生物炭的摻入對(duì)水泥導(dǎo)熱性能影響研究

姜曉雨，郭建華，李俊鵬

(河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

1 概 述

20世紀(jì)60年代以來，減水劑在混凝土領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，并將高效減水劑應(yīng)用到流態(tài)混凝土中[2]；高分子材料也同時(shí)進(jìn)入混凝土材料領(lǐng)域[3]，并將多種纖維用于分散配筋的纖維混凝土中。隨著水利事業(yè)的不斷發(fā)展，混凝土材料在水庫、大壩等工程領(lǐng)域應(yīng)用有著不可或缺的地位[4]。在關(guān)注強(qiáng)度和耐久性的同時(shí),針對(duì)普通混凝土的耐熱性也進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究。目前，提升混凝土耐熱性能的方法主要是在混凝土中添加纖維或工業(yè)廢渣等，通過外加劑中的微量元素改善混凝土的耐熱性。混凝土的表面溫度取決于材料和熱性能，如比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。為了提升材料的保溫隔熱效果，許多學(xué)者在水泥基材料的導(dǎo)熱性能上已經(jīng)開展了一定的研究。尚鑫[5]等把稻殼灰加入水泥通過正交實(shí)驗(yàn)法得到混凝土的最優(yōu)配比，無論標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和干養(yǎng)護(hù)條件，最優(yōu)配合比條件下導(dǎo)熱系數(shù)最低。張雪[6]等探究了含水率及溫度對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明含水率與溫度均與導(dǎo)熱系數(shù)成正比，并且有良好的相關(guān)性。胡秀霞等研究了橡膠水泥砂漿的導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明養(yǎng)護(hù)方式及水灰比都對(duì)導(dǎo)熱有影響[7]。以上研究說明改善水泥的導(dǎo)熱性能對(duì)材料的發(fā)展有重要影響。

生物炭本身作為一種多孔隙結(jié)構(gòu)的低導(dǎo)熱材料，將其與水泥結(jié)合來改變水泥的導(dǎo)熱性能，并且提供了一種固炭手段，對(duì)改善水泥性質(zhì)以及新建筑材料的發(fā)展有重大意義。本次實(shí)驗(yàn)作為生物碳應(yīng)用于材料制備方面的一個(gè)先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，旨在尋找一個(gè)低成本、高效能的石墨替代品。通過參考其他文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方法，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，然后開展實(shí)驗(yàn)。

2 材料與方法

2.1 不同溫度下生物碳的制備

2.1.1 生物碳的制備

秸稈等生物質(zhì)在完全或部分缺氧、無氧條件下熱解，生成的含碳豐富、難溶、性質(zhì)穩(wěn)定、高度芳香化的固體物質(zhì)，被稱為生物碳[8]。采用小麥秸稈(河北邯鄲)作為生物炭原材料，將收集來的小麥秸稈烘干，放置在干燥通風(fēng)處儲(chǔ)存。粉碎小麥秸稈大小保持在5～10 mm，準(zhǔn)備好6個(gè)體積相同的干凈空坩堝，稱量每個(gè)空坩堝的重量并做好記錄。將碎屑塞入坩堝中壓實(shí)后稱量，裝完后稱量坩堝并做好記錄。放入智能控溫馬弗爐 (KSMF—2000)中，慢速裂解4 h。燒制完成坩堝冷卻后取出，此時(shí)的小麥秸稈經(jīng)過高溫裂解，已經(jīng)高度碳化為生物碳。研磨，過100目網(wǎng)孔篩篩選后備用，裝入裝瓶稱量并做相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。

2.1.2 產(chǎn)率計(jì)算

將秸稈塞滿的坩堝稱得的質(zhì)量記作A，將燒制完成后的坩堝所稱的質(zhì)量記作B，A與B的差值則稱為本次生物碳燒制的燒失量。將生物碳的質(zhì)量除以秸稈質(zhì)量所得的數(shù)值即為每次燒制生物碳的產(chǎn)率，即：

結(jié)合圖1可發(fā)現(xiàn)，生物碳的產(chǎn)量隨著熱解溫度的升高而減少。在200℃時(shí)產(chǎn)率最高，之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明生物質(zhì)原料的熱解越來越難。小麥秸稈生物碳的產(chǎn)率與熱解溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明熱解溫度決定了生物碳的產(chǎn)率。因此，對(duì)于相同的生物質(zhì)原料來說，高溫生物碳的制備成本高于低溫生物碳的制備成本。

圖1 不同溫度小麥秸稈生物炭的產(chǎn)率

2.2 試塊制備

2.2.1 材料選用

水泥選用邯鄲太行山普通的425硅酸鹽水泥，成分為硅酸三鈣3CaO·SiO2、硅酸二鈣2CaO·SiO2、鋁酸三鈣3CaO·Al2O3和鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3，具有凝結(jié)硬化快、抗凍性好、水化熱大、耐腐蝕性差、耐熱性差、抗碳化性能好、干縮小、耐磨性好等特性。實(shí)驗(yàn)用水使用邯鄲市自來水。

2.2.2 生物炭摻入比例的確定

⑤設(shè)備歸位：當(dāng)完成所有檢測(cè)工作后，設(shè)備退回涵洞口，按設(shè)備安裝的程序反向操作，拆卸爬行器、鏡頭、電纜等，將爬行器、鏡頭擦干，歸位入箱裝好。

生物碳作為非活性材料，可參照《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)5.2.4條：允許用不超過水泥質(zhì)量8%非活性材料進(jìn)行添加。本實(shí)驗(yàn)擬定3個(gè)摻入比例：1%、5%和10%，即200℃～700℃，以100℃為間隔，共6個(gè)溫度下的3種摻入比實(shí)驗(yàn)與空白(CK)對(duì)比，擬在尋找合適溫度下合適摻入比例的生物碳對(duì)水泥導(dǎo)熱性能的影響。不同摻入比下材料配比見表1。

表1 不同摻入比試塊配比表

2.2.3 試塊制備方法及養(yǎng)護(hù)

選定一個(gè)溫度下的生物碳，按照1%、2%、5%的摻入量加入水泥。首先在水泥模具的四周涂上機(jī)油(以便在24 h后脫模)并在底部放置膠紙(阻擋水泥流出)，其次稱量水泥將生物炭與水泥干混，拌好加水倒入模具中養(yǎng)護(hù)24 h(溫度22℃±2℃，實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù))，然后在水中脫模養(yǎng)護(hù)28天。養(yǎng)護(hù)完之后，烘箱35℃烘24 h進(jìn)行導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)。

3 導(dǎo)熱性能試驗(yàn)

3.1 儀器及測(cè)試原理

材料的導(dǎo)熱性好壞一般通過兩個(gè)指標(biāo)來判斷，分別是導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散性，而且新的測(cè)試技術(shù)和測(cè)試?yán)碚撘苍絹碓酵晟啤釋?dǎo)率的測(cè)量主要分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。在穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法中，試樣內(nèi)的溫度分布是不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)， 當(dāng)試樣達(dá)到熱平衡以后，借助測(cè)量試樣每單位面積的熱流速率和溫度梯度,就可直接測(cè)定試樣的熱導(dǎo)率。在非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法中，試樣內(nèi)的溫度分布是隨著時(shí)間而變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，借助測(cè)試試樣溫度變化的速率，就可以測(cè)定試樣的熱擴(kuò)散率，從而得到材料的熱導(dǎo)率。目前，常用的非穩(wěn)態(tài)熱導(dǎo)率測(cè)試方法主要有熱線法、瞬態(tài)熱帶法及瞬態(tài)板熱源法。本文所使用的熱物性測(cè)量儀器 HotDisk是由瑞典HotDiskAB公司生產(chǎn)的、基于瞬態(tài)板熱源法的測(cè)試儀[9]。

材料的導(dǎo)熱性能主要是通過材料的導(dǎo)熱系數(shù)來表現(xiàn)，Hot disk探頭通過提供試樣加熱的熱源，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，探頭的阻值變化將被記錄下來，基于阻值的大小不同系統(tǒng)建立起測(cè)試期間探頭所經(jīng)歷的溫度隨時(shí)間變化關(guān)系；通過阻值的變化，系統(tǒng)將根據(jù)公式計(jì)算出物體的導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。

式中：P0為從探頭輸出的總功率；α為探頭的半徑；λ為被測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)；D(τ)為無量綱時(shí)間函數(shù)。

在測(cè)試材料的熱導(dǎo)系數(shù)時(shí)，被膜裝的鎳螺旋探頭夾于兩塊樣品之中(固體)或浸沒其中(粉末、液體)，要求探頭與材料的接觸面為光滑平整。

3.2 測(cè)試方法

使用Hot-disk熱常數(shù)分析儀測(cè)試養(yǎng)護(hù)28天后生物碳水泥試塊的導(dǎo)熱系數(shù)，將水泥試塊的表面用砂紙打磨至光滑，將Hot disk探頭固定在水泥試塊表面后開始測(cè)量(測(cè)量之前將儀器預(yù)熱1 h)。水泥的導(dǎo)熱系數(shù)范圍在0.19～0.65 W/m·k之間，屬于導(dǎo)熱系數(shù)偏小。在測(cè)試時(shí)，將輸出功率范圍控制在80～200 mW之間，時(shí)間保持在60～200 s。設(shè)置好測(cè)試參數(shù)后，每個(gè)水泥試塊選擇3個(gè)光滑面測(cè)定，記錄數(shù)據(jù)，若所測(cè)數(shù)據(jù)的平行性較差，重復(fù)測(cè)量。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

見圖2、圖3。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)柱狀圖

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)折線圖

總體來說，摻入小麥生物炭后，導(dǎo)熱系數(shù)是降低的，導(dǎo)熱系數(shù)在200℃生物碳下?lián)饺肓繛?0%時(shí)最小，相比空白降低了46%左右，由折線圖能夠更直觀看出隨著摻入量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)的值最終都是減少的。這是因?yàn)樯锾苛呀夂蟊旧戆S富的無定形炭，而這些炭非常穩(wěn)定。生物炭與水泥結(jié)合后使水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使加入生物炭的水泥塊更為致密阻擋了熱量的傳播，3種摻入量都在500℃后有了一定的下降。這可能是由于馬弗爐的快速裂解所產(chǎn)出的炭的不均一性導(dǎo)致的，500℃以后小麥秸稈生物炭完全裂解。生物炭中炭的形態(tài)由無定形向有序轉(zhuǎn)變。

熱擴(kuò)散系數(shù)又稱為導(dǎo)溫系數(shù)，對(duì)于熱擴(kuò)散系數(shù)可以看出在500℃生物碳摻入量為10%時(shí)最小，相比空白降低了53%左右，與熱導(dǎo)率類似隨著摻量的增加，擴(kuò)散率呈下降趨勢(shì)。擴(kuò)散率小，表明熱量由表面導(dǎo)致內(nèi)部溫度變化越小，保溫性能也就越好。見圖4、圖5。

圖4 熱擴(kuò)散系數(shù)柱狀圖

圖5 熱擴(kuò)散系數(shù)折線圖

4 結(jié)論與展望

本次實(shí)驗(yàn)主要探究新鮮生物碳對(duì)于水泥導(dǎo)熱性的影響，水泥根據(jù)添加的生物碳比例的不同導(dǎo)熱性發(fā)生不同的變化。生物碳添加對(duì)于水泥的導(dǎo)熱性影響的規(guī)律可以歸納為：

1) 隨著生物碳的摻入量增加，水泥的導(dǎo)熱系數(shù)減小；隨著生物碳溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)先增加后減小，在500℃開始轉(zhuǎn)變。

2) 隨著生物碳的摻入量增加，熱擴(kuò)散系數(shù)先增加后減小，以400℃開始轉(zhuǎn)變；隨著生物碳溫度的升高，熱擴(kuò)散系數(shù)先增加后減小。