濕熱地區(qū)生物炭透水混凝土的熱濕性能

吳維 ,譚康豪 ,張云寒 ,汪俊松

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院；工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004；2.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100044；3.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣州 510640）

城市規(guī)模的不斷擴大導(dǎo)致城市下墊層過度人工化，破壞了原有天然土壤界面與大氣間的熱濕交換平衡[1-3]?，F(xiàn)有路面多為瀝青、混凝土、石板或水泥磚等不透水材料，喪失了對地表溫度和濕度的調(diào)節(jié)能力[4]。加上混凝土的熱惰性，不透水路面白天吸收的熱量在夜晚以長波輻射形式釋放出來，導(dǎo)致近地面空氣平均氣溫升高，進一步加劇了城市熱島效應(yīng)[5-6]。由于路面占據(jù)了15%～30%的城市面積，運用冷卻路面的方法降低城市熱島效應(yīng)成為城市熱環(huán)境研究的熱點[7-9]。與不透水混凝土鋪裝相比，透水混凝土材料及構(gòu)造層中含有連通孔隙，內(nèi)部可以儲存一定水分，在太陽輻射、空氣溫度、濕度和風速的綜合作用下，以水蒸氣的形式將內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)化為潛熱熱量散發(fā)到室外環(huán)境中，降低了鋪裝表面溫度，從而抑制周圍空氣溫度上升。而濕熱地區(qū)夏季高溫、天然降雨較多且季風旺盛的氣象特點為上述蒸發(fā)降溫過程的發(fā)生提供了先決的自然條件。以濕熱地區(qū)的典型代表城市——廣州為例，夏季太陽輻射照度日總量值約為7 318 W/m2，可為蒸發(fā)過程提供充足的能量來源；夏季降雨量豐沛，年平均降雨量約為1 694 mm。該地區(qū)年蒸發(fā)量水平低于降雨水平，應(yīng)用氣候資源實現(xiàn)被動蒸發(fā)冷卻技術(shù)值得推廣[10]。

然而，傳統(tǒng)路面所用透水混凝土的孔隙粒徑較大，造成雨水滲透速率過快而不能有效地將雨水儲存于面層中，導(dǎo)致熱天后期蒸發(fā)降溫能力嚴重不足[3]。為了提高其保水性能，以延長降溫效果，常見的改善措施有：優(yōu)化多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計；提供有效水源補充；摻入高吸水性填料。在優(yōu)化設(shè)計方面，Bao等[11]和Qin 等[12]通過封閉透水混凝土的四周和底部，并在材料內(nèi)部插入與鋪裝材料厚度等高的溢水管，在保證水分滲透的同時，又能截留足夠多的水分，以供蒸發(fā)降溫。在有效水源補充方面，Yamagata 等[13]對東京地區(qū)的透水鋪裝進行了淋水降溫試驗，并對比觀測了路面溫度、濕度及暑熱壓力指數(shù)(WBGT)。研究發(fā)現(xiàn)，有淋水的情況下，相比草地區(qū)域，路面溫度白天降低了8 ℃，夜晚降低了3 ℃。在高吸水性填料方面，姜騫等[14]發(fā)現(xiàn)，納米二氧化硅具有高比表面積，易吸附自由水，能促進漿體在透水混凝土中的豎直分布，提高連通孔隙率和透水系數(shù)。此外，高吸水性填料如多孔陶瓷[15]、高爐礦渣[16]、硅灰和粉煤灰[17-18]在多次吸水后仍具有較好的保水性能，降溫效果更持久。因此，摻入高吸水性填料是提高透水混凝土路面蒸發(fā)降溫性能的最有效途徑之一。

生物炭（Biochar,BC）是在缺氧條件下由廢棄生物質(zhì)高溫裂解而成的富碳固體產(chǎn)物，因能提高土體的保水能力、降低土壤密實度而被廣泛應(yīng)用于土壤改良領(lǐng)域[19-20]。最近，研究發(fā)現(xiàn)，生物炭作為一種替代水泥的輔助膠凝材料，部分摻入混凝土可發(fā)揮填充和內(nèi)固化效應(yīng)，提高膠凝材料的力學(xué)性能和耐久性，成為一種潛在的碳捕捉和封存技術(shù)[21-23]。生物炭因其較大的孔隙度和超高的比表面積而具有良好的保水能力，若能以透水混凝土作為母體材料，結(jié)合一定量的生物炭粉末作為保水材料，制備生物炭透水混凝土，不僅可提高透水混凝土的蒸發(fā)降溫效果，還可將碳元素以穩(wěn)定態(tài)的形式存儲在膠凝材料中，以達到固碳減排的目的，從而實現(xiàn)雙贏。

筆者以木屑和米糠兩種生物質(zhì)為原料制備生物炭，并取代部分水泥制備生物炭透水混凝土。分析生物炭取代率及類型對透水混凝土力學(xué)性能的影響，在確定最佳取代率的前提下，研究生物炭透水混凝土的反射率、發(fā)射率、導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率、吸水特征和蒸發(fā)降溫效果。

1 試驗

1.1 原材料制備及表征

水泥采用42.5 級海螺牌普通硅酸鹽水泥。粗骨料為粒徑5～10 mm 的玄武巖碎石，表觀密度為2 760 kg/m3，細骨料為細度模數(shù)2.9 的中砂。選取木屑和米糠為原料，在實驗室自制生物炭。在制備過程中，首先將這2 種生物質(zhì)原料烘干、粉碎，篩選后于70 ℃下干燥24 h。然后將這些生物質(zhì)裝入坩堝并放置于控溫馬弗爐內(nèi)，以10 ℃/min 的升溫速率加熱到500 ℃，保溫2 h 使其完全碳化，冷卻后取出，即得到經(jīng)過高溫裂解碳化的生物炭。最后將其機械研磨30 min，過100 目篩網(wǎng)后貯存在干燥箱中備用。

通過Master 3000 激光粒度分析儀測試機械研磨后的生物炭顆粒粒徑分布。如圖1 所示，兩種生物炭粒徑均主要分布于1～100 μm 之間，且50%的米糠生物炭(RBC)和42%的木屑生物炭(WBC)粒徑小于10 μm。二者粒徑均小于水泥顆粒，意味著這些炭顆粒易填充于水泥砂漿之間的孔隙。圖2 為RBC 和WBC 顆粒的SEM 微觀圖?？梢钥闯?，兩種生物炭顆粒表面呈現(xiàn)出豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙結(jié)構(gòu)有利于細小顆粒的吸附，使其具有較強的毛細吸水能力。其中，RBC 顆粒具有細長且均勻的孔結(jié)構(gòu)，而WBC 顆粒的孔隙為蜂窩狀的連續(xù)圓孔，孔徑范圍均在10～30 μm 之間。結(jié)合能譜儀(EDS)分析兩種生物炭的化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，RBC 和WBC 的O/C比分別為0.16 和0.13，一般情況下，O/C 原子摩爾比小于0.2 的生物炭穩(wěn)定性較佳，據(jù)估算，其半衰期可超過千年[24]，這也意味著兩種生物炭摻入混凝土內(nèi)部可以保持較長時間的穩(wěn)定。

圖1 普通硅酸鹽水泥和生物炭顆粒的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of pulverized biochar and ordinary Portland cement

圖2 生物炭顆粒的SEM 圖Fig.2 SEM micrograph of pulverized biochars

1.2 透水混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009）[25]設(shè)計控制組透水混凝土基準配合比，在此基礎(chǔ)上將生物炭按1%、3%、5%、8%質(zhì)量取代水泥制備透水混凝土，水膠比為0.40，砂率為10%，具體配合比見表1。

表1 透水混凝土配合比Table 1 Mix proportions of pervious concrete

1.3 試驗方法

1.3.1 基本力學(xué)和物理性能 透水混凝土采用手工振搗和平板振動相結(jié)合的方式制作成型，成型后用保鮮膜覆蓋試塊，24 h 后拆模，在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。達到養(yǎng)護齡期后，分別對試件開展力學(xué)性能、吸水性能和熱物性能試驗，熱物性能主要包括反射率、發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)。采用的相關(guān)試驗方法、標準及所需試件如表2 所示。

表2 所有試件采用的相關(guān)試驗方法和標準Table 2 Relevant test methods and standards for all specimens

1.3.2 風洞蒸發(fā)降溫試驗 蒸發(fā)降溫試驗平臺選擇華南理工大學(xué)自主研發(fā)的可高質(zhì)量復(fù)現(xiàn)氣象參數(shù)環(huán)境的熱濕氣候風洞試驗臺，風洞的具體設(shè)計參數(shù)見文獻[30-31]。為盡可能消除室外氣象條件對多孔材料蒸發(fā)造成的影響，試驗過程采用穩(wěn)態(tài)工況進行。濕熱地區(qū)氣象參數(shù)設(shè)置參考廣州地區(qū)典型氣象[32]：太陽輻射600 W/m2、相對濕度60%、風速1.5 m/s、氣溫33 ℃?？照{(diào)小室溫度控制為18 ℃，以模擬地下恒溫溫度。

如圖3 所示，為了測量透水材料蒸發(fā)量的變化，在風洞試驗段下方安裝3 臺連續(xù)自動讀數(shù)的島津BW32KH 系列電子天平（量程0～32 kg，精度0.1 g）。將待測樣品放置在亞克力制成的方盒中，其四周和底部均采用聚乙烯泡沫板包裹，以隔斷周圍局部熱源對試件蒸發(fā)的影響，保證一維傳熱，通過調(diào)節(jié)亞克力盒下方電子天平上的Ⅱ型不銹鋼支架的高度，使試件表面與光源照度一致（見圖4）。電子天平通過專業(yè)的傳輸線與計算機相連，每分鐘自動記錄試件的質(zhì)量變化。每個樣品的表面均布置高精度的T 型熱電偶線，以監(jiān)測溫度變化，熱電偶線一端通過導(dǎo)熱硅膠緊貼在試件表面，另一端則連接數(shù)據(jù)采集儀。此外，在試件附近放置長波輻射傳感器，以監(jiān)測試件表面接收到的長波輻射。所有溫度和輻射探頭數(shù)據(jù)均采用CR3000 數(shù)據(jù)采集儀以相同頻率（1 次/min）記錄。整個蒸發(fā)試驗測量時間為48 h，試驗前樣品（尺寸為300 mm×300 mm×60 mm）均在蒸餾水中浸泡至飽和。

圖3 風洞中的蒸發(fā)降溫試驗Fig.3 Evaporation cooling experiment in the wind tunnel

圖4 樣品蒸發(fā)裝置Fig.4 Evaporation device of the sample

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

隨著生物炭取代率的增大，透水試件的抗壓強度和抗折強度呈先升高后降低的趨勢，且不同生物炭類型對其強度影響不明顯（見圖5）。當生物炭取代率為3%時，透水混凝土抗壓強度達到峰值，含有RBC 和WBC 的試塊抗壓強度較控制組分別提高了10%和8%。而1%生物炭取代率的透水混凝土抗折強度最大，相比控制組提高了約18%。

圖5 透水混凝土的28 d 強度Fig.5 28-day strength of pervious concrete

當取代率在合適范圍內(nèi)（5%以內(nèi)）時，生物炭可以充分發(fā)揮其填充和內(nèi)固化效應(yīng)，從而提高試件的抗壓和抗折強度，同時,水泥漿體中的生物炭顆粒會引起裂縫多重分支，并導(dǎo)致裂縫擴展變得曲折，從而避免復(fù)合材料的脆性破壞[33]。從SEM 圖像（圖6）中不難看出：碳質(zhì)顆粒的存在引入了微填料效應(yīng)，并提供了更多的成核位點。在BC 孔隙內(nèi)及周圍沉積了大量的C-S-H 凝膠、氫氧化鈣、鈣礬石等水化產(chǎn)物（見圖6（b））。水化作用的增強減少了大孔隙數(shù)量，使水泥膠體更加致密，從而有利于混凝土強度發(fā)展。然而，BC 顆粒添加量的進一步增大會引起稀釋效應(yīng)（水泥用量的減少）。當取代率超過8%時，混凝土強度發(fā)展明顯低于控制組，過量的炭顆粒增加了界面區(qū)(ITZ)周圍局部空洞和裂縫數(shù)量，這一現(xiàn)象與Gupta 等[34]的報道一致。取代率高時容易受到攪拌分散工藝水平的限制，使生物炭在水泥膠凝材料中發(fā)生團聚現(xiàn)象，形成更多的孔洞和裂縫，造成局部應(yīng)力集中，有效承載面積減小，導(dǎo)致透水混凝土宏觀力學(xué)性能降低。因此，在不降低透水混凝土強度的情況下，綜合考慮生物炭的最佳取代率為5%。

圖6 28 d WBC-PC 試件的SEM 圖Fig.6 SEM image of WBC-PC at 28 d

2.2 熱物理性能

反射率和發(fā)射率是地表輻射能量平衡的關(guān)鍵熱工參數(shù)，大小與材料本身的性質(zhì)、表面狀況(如粗糙度、顏色等)有關(guān)，其值為0～1 的標量。表3 對比分析了5%生物炭取代率對透水混凝土熱物參數(shù)的影響規(guī)律?？梢钥闯?，米糠生物炭透水混凝土(RBC-PC)和木屑生物炭透水混凝土(WBC-PC)的平均反射率接近，控制組透水混凝土(CK)比前兩者低約0.10，這是生物炭顆粒表面顏色較黑的緣故，意味著在相同環(huán)境中含有生物炭的透水混凝土能吸收更多的太陽輻射。生物炭并未明顯改變透水混凝土的發(fā)射率，3 種透水材料的發(fā)射率分別為0.91、0.88、0.90，展現(xiàn)出大致相當?shù)臒彷椛淠芰?。生物炭對改善混凝土?dǎo)熱系數(shù)有積極影響，5%生物炭取代率可以使透水混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從1.62 W/（m·K)降至1.29 W/(m·K)。這可能是因為在有水的情況下生物炭的團聚性使其在水泥基質(zhì)中分散較差，熱量傳遞被阻斷并尋找新的通道[35]，導(dǎo)熱系數(shù)的降低有助于延緩路面峰值溫度的出現(xiàn)。

表3 生物炭透水混凝土的熱物性參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of BC-pervious concrete

2.3 吸水性能

毛細吸水系數(shù)是表征多孔材料吸水能力的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)標準ASTM C1585—13[29]可知，多孔材料7 d 毛細吸水可分為2 個階段，前期6 h 為第1吸水階段，后期第1 天至第7 天為第2 吸水階段，通過回歸擬合單位面積累計吸水量與時間開平方的曲線斜率，得到相應(yīng)的毛細吸水系數(shù)。表4 對比了影響3 種透水混凝土試件吸水性能的特征參數(shù)。單面浸泡試驗結(jié)果表明，5% 生物炭取代率的試件WBC-PC 和RBC-PC 的第1 階段吸水系數(shù)(Acap1)分別為2.59×10-2、2.65×10-2mm/s0.5，比試件CK 大約提高了30%～35%。這是因為毛細吸水與透水混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)特征(開孔率、孔徑和孔隙形狀)有關(guān)。真空飽和試驗結(jié)果表明，3 種試件具有近似的開口孔隙率，故孔隙分布是造成吸水性差異的主要原因。相比普通透水混凝土，一方面，生物炭自身豐富的微孔結(jié)構(gòu)提高了透水混凝土內(nèi)部的毛細能力；另一方面，得益于超細炭顆粒的物理填充效應(yīng)，混凝土中部分大孔隙和過渡區(qū)界面微結(jié)構(gòu)得到明顯改善，使之成為更多連通開放的毛細孔，提高了透水混凝土內(nèi)部的毛細吸水能力。由于后期多孔材料吸水趨于飽和，生物炭對透水混凝土第2 階段毛細吸水系數(shù)（Acap2）的影響相差不大?？傮w來說，由于生物炭豐富的孔隙特征和親水特性，加入到透水混凝土后，可提高試件的儲水性能，3 種材料最終的總吸水量Wvap大小排序為CK

表4 含生物炭的透水混凝土吸水性能比較Table 4 Water absorption properties of BC-pervious concrete

2.4 蒸發(fā)降溫性能

2.4.1 蒸發(fā)量 吸水飽和后透水材料的蒸發(fā)過程也分為兩個階段[32]：第1 階段由周圍環(huán)境中的蒸汽壓差驅(qū)動，水分通過毛細管作用從飽和區(qū)遷移至蒸發(fā)表面；第2 階段主要發(fā)生在材料介質(zhì)內(nèi)部，隨著表層自由水蒸發(fā)耗盡，深層孔隙的自由水開始蒸發(fā)，這個過程中內(nèi)部的水汽先通過分子擴散的形式擴散到表面，最后蒸發(fā)到空氣中。

圖7 為3 種透水材料在風洞穩(wěn)態(tài)條件下的逐時蒸發(fā)率和累積蒸發(fā)量。5% 生物炭取代率試件RBC-PC 和WBC-PC 的最大初始蒸發(fā)率分別為0.46、0.39 kg/(m2·h)，而試件CK 的蒸發(fā)率僅為0.20 kg/(m2·h)。同 時，試 件WBC-PC 和RBC-PC的第1 階段分別能持續(xù)15、13 h，而CK 僅能持續(xù)2 h。在第2 階段，由于黏滯力和向下的重力作用，蒸發(fā)動力驟減，所有樣品的蒸發(fā)速率均急劇下降，20 h 后所有樣品的蒸發(fā)速率均降至0.1 kg/(m2·h)左右，此后蒸發(fā)速率趨于平穩(wěn)（見圖7（a））。生物炭可以提高透水混凝土第1 階段蒸發(fā)率并延長此階段蒸發(fā)持續(xù)時間，這是因為生物炭透水混凝土的毛細吸水率和體積吸水率比普通透水混凝土更大（見表4）。毛細吸水率較大的材料能夠在孔隙內(nèi)部維持長距離的水力連續(xù)性，從而保證水分相對容易遷移至表面蒸發(fā)；飽和體積含水率大的材料則能保證更多的水分供應(yīng)。生物炭透水混凝土第1 階段較高的蒸發(fā)率和更長的蒸發(fā)持續(xù)時間使其累積蒸發(fā)量顯著增加，添加5%生物炭的試件WBC-PC 和RBC-PC 累積蒸發(fā)量分別約為0.69、0.63 kg，比未添加生物炭的樣品高40%～50%（見圖7（b））。

圖7 3 種樣品的逐時蒸發(fā)率和累積蒸發(fā)量Fig.7 Hourly rate of evaporation and cumulative evaporation of the three samples

2.4.2 表面溫度 在濕潤狀態(tài)下，透水材料可通過蒸發(fā)潛熱有效地帶走其表面吸收的熱量，從而降低表面溫度。在風洞600 W/m2太陽輻射下，5%生物炭取代率的試件WBC-PC 和RBC-PC 早期溫度上升速度比試件CK 慢，二者最大溫降分別為6、3 ℃，并分別可維持18、14 h 的低溫（見圖8）。結(jié)合圖7 可以認為，這是由于生物炭透水混凝土第1 階段蒸發(fā)速率較快，蒸發(fā)時間較長，導(dǎo)致更多熱量被帶走，從而顯著提高了透水混凝土的蒸發(fā)冷卻效果。

圖8 透水樣品蒸發(fā)過程的表面溫度變化Fig.8 Surface temperature change during evaporation of pervious samples

2.4.3 能量分項 透水路面主要通過長波輻射和對流換熱形式與周圍環(huán)境進行熱量交換。炎熱夏季，路面溫度往往高于空氣溫度，而在人工淋水或自然降雨后，透水路面水分通過蒸發(fā)將一部分熱量帶走，即將顯熱熱流轉(zhuǎn)化為潛熱熱流，從而抑制了路面溫度的上升。汪俊松[36]系統(tǒng)地測量了在穩(wěn)定的風洞環(huán)境中透水材料吸收的太陽短波輻射（qs）、發(fā)射的長波輻射（ql）、顯熱熱流（qh）和蒸發(fā)潛熱（qe）。據(jù)此計算出3種吸水飽和后的透水混凝土48 h 蒸發(fā)過程中能量分布變化，如圖9 所示。

圖9 飽和透水混凝土表面能量變化Fig.9 Surface energy change of saturated pervious concrete

在蒸發(fā)過程中透水材料釋放的蒸發(fā)潛熱導(dǎo)致顯熱熱流、長波輻射及表面溫度不同程度降低。為了查明生物炭對透水混凝土各個能量分項的分配貢獻權(quán)重，對每項熱流密度進行積分，得出累積能量熱流，如圖10 所示。在相同風洞環(huán)境下，3 種樣品的累積長波輻射量Ql和顯熱熱流Qh的差值很小。由于表面反射率較低，含有生物炭的透水混凝土比普通透水混凝土多吸收約10%的太陽輻射量Qs。然而，在蒸發(fā)過程中，試件WBC-PC、RBC-PC、CK 的蒸發(fā)潛熱Qe相對于自身吸收的凈輻射比值分別約為18.96%、18.45%、10.11%（見圖10），透水材料蒸發(fā)潛熱的增加會導(dǎo)致顯熱熱流和長波輻射量減小，從而能有效抑制熱島效應(yīng)的形成?？偟膩碚f，含有生物炭的透水混凝土不僅吸收了更多的水分，還吸收了更多的太陽輻射。盡管如此，能量分項表明，增加的水分蒸發(fā)可以補償生物炭引起的額外太陽輻射吸收量。

圖10 飽和透水混凝土48 h 蒸發(fā)的表面能量分項Fig.10 Surface energy distribution of saturated pervious concrete in evaporation of 48 h

3 結(jié)論

1）對于力學(xué)性能而言，建議生物炭取代水泥的質(zhì)量不宜超過5%。3%生物炭取代率的透水混凝土抗壓強度最大，相較控制組提高了10%，1%生物炭取代率則使透水混凝土的抗折強度最大化，提高了約18%，而大于5%的生物炭取代率會使透水混凝土的抗壓強度和抗折強度低于控制組。

2）生物炭可降低透水混凝土的反射率和導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)的降低有助于延緩路面峰值溫度的出現(xiàn)。生物炭作為保水性填料，可以提高透水混凝土的吸水和儲水能力。5%生物炭取代率的試件WBC-PC 和RBC-PC 第1 階段吸水速率分別為2.65×10-2、2.59×10-2mm/s0.5，而試件CK 僅為1.99×10-2mm/s0.5，總吸水量Wvap大小排序則為CK

3）生物炭可以有效增加透水混凝土的累積蒸發(fā)量，比普通混凝土提高約40%～50%。相比CK，5%生物炭取代率的試件WBC-PC 和RBC-PC 最大可分別降溫6、3 ℃，并維持18、14 h 的低溫時間。能量分項結(jié)果表明：WBC-PC、RBC-PC、CK 蒸發(fā)潛熱占透水混凝土吸收凈輻射的比值分別約為18.96%、18.45%、10.11%，透水材料蒸發(fā)潛熱的增加會導(dǎo)致顯熱熱流和長波輻射量的減小，有效抑制熱島效應(yīng)的形成。