基于生物質灰的屋頂綠化基質加強層工藝優化

徐 超，趙 帥，袁巧霞※，張 鑫，高 勇，宋 娜

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業部長江中下游農業裝備重點實驗室，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）

0 引言

根據《中國統計年鑒》，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致嚴重的積水、水質惡化和熱浪等問題[2-3]。另一方面，經濟的快速發展促使二氧化碳排放量逐年增加，間接加劇了溫室效應[4]。屋頂綠化作為城市綠色基礎設施，可有效解決上述問題[5]。基質是影響屋頂綠化系統綜合性能最為關鍵的因素，不僅可為植物根系水、氣和養分等提供運輸功能，還可作為植物地下部的物理支撐[6]。然而草炭等傳統散體基質存在施工難度大、材料成本高的問題，一些學者通過生物質成型技術將農作物秸稈、畜禽糞便等廢棄物壓縮制成基質塊，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面積較大，對抗破壞強度要求較高，且壓縮型基質的孔隙率與抗破壞強度具有較難調和的矛盾：基質塊的抗破壞強度越高，其成型密度就越高，孔隙度相應越低，不利于植物根系的水、氣和養分運輸。基質底部加強層作為屋頂綠化基質的承重層，其引入可有效提升屋頂綠化基質的抗破壞能力、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]。

生物質在熱化學轉換過程中會產生大量的生物質灰，具有火山灰活性、可循環利用等特點[8-9]。隨著熱解工業的迅速發展，生物質灰的大量積累成為行業發展的限制因素之一[10]。研究表明，生物質灰能提高混凝土的早期強度，改善混凝土自身的導熱性，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，具有一定的粘性[14]，亦有利于基質成型。若將生物質灰為主要原料，秸稈、污泥為輔料，壓縮為基質加強層，可提高基質抗破壞能力。生物質灰的壓縮成型與生物質相似，其產品品質受多種因素共同影響，內因主要考慮原材料配合比、含水率等，外因需考慮粘結劑、成型溫度、壓力和保壓時間等成型工藝參數[15-18]。

基于上述情況，本文以生物質灰為主要原材料，輔以秸稈和污泥等廢棄物，分別從粘結劑、配合比以及成型工藝參數3個方面對基于生物質灰的屋頂綠化基質加強層進行優化，較為全面地評估這些因素對基質加強層強度的影響，為解決屋頂綠化基質的運輸問題、推進生物質灰等農業廢棄物的資源化利用、優化基質加強層壓縮工藝參數提供新思路和試驗基礎。

1 材料與方法

1.1 原材料來源

生物質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業大學試驗田，風干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如表1所示。

表1 屋頂綠化基質加強層主要原材料基本性質 Table 1 Basic properties of main raw materials of green roof substrate reinforcement layer

1.2 主要試劑與設備

1.2.1 粘結劑

4種粘結劑分別為：木質素（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

成型模具自行設計并加工（圖1），由壓桿、套筒、底座3部分組成，為鑄鐵材質，其中小模具設計成型層平面尺寸為40 mm×40 mm，用于粘結劑配合比優選；大模具設計成型層平面尺寸（套筒內長寬）為200 mm×200 mm，底部鋪設加熱帶用于控制成型溫度，此模具用于工藝參數優化試驗。

1.2.3 儀器與設備

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型質構儀（美國FTC公司）；硅橡膠加熱帶（加熱功率80 W），智能溫控器（上海臣源泵業科技有限公司）；OHG- 9243B5-Ш型烘箱（上海新苗醫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有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 粘結劑及其添加比例的選擇

本節主要考察在常規壓縮條件下粘結劑對生物質灰成型后抗破壞強度性能的提升效果，為后續的配合比及工藝參數優化確定適合的粘結劑及添加比例。以生物質灰為主要原材料，粘結劑添加質量分數上限設置應在保證基質塊強度的基礎上使基質塊具有一定的松弛比，經預試驗確定添加質量分數上限為6%，因此本研究分別單獨添加質量分數為2%、4%、6%的上述4種粘結劑（木質素、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。將生物質灰與粘結劑充分混合均勻后調節含水率至統一水平，含水率設置應在保證壓縮過程中水分無析出的基礎上使得基質可成型，經預試驗確定含水率為25%。在預試驗中根據模具大小確定取25 g混合料放入專用于粘結劑優選的小模具（圖1b）進行壓縮成型，經預試驗確定成型壓力50 kN，保壓時間4 min。基質塊脫模后使用質構儀進行抗彎、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。

由于主料生物質灰質量占比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，當試樣尺寸相同時，σf與P成正比，因此可用基質加強層的斷裂負荷力反映其抗彎強度。

2）抗剪強度：材料產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 基質加強層配合比優化

本研究目的在于以生物質灰為主要原材料制得基質加強層，生物質灰添加比例下限應不低于秸稈與污泥比例之和，上限為純生物質灰，因此生物質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不高于生物質灰，因此限制添加體積范圍均為0～50%，此添加比例經預試驗驗證可行。粘結劑以1.3.1中優選的種類與比例添加，采用單純形重心設計的三元混料設計試驗[21]，響應值分別為抗彎強度、抗剪強度和松弛密度，利用Minitab17進行三元混料設計，試驗設計如表2所示。

表2 單純形重心設計的三元混料設計 Table 2 The simplex-centroid design of ternary mixture design

松弛密度：成型基質塊脫模后靜置24 h，待尺寸松弛穩定后利用游標卡尺測得基質塊長、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為成型基質塊質量，g；V為基質塊松弛后體積，cm3。

所有原材料含水率調節至25%，將生物質灰和污泥按表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。經預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對試驗結果進行Scheffe多項式的多元線性擬合[22]，采用數學模型對其進行分析

式中Yi為預測值；βi為線性回歸一次項系數；βij為線性回歸二次項系數；βijk為線性回歸三次項系數；xi、xj、xk為自變量。

1.3.3 關鍵壓縮工藝參數優化

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，通過預試驗確定各因素上下限，每種因素下設4個水平，采用正交試驗，正交試驗設計表見表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，同時引入與生產成本直接相關的干燥能耗作為次要考察指標，計算3種指標的隸屬度后進行綜合分的計算

式中wi為各指標隸屬度，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為指標權重，i=1為抗彎強度，i=2為抗剪強度，i=3為干燥能耗。

表3 正交試驗設計表 Table 3 Orthogonal design table

2 結果與分析

2.1 粘結劑優選結果

生物質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鍵，且顆粒塑化能力差，顆粒間無法形成嵌合結構，故自身成型能力低，無粘結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。木質素添加組對于提升加強層的抗破壞能力效果最差，6%木質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%木質素的玻璃化轉變溫度在70 ℃左右[24]，未進行玻璃化轉變的木質素粘結性能較為一般。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]。考慮到粘結劑的成本，CMC-Na每500 g成本高出黃原膠5元，因此后續試驗選取添加比例為4%黃原膠作為粘結劑。

2.2 基質加強層配合比優化結果

屋頂綠化基質不僅需要質量輕巧以降低建筑物的荷載，還應具有較薄的厚度[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。抗彎強度和抗剪強度的最大值出現在添加比例為生物質灰：小麥秸稈：污泥=4∶1∶1（干物質量之比12.42∶1∶2.14）的組別，分別為93.1和38.4 N；最小值出現在生物質灰：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松弛密度和抗破壞強度的成分配合比，避開最不利于基質加強層的配合比，而實際最優配合比則可能出現在試驗設計之外的組別，需在已有的試驗數據基礎上建立數學模型尋求配合比最優解。

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值進行Scheffe三元二次多項式擬合，其擬合系數R2均高于97%（表5），表明所建立的模型均可較好地預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，在干燥后易恢復形變，可塑性較低[28]。抗彎強度模型方程中一次系數最高為生物質灰項（36.3），最低為秸稈項（-152.0），而二次系數則顯著較高（196～451），這表明原材料配合比對于基質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在三角圖重心附近，而生物質灰最低添加比例為0.5，秸稈和污泥最低添加比例為0，因此就單成分而言，可以判定生物質灰在提升加強層抗彎強度中為主導地位；對于雙組分的交互作用而言，二次項x1x2和x2x3系數分別達到451和372，表明秸稈和生物質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灰和污泥顆粒間可明顯提升混合料的抗斷裂能力。抗剪強度模型中也出現類似情況（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的系數絕對值（39.8）并不是遠高于生物質灰x1（19.4）和污泥x3（11.3），且x1x2和x2x3系數遠高于x1x3，因此提升加強層抗剪強度的主導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 基質加強層配合比優化試驗設計與結果 Table 4 The experimental design and results of formulation optimization of substrate reinforcement layer

利用試驗結果所建立的優化模型（表5）對最優體積比 進行計算優化，使用Minitab中的混料優化器對上述優化模型（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重賦值的方法[29]，賦予生物質灰、小麥秸稈和污泥相等權重。優化結果表明，生物質灰、小麥秸稈和污泥三者最優體積比為0.6010∶0.1995∶0.1995，近似為3∶1∶1（干物質量之比9.31∶1∶2.14），此配比即為后續壓縮工藝參數優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和調整R2 Table 5R2 and adjusted R2 of relaxation density model and anti-vandalism model

2.3 關鍵壓縮工藝參數優化結果

基質加強層的抗破壞強度受各項壓縮成型工藝參數綜合影響，正交試驗的極差分析法可確定影響目標結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出顯著線性相關（R2=0.98，P＜0.05），故不單獨進行討論。據表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劑，且可在灰分顆粒間搭建氫鍵增強結合強度，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，有利于粘結劑的快速固化膠著。由于生物質灰是在高溫煅燒下產生的，相對較低的成型溫度（20～80 ℃）對生物質灰顆粒在成型過程中不會產生顯著影響，而作為粘結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，主要是由于生物質灰和污泥作為主要原材料成分，二者占比高達80%，而生物質灰顆粒本身可壓縮性較低，可壓縮性較強的秸稈占比僅20%。可壓縮性較低的物質在壓縮成型過程中以塑性形變為主，而可壓縮性較強的物質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學的綜合評價方法，可根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價[29]。由于因素和指標的多樣化，逐一評價會造成評價結果的多樣化，需確定適用于本試驗的統一評價方法。本試驗采用頻率統計法（專家經驗法）對指標權重進行賦值，由5位具有正高級職稱的專家對指標權重進行綜合評判，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權重值，而干燥能耗為次要考慮對象，賦予0.2權重值，計算指標隸屬度后，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，但此最優組合為局部最優，而非全局最優，通過SPSS軟件的正交試驗方差分析得出基質加強層的全局最優壓縮成型工藝參數為含水率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，證明所優化的壓縮成型工藝參數具有可行性。

表6 加強層成型試驗結果分析 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

3 結論

1）對加強層粘結劑的優選進行了雙因素試驗，相比于木質素、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4.2），抗彎強度主要由生物質灰和秸稈共同影響（系數451），抗剪強度主要由秸稈和污泥共同影響（系數197.2），優化配比結果為生物質灰、小麥秸稈和污泥體積比3∶1∶1（干物質量之比9.31∶1∶2.14）。

3）對加強層壓縮工藝參數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。最優壓縮工藝參數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。

本研究針對基質加強層的原材料配合比和壓縮工藝參數進行了試驗探索，后續可針對加強層與種植層的結合工藝進行研究。