Property assessment of wood-based photothermal evaporator with 2D+3D water supplying
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摘要:
近年来，随着经济和社会快速发展，全球淡水资源需求量不断增加，导致全球淡水资源愈加紧缺。海水淡化是目前解决淡水短缺问题最好的方式之一。为实现海水的快速蒸发，本文制备了高度为20 mm、碳化层厚度为3 mm的脱木素轻木木基光热材料(CDW)，通过SEM、FTIR、Raman光谱、UV-Vis-NIR吸收光谱等表征实验证实所制备的材料具有丰富的孔道和良好的吸光性能，有利于水的光热蒸发。构建2D+3D供水的小型光热蒸发器，采用吸水纸向光热材料供水，对所制备的CDW材料进行了光热水蒸发性能评价，所获得的平均蒸发速率为
1.5310 kg/(m2·h)，较碳化原木有明显提升。通过与无供水情况下的光热实验对比，证实吸水纸能够稳定给材料提供水源；通过与材料直接接触水面的3D供水情况作对比，证实了2D+3D供水结构的优越性。Abstract:In recent years, with the rapid development of the economy and society, the global demand for freshwater resources has been continuously increasing, leading to an increasing shortage of freshwater resources worldwide. Desalination of seawater is one of the best ways to solve the problem of freshwater shortage recently. In order to achieve rapid evaporation of seawater, a photothermal material based on a delignified balsa wood (CDW) was prepared, which had a height of 20 mm and a carbonization layer with thickness of 3 mm. Characterization experiments such as SEM, FTIR, Raman, and UV-Vis-NIR absorption spectrum have confirmed that the prepared material has abundant pores and high solar absorbance, which is beneficial for photothermal evaporation. A small photothermal evaporator with 2D+3D water supplying paths, transferring water to the photothermal material using absorbent paper, was used to evaluate the evaporation performance of CDW. The average evaporation rate of the prepared CDW material is
1.5310 kg/(m2·h). The evaporation rate is higher than the directly carbonized balsa wood. The comparison between the above results and that without water supply confirmed that the absorbent paper can steadily supply water to the material. The advantages of the 2D+3D water supplying structure are also observed when compared with the 3D water supplying structure.-
Keywords:
- balsa wood /
- evaporation /
- solar energy /
- carbonized wood /
- seawater desalination /
- composite
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随着现代无废城市及城镇化进程的发展与推进，废旧建筑物的改造与拆除和新建筑工程的建成，都会产生大量的建筑垃圾，而且目前建筑垃圾主要还是采用随意堆放的方式，占用了大量的土地资源；另外，由于目前建筑工程用砂石骨料等原材料过度开采及大量使用，引起了建筑原材料资源的匮乏等问题。因此，建筑垃圾的回收与循环利用技术在当今建筑工程中变得尤为重要。其中，若将建筑垃圾中的废弃混凝土破碎变成级配符合要求的再生粗骨料(RCA)替代天然砂石骨料使用，可有效缓解建筑垃圾超荷及自然资源匮乏的问题。因此，发展再生混凝土(RAC)技术及推广应用对目前国家倡导的“双碳”行动具有重要意义。但是，由于RCA破碎过程中造成的损伤及骨料本身的缺陷，相较于天然粗骨料(NCA)而言，RCA具有孔隙率和吸水率大、压碎指标及Ca(OH)2晶体含量高等特点，对所制备的RAC力学及耐久性能影响显著[1-3]。
纳米材料作为一种新型的、高效的无机材料，如纳米SiO2 (NS)、纳米CaCO3 (NC)等，因其粒径小、比表面积大、表面吸附力强和表面能大等特性。若将纳米材料掺入到水泥基材料中，可发挥其较高的火山灰活性、晶核及填充效应，能够有效改善水泥基材料内部结构。当前，针对纳米材料单掺入水泥基复合材料中应用研究较多，如胡建城等[4]研究NS对水泥-粉煤灰体系泡沫混凝土抗压强度的影响规律，研究发现：掺入NS的混凝土28 d抗压强度显著提高。Ghafari等[5]研究发现：NS改性混凝土内部界面过渡区(ITZ)更致密，主要由于 NS的高火山灰活性，与水化产物Ca(OH)2(CH)生成更多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶产物，使混凝土内部相连通的孔隙减少，有效提升了混凝土耐久性。Sivasankaran等[6]研究发现掺入过量的NS反而会降低混凝土内部结构致密性，主要是由于NS的团聚效应导致其分布不均无法改善内部孔隙结构，未能充分发挥其纳米材料特性。
然而，目前大部分研究主要针对NS单掺改性混凝土，而针对NC改性水泥基材料的相关研究相对较少。NC是一种新型超细固体粉末颗粒，具有量子尺寸、表面和宏观量子效应，且是目前最廉价的纳米材料之一，价格也仅仅是NS的1/10。NC掺入可有效促进其水化反应使内部结构变得更加致密，从而提升水泥基材料性能。王冲等[7]研究了NC对水泥砂浆标准养护3 d和28 d后的力学性能影响，当NC掺入量为1.5%时，水泥砂浆的3 d和28 d抗压强度和抗折强度较对照组明显提高，当NC掺量为2.5%时，水泥砂浆的抗压强度和抗折强度较NC掺入量为1.5%时又有所下降，由此得出水泥砂浆的抗压和抗折强度随NC掺量的增加呈现先增高后降低的趋势。卫益辰[8]对掺入NC和聚丙烯纤维的RAC力学性能和微观结构进行了研究，分析表明：聚丙烯纤维再生混凝土标准养护28 d后的抗压强度随着NC掺量的增加而降低，劈裂抗拉强度及抗折强度与抗压强度变化规律相同，但比抗压强度变化更加显著；进一步也发现，掺入NC后聚丙烯纤维再生混凝土的ITZ处生成了更多的水化产物，显著提高了再生混凝土内部结构的致密性。Shaikh等[9]开展了NC对混凝土吸水率的影响研究，结果表明：NC掺入可减少混凝土内部孔隙和微裂缝，有效降低混凝土吸水率。
NS和NC的单独掺入，可改善RAC各项性能，但为了考虑成本费用的性价比，已有文献针对NS和NC复掺改性混凝土性能进行了试验研究，Yue等[10]研究了NS和微碳酸钙(MC)复掺改性RAC对界面过渡区力学性能的影响，发现掺2%NS-1%MC的RAC在90 d时抗压强度分别比对照组(0%NS-0%MC)和掺2%NS的RAC高19.46%和14.26%，通过纳米压痕测试，RAC-2%NS-1%MC内新砂浆的平均弹性模量为23.57 GPa，高于对照混凝土内新砂浆的平均弹性模量16.23 GPa。随着时间的推移，MC掺入可有效克服NS改性效果逐渐减小的劣势。苏鑫[11]开展了NS和NC对混凝土力学性能和耐久性能的研究，当复掺NS和NC时，随着纳米材料的增加，混凝土的抗压、劈裂抗拉强度及抗氯离子渗透性能都会呈现出先升高后降低的趋势，发现NS掺入对混凝土性能的影响要大于NC的作用。
综上所述，NS和NC的纳米效应能促进水化作用，使混凝土内部ITZ结构更加致密，从而提高RAC力学及耐久性能[12]。目前研究针对NS和NC的单掺提升普通混凝土性能的研究较多，而二者协同改性效果及机制尚不清晰，且二者掺量比例多少效果最佳也未知。因此，为了进一步明确RAC性能提升的纳米复掺改性机制，并考虑NC掺量超过某一阈值是否会对RAC性能产生消极作用，本文选用NC掺量为0%、1%、3%和5%，而已有研究表明NS改性RAC最佳掺量为3%，故本文其产量仅选用0%、1%、2%和3%。基于此，开展不同掺量的NS与NC单/复掺改性全再生粗骨料混凝土(FRAC)力学及吸水性能的试验研究，分析纳米材料掺量对其强度及吸水率的影响规律，最后在微观尺度上表征纳米材料单/复掺对其微观形貌的改性效果。
1. 试 验
1.1 原材料及配合比
再生混凝土所使用的胶凝材料选用国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2023)[13]中的P·O 42.5普通硅酸盐水泥(C)，细骨料选用为级配良好的青岛大沽河天然河砂(S)，最大粒径为5 mm，细度模数为2.7，级配符合要求；再生粗骨料(RCA)由C30级现场浇筑混凝土构件经颚式破碎机破碎2~3次获得，根据《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2022)[14]测试了再生粗骨料的颗粒级配(图1)和物理性能指标(表1)；试验所需的纳米材料，采用微量分散剂的商用NS溶液；选用宜城市晶纳环保科技有限公司生产的NC分散溶液。通过由日本电子株式会社生产的型号JEM-2100F透射电子显微镜对NS和NC溶液进行分散性能的测试(图2)，NS溶液粒径在10~20 nm之间，NC溶液粒径在40~50 nm，表明NS微粒和NC微粒具有良好的分散性和稳定性，其物理性能参数指标见表2。为了提高新拌再生混凝土的流动性，选用了江苏苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂(SP)，本试验所用的水均为实验室的普通自来水(W)。
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图 1 再生粗骨料(RCA)的颗粒级配曲线Figure 1. Particle grading curves of recycled coarse aggregate (RCA)表 1 再生粗骨料的物理性能指标Table 1. Physical properties index of recycled coarse aggregateType Water
absorption/
%Moisture
content/
%Crush
index/
%Apparent
density/
(kg·m−3)RCA 5.2 4.0 19.12 2706.2 ![]()
图 2 纳米材料分散液及透射电镜图像Figure 2. Nanomaterials dispersion solution and transmission electron microscopy images表 2 NS和NC分散剂溶液的物理性质Table 2. Physical properties of NS and NC dispersant solutionType Appearance Granular size/nm Mass concentration/% pH NS Clear liquid 155 30 9.0-11.0 NC Clear liquid 402 20 9.5-10.5 本试验全再生混凝土(FRAC)配合比如表3所示，采用有效水灰比为0.4，RCA取代率为100% (R100)；向RAC中加入占胶凝材料含量 0%、1%、2%和3%的NS及0%、1%、3%和5%的NC，分别用S和C表示，例如：S3C1表示为向RAC内掺入3%的NS和1%的NC；NS和NC分别为分散溶液，由于自身溶液内含有一定水分，因此在计算实际用水量时要减去NS和NC用量内的水分；相对于普通混凝土(NAC)不同，在RAC拌合过程中还需要加入附加用水量(AW)[15]，主要是由于RCA的吸水率要远高于天然粗骨料(NCA)，会影响RAC实际水灰比，进而影响RAC的水化程度及其各项性能。
表 3 全再生混凝土(FRAC)配合比(单位：kg/m3)Table 3. Mix proportion of fully recycle aggregate concrete (FRAC) (Unit: kg/m3)Group C W AW S RCA SP NS NC S0C0 380 152 26 627 1269 2.28 0 0 S1C0 380 152 26 627 1269 2.28 12.7 0 S2C0 380 152 26 627 1269 2.28 25.3 0 S3C0 380 152 26 627 1269 2.28 38 0 S0C1 380 152 26 627 1269 2.28 0 19 S0C3 380 152 26 627 1269 2.28 0 57 S0C5 380 152 26 627 1269 2.28 0 95 S1C1 380 152 26 627 1269 2.28 12.7 19 S1C3 380 152 26 627 1269 2.28 12.7 57 S1C5 380 152 26 627 1269 2.28 12.7 95 S2C1 380 152 26 627 1269 2.28 25.3 19 S2C3 380 152 26 627 1269 2.28 25.3 57 S2C5 380 152 26 627 1269 2.28 25.3 95 S3C1 380 152 26 627 1269 2.28 38 19 S3C3 380 152 26 627 1269 2.28 38 57 S3C5 380 152 26 627 1269 2.28 38 95 Notes: C represents cement; W and AW mean water content and additional water content in the recycled aggregate concrete (RAC) mix; S means the used sand; SP means polycarboxylate superplasticizer. 再生混凝土拌合物制备采取多次搅拌法，先倒入RCA，并加入预先计算好的附加用水量，搅拌1 min，继而加入水泥、河砂、所需用水量和SP，搅拌2 min，使水泥的水化反应更加充分，以提高混凝土内部结构的致密性[16]；最后依次加入NS、NC分散溶液，二者间隔1 min，目的是让NS充分发挥火山灰和填充等作用，加入NC后继而搅拌2 min，最后装入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体模具内，浇筑完成后用保鲜膜覆盖试件，放置在温度为20℃室内养护24 h，然后拆模并放置在温度(20±2)℃和相对湿度95%的标准养护室养护至28 d。
1.2 力学性能测试
依据国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[17]，采用济南纳斯诺工业测试系统有限公司生产的YAW-3000D液压式万能试验机对28 d养护完成后的试件进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试，加荷速度分别保持在0.5 MPa/s和0.05 MPa/s。劈裂抗拉强度试验应保持试件中心与下承压板中心对齐。每个配合比选取3个试件测试的算术平均值作为该组试件的强度值。
1.3 毛细吸水试验
基于传统的测重法开展了RAC吸水性能试验。依据ASTM C1585—04[18]规范标准，在试件养护完成后，将试件放于105℃的由绍兴苏珀仪器设备有限公司生产的101-1B烘干箱直至达到恒重。取出试件，冷却至室温，将试块侧面用自黏贴锡纸包住，以保证混凝土内水分的一维传输行为。试验开始前，将试块放在三角垫条上，使水面高出试件底面3~5 mm (图3)。利用昆山优科维特有限公司生产的精度为0.01 g、型号为HZ-20003的电子称记录试件吸水前的质量，吸水开始后每隔一定时间记录一次吸水质量，具体时间间隔分别为1 min、5 min、10 min、20 min、30 min、1~6 h (每隔1 h测一次)、1~8 d (每隔1 d 测一次)。
1.4 微观结构表征
1.4.1 SEM测试
为了研究NS和NC单/复掺后对FRAC内部微观结构的影响，表征了不同纳米材料单/复掺量下试件内部微观形貌。选取S0C0、S3C0、S0C3、S3C1、S1C3和S3C3试样，试件尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，采用日本电子有限公司(JEOL)生产的JSM-7610 SEM设备，设定工作电压为15 kV，采用放大倍数为
5000 ×，然后对RAC样品进行微观结构的观察。1.4.2 XRD 测试
试件养护28 d后利用力学性能测试试块取中间部位10 g 左右浸泡在无水乙醇中48 h终止水化，然后放入由常州苏瑞仪器有限公司生产的XA-3型高速粉碎机中进行研磨成粉末，用筛径74 μm的筛进行筛分，筛分完成放入烘箱中烘干至恒重，使用布鲁克D8 advance型X射线多晶衍射仪进行粉 末样品的试验分析。
1.4.3 MIP测试
为表征改性后的FRAC内部孔隙结构，采用压汞法(MIP)进行表征。利用Micro Active Auto Pore V 9600型压汞仪，基于Wittman假设，通过外加压力与压入气孔中汞的表面张力，得到孔径的分布状态。对 S0C0、S3C0、S0C3和S3C3这4种不同纳米材料掺量的试块进行中心取样，尺寸大小为 10 mm×10 mm×10 mm，放于105℃的烘箱中至达到恒重。假设接触角为130°，在0.69 kPa至420 MPa的压力下进行汞的压入和挤出，每种压力水平的平衡时间为10 s。因此，最大和最小应力条件下将分别对应于从5 nm至
100000 nm的圆柱形孔隙尺寸。1.4.4 显微硬度测试
采用显微硬度测试技术表征NS和NC改性后FRAC的多重界面性能变化，对骨料、旧砂浆和二者之间的ITZ进行维氏硬度进行定量评测，显微硬度测试设备型号为YZHV-1 ZP，双光通道，最小检测分辨率为0.01 μm。样品准备为：用切割机在试块中心处切割厚度为10 mm的片状样品，保持样品两个面平行；符合标准的样品放置于异丙醇中浸泡24 h，终止水化；接着依次将74 μm、37 μm、15 μm、11 μm、9 μm 的砂纸固定于金相研磨抛光机上对片状样品进行逐级研磨，每级砂纸研磨时间为10~15 min，选用无水乙醇为润滑剂；分别使用粒度为2.5 μm和1 μm金刚石喷雾抛光剂对样品切片进行抛光，每一粒度的抛光时间为8~10 min；抛光完成后使用超声波清洗机清除样品表面的残留物，最后将样品切片置于50℃的烘箱中烘干至恒重，烘干结束后放于干燥皿中备用。
2. 结果分析与讨论
2.1 FRAC抗压强度
混凝土经过NS和NC改性后会有效改善内部微观结构，进而体现出在掺入适量的纳米材料后，混凝土的力学性能有所提高[19-21]，提高混凝土构件的承载能力。相比普通混凝土，RAC本身内部缺陷更明显，改善效果更显著。纳米SiO2/CaCO3复掺改性FRAC的28 d抗压强度结果如图4所示。可以发现，单掺NS/NC后的再生混凝土抗压强度较对照组均有一定程度的提高；对于单掺NS的FRAC，S1C0、S2C0和S3C0试件抗压强度分别较S0C0提高了8.4%、12.4%和17.6%，即抗压强度随着NS掺量的增加而升高；当单掺NC组，S0C1、S0C3和S0C5试件抗压强度较S0C0分别提高了9.2%、16.6%和11.2%，即在NC掺量0%~5%范围内，抗压强度随着NC掺量的增加呈现出先升高后降低的趋势，NC掺量为3%时抗压强度最高，但降低后的抗压强度也仍高于S0C0组试件。
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图 4 NS/NC复掺对全再生混凝土抗压强度的影响Figure 4. Effect of NS/NC mixture on the compressive strength of FRAC当FRAC复掺纳米材料时，针对S1C0而言，掺入一定量的NC后，会对FRAC抗压强度有明显的改善，S1C1、S1C3和S1C5的抗压强度分别较S1C0提高了3.7%、8%和7.1%；同理，S2C0组与此相似，S2C1、S2C3和S2C5分别提高了0.9%、6.2%和5.1%；FRAC经NS一定量改性后，随着NC掺量的增加，抗压强度呈现先升高后降低的趋势，而S2C1、S2C3和S2C5的抗压强度分别高于相对应的S1C1、S1C3和S1C5，也进一步证实了随着NS增加到适当的掺量，会增大FRAC抗压强度。当NC掺量一定时，再生混凝土抗压强度随NS掺量的增加而升高，主要是由于NS具有较强的火山灰活性，与水泥的水化产物CH发生反应，生成的C-S-H改善RAC内部结构缺陷，使其内部结构变得更加致密均匀[22]。然而，随着NC掺量增加而升高的现象，是由于NC在水化的过程中与水泥中的铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)发生反应，生成的水化碳铝酸钙提高混凝土强度[11]。另外，无论是NS还是NC，由于纳米材料粒径微小，因其本身就具备有填充作用，可减少FRAC内部孔隙和微裂缝，使ITZ更致密。对于后期降低的现象主要是由于掺入过量NC会生成过量的低碳型水化碳铝酸钙产生团聚现象所致；而当NC掺量过大，在FRAC碱性环境中易发生团聚现象而不能发挥纳米粒子的特殊优势，在FRAC内部产生更多薄弱的ITZ，导致孔隙和微裂缝的增加，从而降低改性效果[23]。此外，由于S3C0的抗压强度值为47.4 MPa，S1C3的抗压强度值为47.2 MPa，发现当复掺比例为1%NS和3%NC时，达到3%NS单掺的效果。综合来看，当选用S3C3时为最佳掺量组，改善FRAC抗压强度效果最为明显。
2.2 FRAC劈裂抗拉强度
同抗压强度研究结果相似，NS和NC单/复掺改性后的再生混凝土试件28 d的劈裂抗拉强度如图5所示；单掺NS和NC及复掺改性后的FRAC劈裂抗拉强度都比S0C0有一定程度的提高。当NS掺量一定时，随着NC掺量的增加，FRAC劈裂抗拉强度大致呈现先升高后降低的趋势，而当NC掺量一定时，随着NS掺量的增加，FRAC的劈裂抗拉强度呈现逐渐升高的趋势。S0C1、S0C3和S0C5较S0C0劈裂抗拉强度分别提高了15.6%、25%和18.8%，而S2C1、S2C3和S2C5劈裂抗拉强度分别较S0C0提高了2.9%、13.5%和12.2%，S3C0和S1C3的劈裂抗拉强度值分别为3.85 MPa和4.1 MPa，二者强度值接近，也进一步说明当复掺比例为1%NS和3%NC时，可达到3%NS单掺的效果。综合来看，复掺纳米材料对FRAC劈裂抗拉强度改善效果较好，且最佳掺量的试件组为S3C3。
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图 5 NS/NC单/复掺对全再生混凝土劈裂抗拉强度的影响Figure 5. Effect of NS/NC single/compound mixture on splitting tensile strength of FRAC2.3 FRAC的毛细吸水性能分析
2.3.1 毛细吸水质量
NS和NC单/复掺改性条件下FRAC的毛细吸水质量如图6所示，其中S代表为NS的掺量。无论是NS和NC的单掺还是复掺，都会减少FRAC的毛细吸水质量。由图6(a)、图6(b)可知，S0C0的毛细吸水质量最多，由于掺入了100%的RCA代替NCA；掺入纳米材料后，有效减少了孔隙和微裂缝的数量，NS与CH发生二次水化反应生成C-S-H，且NS由于本身细小粒径，发挥了其物理填充效应；另外，适量的NC掺入可促进水泥水化作用，与C3A和C4AF反应生成水化碳铝酸钙，进而形成RAC内部较均匀且致密的水化基体结构，改善内部孔隙结构，细化并降低有害孔含量，降低了RAC毛细吸水质量。
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图 6 单/复掺NS和NC改性FRAC的毛细吸水曲线S—Nano-SiO2 contentFigure 6. Capillary water absorption curves of FRAC modified by NS and NC single/compound incorporation如图6(b)~图6(d)所示，当掺入过量的NC反而会导致吸水量升高；S0C3、S1C3、S2C3和S3C3在吸水8 d后，吸水质量分别增加了107.61 g、100.36 g、98.92 g和93.66 g，而S0C5、S1C5、S2C5和S3C5吸水质量分别增加了136.28 g、108.56 g、 105.36 g和108.57 g，但均远低于S0C0组8 d后的吸水质量。随着NC掺量的增加，FRAC的吸水质量呈现先降低后升高的趋势。这是由于当FRAC内NS一定量时，掺入过量的NC后，发生反应会生成过量的低碳型水化碳铝酸钙，其团聚后会降低强度，且过量掺杂会导致孔隙和微裂纹增加，从而导致FRAC毛细吸水质量增加。当NC掺量一定时，FRAC毛细吸水质量随着NS掺量增加而呈现降低趋势，NS掺量越大，降低趋势越平缓。单掺纳米材料时，S3C0和S0C3吸水质量减少的最明显，而纳米材料复掺中S3C3的毛细吸水质量减小最明显，说明纳米材料复掺后各自发挥在FRAC中的填充作用[10]，使内部的微裂缝和孔隙得到有效填充，同时也提高了FRAC耐久性能。
2.3.2 吸水率
为了评价混凝土吸水性能，通常用吸水率Sw来表征，也可间接反映并量化纳米材料复掺对全再生混凝土性能的改性效果。吸水率Sw (m/h0.5)为自变量时间的平方根与因变量毛细吸水质量之间的吸水曲线的斜率。由于FRAC与水接触瞬间，表层的微裂缝及孔隙瞬间被水填充，因此，混凝土在t时刻的一维累积毛细吸水质量i (mm)可用下式所示：
i=ΔmρwAc=Sw√t+b (1) 式中：
Δ m为毛细吸水质量(g)；ρw为水的密度(g/mm3)；Ac为试件与水接触的截面积(mm2)；b为拟合曲线的纵轴截距。利用式(1)对FRAC的毛细吸水质量曲线进行拟合，以吸水时间t=24 h为分界点，分别确定出FRAC的初期吸水率Sini与后期吸水率Ssec，图7为NS及NC改性后FRAC的初期率和后期吸水率变化规律。每组试件的后期吸水率均低于初期吸水率，原因可能是由于试件的表面毛细孔的表面张力增加了初期吸水率，而对后期吸收阶段试件内部孔隙的填充速度相对较慢。烘干后，FRAC内的孔隙压力较低，在接触水后，内部微裂缝及孔隙迅速吸水，微裂缝和孔隙越多，导致前期的吸水率越高；对于S0C0~S3C0这4组试件，随着NS掺量的增加，FRAC内部结构被填充越致密，NS与CH的二次水化产生的C-S-H有效改善FRAC内部微结构，可供水分流经的通道越来越少，近而前期吸水率逐渐降低；而S0C1~S0C3试件，初期吸水率先降低后升高，是由于当掺入过量的NC后，其团聚后会导致FRAC内部水分传输通道变多，加快了FRAC初期吸水率。![]()
图 7 不同NS和NC单/复掺量对FRAC吸水率的影响Figure 7. Effects of different NS and NC single/compound dosages on water absorption of FRAC2.4 FRAC的微观结构分析
2.4.1 SEM微观形貌
纳米材料有效改善FRAC内部结构，大大减少微裂缝和孔隙数量，ITZ附近变得更加致密[24-26]。对单/复掺纳米材料改性后FRAC的扫描电镜试验分析，如图8所示。未进行纳米材料改性的S0C0为对照组，可以观察到试件内的水化产物较少，且内部有较多的微裂缝和孔隙，ITZ周围存在明显裂纹；单掺NS和NC的S3C0和S0C3试件，可明显观察裂缝和孔隙都变得很少，而内部结构中ITZ周围变得较致密，一方面是NS与CH的二次水化产物C-S-H和NC促进水泥水化作用，参与水化反应生成了水化碳铝酸钙，对ITZ及内部缺陷进行填充；另一方面是由于NS和NC的粒径极小，可以直接发挥物理填充效应，对FRAC内部结构有明显的改善作用。如图8(b)所示，对于复掺纳米材料改性后FRAC微观形貌，从S1C3和S3C1的SEM图像可观察，试块内部的水化产物比单掺时更多，微裂缝和孔隙都也减少许多，而S3C3组中微裂缝和孔隙更少，且内部结构中ITZ周围变得致密，这是由于除了纳米材料的填充效应外，NS和NC还具有协同效应，可以更好地改善再生混凝土的微观结构。通过S3C5的SEM可以明显观测到纳米粒子发生团聚现象，且微裂缝有所加宽。这是由于过量NC和NS的掺入，会在FRAC内产生团聚现象，团聚后的FRAC内部产生更多薄弱的ITZ，导致孔隙和微裂缝的增加，降低FRAC改性效果。
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图 8 NS和NC单/复掺改性FRAC的SEM图像Figure 8. SEM images of FRAC modified by single/compound mixture of NS and NC2.4.2 XRD物相分析
通过X射线多晶衍射仪对FRAC的S0C0、S3C0、S0C3和S3C3的水化产物进行表征分析，如图9所示。从XRD图谱可知，水化产物主要成分为二氧化硅(SiO2)、CH、硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、碳酸钙(CaCO3)、水化硅酸钙(C-S-H)和水化碳铝酸钙(C3A·CaCO3·11H2O)。在4种试样中，C3S和C2S含量都相对较低，说明FRAC水化过程较完全；C-S-H在S3C3试样中峰值最高，且CH此时峰值较小；在S0C3和S3C3试样中得到C3A·CaCO3·11H2O，且在S3C3试样中峰值最高，表明了由于NS具有良好的成核效应和火山灰活性，加速消耗了FRAC中的CH含量生成更多的C-S-H，使FRAC内部空间排列更加致密均匀；而NC可以促进水泥水化作用，生成新的水化产物C3A·CaCO3·11H2O，改善内部孔隙结构，减少有害孔，且NC具有较高的表面能，能够使混凝土浆体中的Ca2+和OH–吸附到其表面，进而降低CH 的含量。
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图 9 NS和NC单/复掺改性FRAC的XRD图谱CH—Ca(OH)2; C-S-H—Calcium silicate hydrate; C3S—Tricalcium silicate; C2S—Dicalcium silicateFigure 9. XRD patterns of FRAC modified by single/compound mixture of NS and NC2.4.3 MIP分析
为了进一步分析纳米材料对FRAC内部孔隙结构的影响，分别对S0C0、S3C0、S0C3和S3C3 4种试块开展了不同纳米掺量改性的FRAC内部孔隙率、平均孔径及孔径分布的影响分析，总体发现，NS和NC的掺入可有效改善FRAC内部孔结构。从图10(a)可以看出，未经NS/NC改性后的S0C0组FRAC孔隙率最高，平均孔径最大，这是由于RCA在形成过程中，经过机械的破碎、研磨等工序，导致本身具有孔隙率高和压碎指标大等缺陷，又因RCA表面带有旧砂浆，导致ITZ结构更加复杂且增加了孔隙率。S3C0、S0C3和S3C3组的孔隙率和平均孔径相对于S0C0分别降低了25.45%、30.2%及72.3%，27.9%、25.2%和33.6%，S3C0和S0C3均高于S0C0，但S3C3组改性效果最为明显，表明单掺NS和NC可以改性FRAC内部孔隙结构，但二者复掺改性效果明显优于NS和NC的单掺；通过图10(a)的孔径分布影响曲线可知，随着纳米材料NS和NC的掺入，FRAC内部最可几孔径在减小，且S3C3复掺后减小最明显，S3C0最可几孔径小于S0C3组，表明同质量分数掺入情况下，NS改性效果优于NC。综上可知，NS和NC一方面因纳米材料比表面能大，发挥着火山灰效应和成核效应，促进FRAC的二次水化作用，消耗更多的CH含量，产生更多能使FRAC内部均匀致密的C-S-H和C3A·CaCO3·11H2O；另一方面，由于NS和NC粒径极小，发挥其填充效应，减少FRAC内部有害孔数量；然而，NS和NC的复掺改性，二者体现出协同改性的作用，进一步改善FRAC内部孔结构。
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图 10 NS和NC掺量对FRAC孔隙率、平均孔径和孔径分布的影响dV/dlgD—The volume distribution of corresponding particle sizeFigure 10. Effects of NS and NC content on porosity, mean pore size and pore size distribution of FRAC2.4.4 显微硬度分析
图11为NS和NC单/复掺改性FRAC样品显微硬度测试结果。选取S0C0、S3C0、S0C3和S3C3这4组试件，通过显微硬度测试技术测定了经NS和NC单/复掺改性作用后FRAC中RCA、旧砂浆及ITZ的维氏显微硬度变化。从图中可以发现，FRAC中RCA的显微硬度值约为300 MPa左右，远超于旧砂浆和ITZ的显微硬度值；旧砂浆基体是一个复杂集合体，包含着细骨料、孔隙及裂纹、多种水化产物及未发生水化反应的水泥颗粒，导致其内部质地不均，因此显微硬度值会有一定小范围的波动；而ITZ的显微硬度值波动范围较大，因其内部结构疏松多孔导致性能较薄弱。另外，S0C0组ITZ的显微硬度值为78.6~121.2 MPa，差值为42.6 MPa，ITZ宽度约为71 μm；单掺3%NS后，S3C0组ITZ的显微硬度值在98.8~134.6 MPa之间，差值为35.8 MPa，ITZ宽度约为61 μm；单掺3%NC后，S0C3组ITZ的显微硬度值在95.9~129.7 MPa之间，差值为33.8 MPa，ITZ宽度约为66 μm；而在纳米材料复掺作用下，S3C3组ITZ的显微硬度值在109.3~141.2 MPa之间，差值为31.9 MPa，ITZ宽度约为50 μm。对比可知，单掺NS和NC的ITZ维氏硬度得到一定提升，复掺后的S3C3组优于单掺改性。产生这种现象的原因是S3C3内的NS和NC在二次水化过程中各自发挥着自身优势，表明其具有协同改性作用；此外，又因NS和NC粒径极小，发挥填充作用，使FRAC的ITZ显微硬度提升，ITZ宽度减小。
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图 11 NS和NC改性FRAC骨料-旧砂浆界面处显微硬度变化ITZ—Interfacial transition zoneFigure 11. Microhardness values at the interface between NS and NC modified FRAC aggregate and old mortar3. 结 论
(1)与未改性的全再生粗骨料混凝土(FRAC)相比，纳米SiO2 (NS)和纳米碳酸钙(NC)的掺入可有效改善FRAC内部微观结构，提升混凝土强度。纳米SiO2 (NS)和纳米碳酸钙(NC)单/复掺对FRAC的抗压、劈裂抗拉强度均有所提高，但随着NC掺量的增加会呈现先升高后降低的趋势，这是由于过量的NC会在FRAC内部发生团聚作用，对FRAC的强度产生负增长，生成过量的低碳型水化碳铝酸钙，会导致孔隙和裂痕增加，从而降低改性效果。当复掺比例为1%NS和3%NC时，可达到3%NS单掺的效果。
(2) FRAC内部微观结构改性效果可间接通过毛细吸水性能评价。与对照组比较，NS和NC单/复掺改性后的FRAC，毛细吸水质量及毛细吸水率都会有所降低，纳米材料的二次水化作用及物理填充效应会使FRAC内部结构更加致密，细化孔隙结构，从而使水分子的传输通道曲折且不连续。经比较，S3C3组改性效果最佳，8 d共累计吸水量为93.66 g。
(3)根据单/复掺NS和NC的微观形貌可知，试件内部的孔隙和微裂缝数量大大减少，单掺NC效果要优于单掺NS，但过量的NC也会产生负面影响，本实验中NC掺量控制在3%以内性能改性效果较优；复掺后的改性效果相较于单掺更明显，NS和NC的相互协同作用会将FRAC内界面过渡区(ITZ)结构更加致密，二者的最佳复掺量均为3%。
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图 1 光热实验示意图：(a)装置整体；(b) 2D+3D供水通道示意图
i—Xenon lamp; ii—Small evaporator, iii—Electronic balance; 1—Carbonization layer; 2, 4, 9—Polystyrene (PS) insulated foam; 3—Material water transport layer; 5—Air; 6—Absorbent paper; 7—Water; 8—Beaker
Figure 1. Schematic diagram of photothermal experiment: (a) Apparatus; (b) Schematic diagram of 2D+3D water supply channel
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图 2 轻木原木(a)和脱木素木(b)横切面的SEM图像
Figure 2. SEM images of cross section for balsa (a) and delignified wood (b)
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图 3 轻木原木(a)和脱木素木(b)纵切面的 SEM图像
Figure 3. SEM images of longitudinal section for balsa (a) and delignified wood (b)
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图 4 碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)碳化层的横切面SEM图像
Figure 4. SEM images of photothermal material based on a delignified balsa wood (CDW) carbonized layer's cross section
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图 5 CDW碳化层的纵切面SEM图像
Figure 5. SEM image of CDW carbonized layer's longitudinal section
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图 7 CDW、脱木素木和轻木原木的FTIR图谱
Figure 7. FTIR spectras of CDW, delignified balsa wood and balsa
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图 9 CDW在3 h内的有无供水情况：(a)水蒸发量曲线；(b)材料顶面温度曲线
Figure 9. CDW with or without water supply within 3 h: (a) Weightlessness curves of water; (b) Temperature curves of materials' surface
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图 10 CDW、原木、脱木素木、碳化原木在 4 h 内水蒸发量曲线(a)及材料顶面温度曲线(b)
Figure 10. Weightlessness curves of water (a) and temperature curves of materials' surface (b) of CDW, balsa, delignified balsa wood, carbonized balsa wood within 4 h
表 1 CDW与其他文献工作报道的材料对比
Table 1 Comparison of materials reported by CDW and other literatures
Material Evaporation
rate/
(kg·(m2·h)−1)Evaporation
efficiency/%Ref. APDA-Wood 0.91 77.0 Zou et al. (2021)[37] CS-Wood 0.95 67.9 Wang et al. (2019)[39] F-Wood 1.05 72.0 Xue et al. (2020)[42] CPS 1.20 82.2 Lu et al. (2020)[41] Fe-D-Wood 1.30 73.0 Song et al. (2021)[36] ALD/
Chinese Ink-
coated Wood1.31 82.2 Yang et al. (2019)[40] PPy-Wood 1.33 83.0 Huang et al. (2019)[38] Wood@ATP 1.42 90.8 Chen et al. (2017)[43] CDW 1.53 91.5 This work Notes：APDA-Wood—Wood-based material modified with arginine polydopamine; CS-Wood—Candle soot-decorated wood; F-Wood—Wood treated with alcohol flame; CPS—Carbonized pencil shaving; Fe-D-Wood—Fe3O4/polyvinyl alcohol decorated delignified wood; ALD/Chinese Ink-coated Wood—Wood-based material loaded with Chinese ink; PPy-Wood—Wood loaded with polypyrrole; Wood@ATP—Aluminophosphate-treated wood. 
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目的
随着经济和社会的快速发展，全球淡水资源需求量不算增加，导致全球淡水资源严重短缺。海水淡化技术成为解决目前的淡水资源短缺问题的重要途径，本文通过制备性能良好的光热材料、设计具有2D+3D结合供水结构的小型蒸发器来实现高效率的水蒸发。
方法①材料的制备：配制亚氯酸钠溶液作为脱木素溶液，将规格为20×20×20 mm的轻木木块放入盛有脱木素溶液的锥形瓶中，之后将锥形瓶放入预热好的油浴锅中90℃加热1小时，瓶口用保鲜膜封住。1小时后取出木块，用去离子水和无水乙醇反复洗涤，于40℃烘箱中干燥48小时后取出，得脱木素木块。用铝箔包住一定范围的木块侧面，于500℃的高温加热板表面对脱木素木块的顶表面进行碳化，得碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)。②具有2D+3D供水结构的小型蒸发器的设计：将浸满水的材料用PS泡沫包裹保温，仅留出上、下表面。小烧杯中盛有去离子水，在水面上方10 mm处放入PS泡沫隔热板。将两张吸水纸沿杯壁插入小烧杯的水中(二者直线距离为小烧杯的直径)，高出烧杯中隔热板的部分向隔热板中心弯折，水平重叠搭接。将保温好的材料放入隔热板表面的吸水纸重叠搭接处，隔热板及其下方的空气层共同组成蒸发器的隔热层，材料的非碳化部分作为3D供水通道，吸水纸作为2D供水通道，材料表面碳化部分为吸光层。将整个烧杯放置于电子天平上，烧杯外部由PS泡沫进行保温。
结果①SEM、FT-IR、Uv-Vis-NIR、Raman光谱四种表征表明制备的碳化脱木素轻木木基光热材料仍保留轻木的部分导管及大小孔结构，且毛细管作用增强，有利于输水；材料的碳化层具有缺陷结构且疏水，有利于吸光。②采用具有2D+3D供水结构的小型蒸发器进行光热水蒸发实验，计算发现水蒸发所需的潜热较低，所得光热蒸发速率较高，达1.5310 kg/(m·h)，光热转换效率较高，达91.5%。通过与无供水情况下的光热实验对比，证实吸水纸能够稳定给材料提供水源；通过与原木、脱木素木、碳化原木的光热水蒸发实验作对比，证实了CDW具有良好的输水性、吸光性及高光热转换能力；通过与材料直接接触水的3D供水情况作对比，证实了2D+3D供水结构具有一定的优越性。与其他文献工作报道的材料对比，本文的蒸发器在蒸发速率和蒸发效率方面具有一定优势。
结论利用本文制备的材料，采用2D+3D供水结构，实现了较高的光热蒸发速率，达1.5310 kg/(m·h)，材料所需的水蒸发潜热较低，光热转换效率达91.5%。具有一定的优越性。与其他文献的材料对比，本文依托CDW所建立的2D+3D供水结构蒸发器在蒸发速率和蒸发效率方面具有一定优势，有必要进一步开展循环运行实验及脱盐实验并用于海水淡化。
计量
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