性能、吸水性能和热物性能试验,热物性能主要包括反射率、发射率和导热系数。采用的相关试验方法、标准及所需试件如表 2所示。1.3.2风洞蒸发降温试验蒸发降温试验平台选择华南理工大学自主研发的可高质量复现气象参数环境的热湿气候风洞试验台,风洞的具体设计参数见文献30-31。为尽可能消除室外气象条件对(a)米糠生物炭(b)木屑生物炭图 2生物炭颗粒的 SEM 图Fig.2SEM micrograph of pulverized biochars图 1普通硅酸盐水泥和生物炭颗粒的粒度分布Fig.1
25、Particle size distribution of pulverized biochar and ordinary Portland cement表 1透水混凝土配合比Table 1Mix proportions of pervious concrete编号CKRBC-PCWBC-PC取代率/%013581358水泥/(kgm3)400396388380368396388380368粗骨料/(kgm3)1 3501 3501 3501 3501 3501 3501 3501 3501 350细骨料/(kgm3)150150150150150150150150150水/(kgm3)100
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