姜晓雨;郭建华;李俊鹏
【摘 要】以探究水泥受热时导热系数的变化情况为目的,将不同比例的小麦秸秆生物碳( WS)与水泥结合进行试验研究.实验采用200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃高温下裂解的生物碳,通过热常数分析仪分别对掺入量为1%、5%和10%的水泥试块进行导热系数的测定.结果表明,同一温度的生物碳随着掺入量的增加而水泥的导热系数将减小;不同温度的生物碳随着温度的升高,水泥的导热系数将增大.通过对导热系数的测试来表征水泥基材料的导热性是可行的,为低导热水泥基材料的热学性能预测提供了新的思路.同时也能将生物碳的这些性质和规律应用到水泥加工、水泥的导热性研究和材料制备等实际应用中,以期创造出更好的社会效益、经济效益和生态效益. 【期刊名称】《水利科技与经济》
【年(卷),期】2019(000)007
【总页数】4页(P79-82)
【关键词】水泥;生物炭;导热性
【作 者】姜晓雨;郭建华;李俊鹏
新型模板支撑【作者单位】河北工程大学水利水电学院,河北 邯郸 056038;河北工程大学水利水电学院,河北 邯郸 056038;河北工程大学水利水电学院,河北 邯郸 056038
【正文语种】中 文单点系泊系统
【中图分类】对数天线TV42+3
1 概 述
20世纪60年代以来，减水剂在混凝土领域得到广泛应用[1]，并将高效减水剂应用到流态混凝土中[2]；高分子材料也同时进入混凝土材料领域[3]，并将多种纤维用于分散配筋的纤维混凝土中。随着水利事业的不断发展，混凝土材料在水库、大坝等工程领域应用有着不可或缺的地位[4]。在关注强度和耐久性的同时,针对普通混凝土的耐热性也进行了一定的试验研究。目前，提升混凝土耐热性能的方法主要是在混凝土中添加纤维或工业废渣等，通过
外加剂中的微量元素改善混凝土的耐热性。混凝土的表面温度取决于材料和热性能，如比热、导热系数和热扩散系数。为了提升材料的保温隔热效果，许多学者在水泥基材料的导热性能上已经开展了一定的研究。尚鑫[5]等把稻壳灰加入水泥通过正交实验法得到混凝土的最优配比，无论标准养护条件和干养护条件，最优配合比条件下导热系数最低。张雪[6]等探究了含水率及温度对混凝土导热系数的影响，结果表明含水率与温度均与导热系数成正比，并且有良好的相关性。胡秀霞等研究了橡胶水泥砂浆的导热性能，结果表明养护方式及水灰比都对导热有影响[7]。以上研究说明改善水泥的导热性能对材料的发展有重要影响。
生物炭本身作为一种多孔隙结构的低导热材料，将其与水泥结合来改变水泥的导热性能，并且提供了一种固炭手段，对改善水泥性质以及新建筑材料的发展有重大意义。本次实验作为生物碳应用于材料制备方面的一个先导实验，旨在寻一个低成本、高效能的石墨替代品。通过参考其他文献的实验方法，拟定实验步骤，然后开展实验。
2 材料与方法
岩心箱
2.1 不同温度下生物碳的制备
2.1.1 生物碳的制备
秸秆等生物质在完全或部分缺氧、无氧条件下热解，生成的含碳丰富、难溶、性质稳定、高度芳香化的固体物质，被称为生物碳[8]。采用小麦秸秆(河北邯郸)作为生物炭原材料，将收集来的小麦秸秆烘干，放置在干燥通风处储存。粉碎小麦秸秆大小保持在5～10 mm，准备好6个体积相同的干净空坩埚，称量每个空坩埚的重量并做好记录。将碎屑塞入坩埚中压实后称量，装完后称量坩埚并做好记录。放入智能控温马弗炉 (KSMF—2000)中，慢速裂解4 h。烧制完成坩埚冷却后取出，此时的小麦秸秆经过高温裂解，已经高度碳化为生物碳。研磨，过100目网孔筛筛选后备用，装入装瓶称量并做相应的数据记录。
2.1.2 产率计算
将秸秆塞满的坩埚称得的质量记作A，将烧制完成后的坩埚所称的质量记作B，A与B的差值则称为本次生物碳烧制的烧失量。将生物碳的质量除以秸秆质量所得的数值即为每次烧制生物碳的产率，即：
产率
结合图1可发现，生物碳的产量随着热解温度的升高而减少。在200℃时产率最高，之后呈现下降趋势，说明生物质原料的热解越来越难。小麦秸秆生物碳的产率与热解温度呈显著负相关，说明热解温度决定了生物碳的产率。因此，对于相同的生物质原料来说，高温生物碳的制备成本高于低温生物碳的制备成本。
图1 不同温度小麦秸秆生物炭的产率
2.2 试块制备
2.2.1 材料选用
水泥选用邯郸太行山普通的425硅酸盐水泥，成分为硅酸三钙3CaO·SiO2、硅酸二钙2CaO·SiO2、铝酸三钙3CaO·Al2O3和铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3，具有凝结硬化快、抗冻性好、水化热大、耐腐蚀性差、耐热性差、抗碳化性能好、干缩小、耐磨性好等特性。实验用水使用邯郸市自来水。
2.2.2 生物炭掺入比例的确定
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生物碳作为非活性材料，可参照《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)5.2.4条：允许用不超过水泥质量8%非活性材料进行添加。本实验拟定3个掺入比例：1%、5%和10%，即200℃～700℃，以100℃为间隔，共6个温度下的3种掺入比实验与空白(CK)对比，拟在寻合适温度下合适掺入比例的生物碳对水泥导热性能的影响。不同掺入比下材料配比见表1。
表1 不同掺入比试块配比表碳掺入比水泥量 /g碳掺入量 /g水量 /g水灰比1%4704.752100.442%4709.592100.445%44023.162200.52
2.2.3 试块制备方法及养护
选定一个温度下的生物碳，按照1%、2%、5%的掺入量加入水泥。首先在水泥模具的四周涂上机油(以便在24 h后脱模)并在底部放置胶纸(阻挡水泥流出)，其次称量水泥将生物炭与水泥干混，拌好加水倒入模具中养护24 h(温度22℃±2℃，实验室养护)，然后在水中脱模养护28天。养护完之后，烘箱35℃烘24 h进行导热实验。
3 导热性能试验
3.1 仪器及测试原理
材料的导热性好坏一般通过两个指标来判断，分别是导热系数和热扩散性，而且新的测试技术和测试理论也越来越完善。热导率的测量主要分为稳态法和非稳态法。在稳态测试方法中，试样内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场， 当试样达到热平衡以后，借助测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度,就可直接测定试样的热导率。在非稳态测试方法中，试样内的温度分布是随着时间而变化的非稳态温度场，借助测试试样温度变化的速率，就可以测定试样的热扩散率，从而得到材料的热导率。目前，常用的非稳态热导率测试方法主要有热线法、瞬态热带法及瞬态板热源法。本文所使用的热物性测量仪器 HotDisk是由瑞典HotDiskAB公司生产的、基于瞬态板热源法的测试仪[9]。
材料的导热性能主要是通过材料的导热系数来表现，Hot disk探头通过提供试样加热的热源，在测试时间内，探头的阻值变化将被记录下来，基于阻值的大小不同系统建立起测试期间探头所经历的温度随时间变化关系；通过阻值的变化，系统将根据公式计算出物体的导热系数等参数。电量控制
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