徐 超,趙 帥,袁巧霞※,張 鑫,高 勇,宋 娜
(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,武漢 430070;2. 農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,武漢 430070;3. 武漢光谷藍焰新能源股份有限公司,武漢 430072;4. 湖北海圖園藝景觀工程有限公司,武漢 430070)
根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》,到2017年底,中國的城市化率為58.52%[1],城市建筑面積在不斷擴張。在此背景下,降雨造成的大量城市徑流會導(dǎo)致嚴重的積水、水質(zhì)惡化和熱浪等問題[2-3]。另一方面,經(jīng)濟的快速發(fā)展促使二氧化碳排放量逐年增加,間接加劇了溫室效應(yīng)[4]。屋頂綠化作為城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施,可有效解決上述問題[5]?;|(zhì)是影響屋頂綠化系統(tǒng)綜合性能最為關(guān)鍵的因素,不僅可為植物根系水、氣和養(yǎng)分等提供運輸功能,還可作為植物地下部的物理支撐[6]。然而草炭等傳統(tǒng)散體基質(zhì)存在施工難度大、材料成本高的問題,一些學(xué)者通過生物質(zhì)成型技術(shù)將農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等廢棄物壓縮制成基質(zhì)塊,在取得較好育苗效果的同時,還具有一定的抗破壞強度[7]。而屋頂綠化成型基質(zhì)面積較大,對抗破壞強度要求較高,且壓縮型基質(zhì)的孔隙率與抗破壞強度具有較難調(diào)和的矛盾:基質(zhì)塊的抗破壞強度越高,其成型密度就越高,孔隙度相應(yīng)越低,不利于植物根系的水、氣和養(yǎng)分運輸?;|(zhì)底部加強層作為屋頂綠化基質(zhì)的承重層,其引入可有效提升屋頂綠化基質(zhì)的抗破壞能力、降低對種植層的強度要求,有利于屋頂綠化的機械化裝配施工,減少施工過程中的破損率[5]。
生物質(zhì)在熱化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生大量的生物質(zhì)灰,具有火山灰活性、可循環(huán)利用等特點[8-9]。隨著熱解工業(yè)的迅速發(fā)展,生物質(zhì)灰的大量積累成為行業(yè)發(fā)展的限制因素之一[10]。研究表明,生物質(zhì)灰能提高混凝土的早期強度,改善混凝土自身的導(dǎo)熱性,并且提高試樣的耐久性[11-12]。另一方面,秸稈纖維由于具有較高的機械韌性,已被用來改善和提高混凝土的韌性[13],因此也具備提升成型基質(zhì)強度的潛能。而污泥中由于含有菌膠團分泌的大量粘性多糖物質(zhì),具有一定的粘性[14],亦有利于基質(zhì)成型。若將生物質(zhì)灰為主要原料,秸稈、污泥為輔料,壓縮為基質(zhì)加強層,可提高基質(zhì)抗破壞能力。生物質(zhì)灰的壓縮成型與生物質(zhì)相似,其產(chǎn)品品質(zhì)受多種因素共同影響,內(nèi)因主要考慮原材料配合比、含水率等,外因需考慮粘結(jié)劑、成型溫度、壓力和保壓時間等成型工藝參數(shù)[15-18]。
基于上述情況,本文以生物質(zhì)灰為主要原材料,輔以秸稈和污泥等廢棄物,分別從粘結(jié)劑、配合比以及成型工藝參數(shù)3個方面對基于生物質(zhì)灰的屋頂綠化基質(zhì)加強層進行優(yōu)化,較為全面地評估這些因素對基質(zhì)加強層強度的影響,為解決屋頂綠化基質(zhì)的運輸問題、推進生物質(zhì)灰等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用、優(yōu)化基質(zhì)加強層壓縮工藝參數(shù)提供新思路和試驗基礎(chǔ)。
生物質(zhì)灰由武漢光谷藍焰新能源股份有限公司提供,燃燒原材料為楊木和松木,粉碎后過70目篩(孔徑0.22 mm)備用;小麥秸稈收獲自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田,風(fēng)干1周后,用鍘刀切為長度為15 cm左右的短桿備用;污泥取自湖北省武漢市東西湖污水處理廠,風(fēng)干1周后,粉碎過70目篩(孔徑0.22 mm)備用。主要原材料基本性質(zhì)如表1所示。
表1 屋頂綠化基質(zhì)加強層主要原材料基本性質(zhì) Table 1 Basic properties of main raw materials of green roof substrate reinforcement layer
1.2.1 粘結(jié)劑
4種粘結(jié)劑分別為:木質(zhì)素(M0010型,購于安徽省文藝試驗耗材)、黃原膠(Ziboxian 9570,購于鄂爾多斯市中軒生化股份有限公司)、羧甲基纖維素鈉(Carboxymethylcellulose Sodium,CMC-Na)(FH9中粘耐酸型,購于上海申光食用化學(xué)品有限公司)和瓊脂(LV-Q2型,購于福建省綠麒食品膠體有限公司)。
1.2.2 成型模具
成型模具自行設(shè)計并加工(圖1),由壓桿、套筒、底座3部分組成,為鑄鐵材質(zhì),其中小模具設(shè)計成型層平面尺寸為40 mm×40 mm,用于粘結(jié)劑配合比優(yōu)選;大模具設(shè)計成型層平面尺寸(套筒內(nèi)長寬)為200 mm×200 mm,底部鋪設(shè)加熱帶用于控制成型溫度,此模具用于工藝參數(shù)優(yōu)化試驗。
1.2.3 儀器與設(shè)備
微機控制電液伺服萬能試驗機(上海百若試驗儀器有限公司,壓力上限600 kN);TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀(美國FTC公司);硅橡膠加熱帶(加熱功率80 W),智能溫控器(上海臣源泵業(yè)科技有限公司);OHG- 9243B5-Ш型烘箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司);MZC-2070M1型微波爐(青島海爾成套加電服務(wù)有限公司)。
1.3.1 粘結(jié)劑及其添加比例的選擇
本節(jié)主要考察在常規(guī)壓縮條件下粘結(jié)劑對生物質(zhì)灰成型后抗破壞強度性能的提升效果,為后續(xù)的配合比及工藝參數(shù)優(yōu)化確定適合的粘結(jié)劑及添加比例。以生物質(zhì)灰為主要原材料,粘結(jié)劑添加質(zhì)量分數(shù)上限設(shè)置應(yīng)在保證基質(zhì)塊強度的基礎(chǔ)上使基質(zhì)塊具有一定的松弛比,經(jīng)預(yù)試驗確定添加質(zhì)量分數(shù)上限為6%,因此本研究分別單獨添加質(zhì)量分數(shù)為2%、4%、6%的上述4種粘結(jié)劑(木質(zhì)素、黃原膠、CMC-Na和瓊脂),以未添加的1組作為對照,進行雙因素試驗。將生物質(zhì)灰與粘結(jié)劑充分混合均勻后調(diào)節(jié)含水率至統(tǒng)一水平,含水率設(shè)置應(yīng)在保證壓縮過程中水分無析出的基礎(chǔ)上使得基質(zhì)可成型,經(jīng)預(yù)試驗確定含水率為25%。在預(yù)試驗中根據(jù)模具大小確定取25 g混合料放入專用于粘結(jié)劑優(yōu)選的小模具(圖1b)進行壓縮成型,經(jīng)預(yù)試驗確定成型壓力50 kN,保壓時間4 min?;|(zhì)塊脫模后使用質(zhì)構(gòu)儀進行抗彎、抗剪強度測試。
1)抗彎強度:采用三點抗彎測試法[19],對于矩形截面的試樣,其抗彎強度為
式中σf為抗彎強度,N/mm2;P為試樣斷裂時的負荷值,N;l為支架兩支點間的距離,mm;b為試樣截面寬,mm;h為試樣高度,mm。
由于主料生物質(zhì)灰質(zhì)量占比94%~100%,且各組壓縮力和保壓時間一致,因此壓塊成品物理尺寸基本一致。由式(1)可知,當(dāng)試樣尺寸相同時,σf與P成正比,因此可用基質(zhì)加強層的斷裂負荷力反映其抗彎強度。
2)抗剪強度:材料產(chǎn)生剪斷時的極限強度,即剪切面上形成的剪切力與破壞面積之比[20]
式中fv為抗剪強度,N/mm2;N為試樣在剪切方向斷裂時的負荷值,N;A為試樣在剪切方向的橫截面積,mm2。
由于基質(zhì)加強層成品物理尺寸基本一致,同理可用試樣的最大剪切力代表抗剪強度。
1.3.2 基質(zhì)加強層配合比優(yōu)化
本研究目的在于以生物質(zhì)灰為主要原材料制得基質(zhì)加強層,生物質(zhì)灰添加比例下限應(yīng)不低于秸稈與污泥比例之和,上限為純生物質(zhì)灰,因此生物質(zhì)灰限制添加體積范圍50%~100%;小麥秸稈和污泥作為提升加強層抗破壞強度的輔料,限制添加比例之和應(yīng)不高于生物質(zhì)灰,因此限制添加體積范圍均為0~50%,此添加比例經(jīng)預(yù)試驗驗證可行。粘結(jié)劑以1.3.1中優(yōu)選的種類與比例添加,采用單純形重心設(shè)計的三元混料設(shè)計試驗[21],響應(yīng)值分別為抗彎強度、抗剪強度和松弛密度,利用Minitab17進行三元混料設(shè)計,試驗設(shè)計如表2所示。
表2 單純形重心設(shè)計的三元混料設(shè)計 Table 2 The simplex-centroid design of ternary mixture design
松弛密度:成型基質(zhì)塊脫模后靜置24 h,待尺寸松弛穩(wěn)定后利用游標(biāo)卡尺測得基質(zhì)塊長、寬和高(cm),算出松弛后體積(cm3),進而計算松弛密度
式中D為松弛密度,g/cm3;M為成型基質(zhì)塊質(zhì)量,g;V為基質(zhì)塊松弛后體積,cm3。
所有原材料含水率調(diào)節(jié)至25%,將生物質(zhì)灰和污泥按表2比例充分混合均勻后,先取整塊所需50%用量放入專用于加強層配合比優(yōu)化的大模具(圖1a)作為底層,以秸稈作為骨架夾層均勻鋪墊在中層,最后加入剩余50%的混料加入作為頂層。經(jīng)預(yù)試驗確定加強層總重600 g,成型壓力120 kN,保壓時間4 min。使用Minitab17對試驗結(jié)果進行Scheffe多項式的多元線性擬合[22],采用數(shù)學(xué)模型對其進行分析
式中Yi為預(yù)測值;βi為線性回歸一次項系數(shù);βij為線性回歸二次項系數(shù);βijk為線性回歸三次項系數(shù);xi、xj、xk為自變量。
1.3.3 關(guān)鍵壓縮工藝參數(shù)優(yōu)化
本試驗主要考察加熱溫度、成型壓力、原材料含水率、保壓時間和干燥方式5種因素,通過預(yù)試驗確定各因素上下限,每種因素下設(shè)4個水平,采用正交試驗,正交試驗設(shè)計表見表3。采用模糊綜合評價法對加強層的壓縮工藝效果進行評價,以加強層的抗破壞強度(抗彎、抗剪強度)為主要考察指標(biāo),同時引入與生產(chǎn)成本直接相關(guān)的干燥能耗作為次要考察指標(biāo),計算3種指標(biāo)的隸屬度后進行綜合分的計算
式中wi為各指標(biāo)隸屬度,Ii為第i組試驗觀測值,Imax為試驗觀測最大值,Imin為試驗觀測最小值。
式中s為綜合分,ti為指標(biāo)權(quán)重,i=1為抗彎強度,i=2為抗剪強度,i=3為干燥能耗。
表3 正交試驗設(shè)計表 Table 3 Orthogonal design table
生物質(zhì)灰主要由金屬氧化物以及二氧化硅等無機化合物組成[23],分子間缺乏氫鍵等具有粘合力的化學(xué)鍵,且顆粒塑化能力差,顆粒間無法形成嵌合結(jié)構(gòu),故自身成型能力低,無粘結(jié)劑的對照組抗剪強度和抗彎強度分別僅為10.8和12.9 N。成型加強塊的抗剪強度和抗彎強度變化趨勢基本一致,如圖2所示。木質(zhì)素添加組對于提升加強層的抗破壞能力效果最差,6%木質(zhì)素添加量對抗剪強度和抗彎強度分別僅提升29.5和41.6 N,這是由于本組試驗在25 ℃常溫下進行,而含水率為25%木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在70 ℃左右[24],未進行玻璃化轉(zhuǎn)變的木質(zhì)素粘結(jié)性能較為一般。對加強層抗破壞能力提升效果最突出的為黃原膠和CMC-Na組,其中黃原膠添加比例為4%時達到峰值(抗剪強度366.6 N,抗彎強度373.8 N),其中抗剪強度提升效果最好,比對照提升355.8 N(約32.94倍),抗彎強度較對照提升了360.9 N(27.98倍);CMC-Na則在6%達到峰值(抗剪強度351.2 N,抗彎強度409.3 N),這是由于黃原膠和CMC-Na中均含有大量羥基,羥基間可形成大量氫鍵以增強分子間引力[25-26]。考慮到粘結(jié)劑的成本,CMC-Na每500 g成本高出黃原膠5元,因此后續(xù)試驗選取添加比例為4%黃原膠作為粘結(jié)劑。
屋頂綠化基質(zhì)不僅需要質(zhì)量輕巧以降低建筑物的荷載,還應(yīng)具有較薄的厚度[27],這就要求加強層需具有較高的松弛密度。而為了降低成型塊在運輸過程中的破損率,也必須提升其橫向抗彎和縱向抗剪能力。本試驗中加強層松弛密度最大值為1.91 g/cm3(表4),此時污泥添加比例為最大值1/2,而秸稈添加比例為最小值0??箯潖姸群涂辜魪姸鹊淖畲笾党霈F(xiàn)在添加比例為生物質(zhì)灰:小麥秸稈:污泥=4∶1∶1(干物質(zhì)量之比12.42∶1∶2.14)的組別,分別為93.1和38.4 N;最小值出現(xiàn)在生物質(zhì)灰:小麥秸稈:污泥=1∶0∶0的組別,分別為38.5和19.7 N。雖然試驗組極值可較為直觀地得出在試驗觀測條件下最優(yōu)松弛密度和抗破壞強度的成分配合比,避開最不利于基質(zhì)加強層的配合比,而實際最優(yōu)配合比則可能出現(xiàn)在試驗設(shè)計之外的組別,需在已有的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型尋求配合比最優(yōu)解。
對表4中加強層的松弛密度、抗彎強度和抗剪強度試驗觀測數(shù)值進行Scheffe三元二次多項式擬合,其擬合系數(shù)R2均高于97%(表5),表明所建立的模型均可較好地預(yù)測加強層的松弛密度、抗彎強度和抗剪強度。其中松弛密度模型方程中一次系數(shù)最高為污泥項(4.2),從等勢面圖也可看出松弛密度隨著污泥添加比例的升高而升高,隨秸稈添加比例的升高而降低(圖3a),這主要是由于污泥自身容重較高具有一定的粘性,而秸稈容重較低且粘性較差,且秸稈絲具有一定彈性,在干燥后易恢復(fù)形變,可塑性較低[28]。抗彎強度模型方程中一次系數(shù)最高為生物質(zhì)灰項(36.3),最低為秸稈項(-152.0),而二次系數(shù)則顯著較高(196~451),這表明原材料配合比對于基質(zhì)加強層的抗破壞強度并不是單一線性影響,組分間具有交互作用。圖3b中等勢面的海拔最高點出現(xiàn)在三角圖重心附近,而生物質(zhì)灰最低添加比例為0.5,秸稈和污泥最低添加比例為0,因此就單成分而言,可以判定生物質(zhì)灰在提升加強層抗彎強度中為主導(dǎo)地位;對于雙組分的交互作用而言,二次項x1x2和x2x3系數(shù)分別達到451和372,表明秸稈和生物質(zhì)灰配合能較好地提升加強層抗彎強度,其次為秸稈和污泥的配合,這主要是由于小麥秸稈絲韌性較強,其作為骨架穿插于生物質(zhì)灰和污泥顆粒間可明顯提升混合料的抗斷裂能力??辜魪姸饶P椭幸渤霈F(xiàn)類似情況(表5),這表明抗剪強度主要由秸稈和污泥共同影響(系數(shù)197.2)。不同點在于,相比于抗彎強度模型,抗剪強度中秸稈一次項x2的系數(shù)絕對值(39.8)并不是遠高于生物質(zhì)灰x1(19.4)和污泥x3(11.3),且x1x2和x2x3系數(shù)遠高于x1x3,因此提升加強層抗剪強度的主導(dǎo)因素為秸稈與其他成分的交互作用,這也是圖3c等勢面海拔最高點偏向秸稈項的原因。
表4 基質(zhì)加強層配合比優(yōu)化試驗設(shè)計與結(jié)果 Table 4 The experimental design and results of formulation optimization of substrate reinforcement layer
利用試驗結(jié)果所建立的優(yōu)化模型(表5)對最優(yōu)體積比 進行計算優(yōu)化,使用Minitab中的混料優(yōu)化器對上述優(yōu)化模型(三元二次方程組)進行求解,求解限制條件為:以試驗組中3種指標(biāo)的最大值為期望值(松弛密度Y1max=1.91 g/cm3,抗彎強度Y2max=93.1 N,抗剪強度Y3max= 38.4 N),參照楊龍元等人對物料權(quán)重賦值的方法[29],賦予生物質(zhì)灰、小麥秸稈和污泥相等權(quán)重。優(yōu)化結(jié)果表明,生物質(zhì)灰、小麥秸稈和污泥三者最優(yōu)體積比為0.6010∶0.1995∶0.1995,近似為3∶1∶1(干物質(zhì)量之比9.31∶1∶2.14),此配比即為后續(xù)壓縮工藝參數(shù)優(yōu)化試驗中的原材料配合比。
表5 松弛密度和抗破壞強度模型的R2和調(diào)整R2 Table 5R2 and adjusted R2 of relaxation density model and anti-vandalism model
基質(zhì)加強層的抗破壞強度受各項壓縮成型工藝參數(shù)綜合影響,正交試驗的極差分析法可確定影響目標(biāo)結(jié)果的各因素的主次順序[30]。由于加強層的最大抗彎強度和最大抗剪強度表現(xiàn)出顯著線性相關(guān)(R2=0.98,P<0.05),故不單獨進行討論。據(jù)表6中的抗剪強度計算出各因素下的均值及均值極差(表7),各因素對于加強層最大抗彎強度產(chǎn)生的極差均值由大到小分別為含水率(81.73 N)、干燥方式(40.73 N)、成型溫度(35.80 N)、成型壓力(18.33 N)和保壓時間(15.75 N)。這是由于適量水分有助于溶解粘結(jié)劑,且可在灰分顆粒間搭建氫鍵增強結(jié)合強度,而過多水分則會弱化顆粒表面的粘附力[31],造成加強層抗破壞強度降低,故含水率為主要影響因素。干燥方式主要通過影響加強層在脫水階段的溫度和脫水速率而間接影響加強層的抗破壞強度,其中微波烘干組中加強層的抗彎強度均值達101.93 N(表 6),高于其他干燥方式組均值,最大值可達169.8 N(第7組,表6),主要是因為微波可加速水分子的熱運動,有利于粘結(jié)劑的快速固化膠著。由于生物質(zhì)灰是在高溫煅燒下產(chǎn)生的,相對較低的成型溫度(20~80 ℃)對生物質(zhì)灰顆粒在成型過程中不會產(chǎn)生顯著影響,而作為粘結(jié)劑的黃原膠則對溫度較為敏感,因此成型溫度和干燥方式同為次要影響因素,均值極差較含水率分別下降45.93和41.00 N(表7)。成型壓力及其保壓時間對加強層強度影響較低,均值極差分別僅為18.33N和15.75N,主要是由于生物質(zhì)灰和污泥作為主要原材料成分,二者占比高達80%,而生物質(zhì)灰顆粒本身可壓縮性較低,可壓縮性較強的秸稈占比僅20%??蓧嚎s性較低的物質(zhì)在壓縮成型過程中以塑性形變?yōu)橹?,而可壓縮性較強的物質(zhì)則需達到其彈性形變極限后才開始進行塑性形變[32],前者蠕變所需時間較低,對于壓力和保壓時間的響應(yīng)程度弱于后者。因此在滿足基本成型條件下(80 kN,2 min),提升壓力強度和時間對于加強層抗破壞強度的提升并不明顯。
模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法,可根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價[29]。由于因素和指標(biāo)的多樣化,逐一評價會造成評價結(jié)果的多樣化,需確定適用于本試驗的統(tǒng)一評價方法。本試驗采用頻率統(tǒng)計法(專家經(jīng)驗法)對指標(biāo)權(quán)重進行賦值,由5位具有正高級職稱的專家對指標(biāo)權(quán)重進行綜合評判,以加強層抗破壞強度為主要考察對象,分別賦予抗彎強度、抗剪強度0.4權(quán)重值,而干燥能耗為次要考慮對象,賦予0.2權(quán)重值,計算指標(biāo)隸屬度后,最終得出試驗第7組綜合分最高(0.83),表明試驗組中第7組壓縮工藝最優(yōu),但此最優(yōu)組合為局部最優(yōu),而非全局最優(yōu),通過SPSS軟件的正交試驗方差分析得出基質(zhì)加強層的全局最優(yōu)壓縮成型工藝參數(shù)為含水率25%,成型溫度80 ℃,成型壓力120 kN,保壓時間5 min,采用烘箱恒溫干燥,在此條件下進行加強層的抗破壞強度驗證試驗,結(jié)果表明抗彎強度和抗剪強度分別為184.6和162.7 N,比表6中抗破壞強度最高的第7組高出14.8和13.1N,證明所優(yōu)化的壓縮成型工藝參數(shù)具有可行性。
表6 加強層成型試驗結(jié)果分析 Table 6 Analysis of test results for molding experiment of reinforcement layer
表7 加強層抗彎強度在各因素下的均值和極差 Table 7 Mean and range of the flexural strength of the reinforcement layer under various factors
1)對加強層粘結(jié)劑的優(yōu)選進行了雙因素試驗,相比于木質(zhì)素、羧甲基纖維素鈉和瓊脂,添加比例為4%的黃原膠可較大程度提升生物質(zhì)灰成型塊的抗剪強度(比對照提升355.8 N,約32.94倍),且成本低于具有相似效果的羧甲基纖維素鈉。
2)對加強層配合比進行了單純形重心三元混料試驗,并對結(jié)果進行了Scheffe多項式模擬,松弛密度的主要影響成分為秸稈(系數(shù)4.2),抗彎強度主要由生物質(zhì)灰和秸稈共同影響(系數(shù)451),抗剪強度主要由秸稈和污泥共同影響(系數(shù)197.2),優(yōu)化配比結(jié)果為生物質(zhì)灰、小麥秸稈和污泥體積比3∶1∶1(干物質(zhì)量之比9.31∶1∶2.14)。
3)對加強層壓縮工藝參數(shù)進行了五因素四水平的正交試驗,各因素對加強層抗破壞強度的影響主次順序從大到小依次為含水率、干燥方式、成型溫度、成型壓力和保壓時間。最優(yōu)壓縮工藝參數(shù)為混合原材料含水率25%,成型溫度80 ℃,成型壓力120 kN,保壓時間5 min,105 ℃恒溫加熱烘干,此時加強層的抗彎強度和抗剪強度分別為184.6 和162.7 N。
本研究針對基質(zhì)加強層的原材料配合比和壓縮工藝參數(shù)進行了試驗探索,后續(xù)可針對加強層與種植層的結(jié)合工藝進行研究。