常用屋頂綠化基質材料的保水性能

摘要：研究在飽和狀態、反復干濕循環和自然蒸發3種情況下常用屋頂綠化基質材料陶粒、草炭和保水劑的保水性能。通過抽真空飽和試驗得到基質材料的蓄水性能，試驗發現基質材料混合后實測飽和含水量大于理論推算值，分析了導致材料混合使得蓄水性能大幅提高的原因。采用反復干燥吸水試驗證明陶粒和草炭具有良好的熱穩定性，而保水劑在較高溫度烘干時主分子鏈易斷裂，反復吸水和烘干后其保水性能大幅降低。常溫常壓蒸發試驗表明在含水量較高時，三者蒸發速率與自由水面蒸發的相當，隨著含水量降低，保水性能越差的基質材料蒸發速率降低越快，合理添加保水劑能有效改善基質材料保水性能。

關鍵詞：屋頂綠化；基質材料；保水劑；保水性能

中圖分類號：TU1114

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2015）01006706

隨著中國城市發展步伐加快，城市建筑面積和密度急劇增長，排水設施卻相對不夠完善，加上近年來極端天氣頻發，導致大城市內澇現象頻頻發生。針對城市內澇，城市建設過程必須對排水系統合理規劃、加強管理[1]，同時對已有和在建建筑物的屋頂進行綠化不僅能存蓄雨水、降低徑流總量和洪峰峰值，還能增加城市綠地面積、吸附固體顆粒、凈化空氣、改善環境[2]。合理利用屋頂載荷，逐漸普及屋頂綠化，每增加一塊綠地，將會在人與自然的天平上放置一塊調平砝碼。陶粒、草炭以及保水劑被廣泛應用于不同行業，它們的基本性質學者們已有研究，例如祁景玉等[3]采用X光（XRD）、電鏡（SEM）、紅外（IR）和差熱（DTA）等探測手段對陶粒的微觀結構進行了研究，秦玲等[4]使用草炭對沙質土壤保水性能改良，VldalBeuadet等[5]、Mooney等[6]、Beheim[7]研究了草炭的孔隙結構以及內部水分運移情況，張建剛[8]、張運超等[9]對多種保水劑保水性能進行了研究。但針對陶粒的保水性能以及陶粒、草炭、保水劑三者混合作為為屋頂綠化基質材料的保水性能少人研究，筆者以上述3種常用屋頂綠化基質材料為主要研究對象，對三者以及三者的混合物的保水性能進行試驗研究。

張華，等：常用屋頂綠化基質材料的保水性能

1材料與方法

11試驗材料

試驗選取常用的屋頂綠化基質材料：陶粒、草炭和保水劑。陶粒過篩選取粒徑5～8 mm摻煤渣燒制的陶粒，顆粒均勻飽滿；草炭為將東北草炭土搗碎過100目篩留存；保水劑由東莞市安信保水有限公司生產，成分為聚丙烯酸鹽的具有三維網狀結構的有機高分子聚合物。

12試驗方法

為了研究屋頂綠化基質材料的保水性能，試驗從飽和含水率、可重復利用次數以及蒸發速率等3個方面進行研究，設計了3項試驗：抽真空飽和試驗、反復干燥吸水試驗和室內常溫常壓蒸發試驗。試驗將基質材料單獨或按一定配比混合共5個樣本進行試驗。5個樣本分別為：陶粒、草炭、保水劑、陶粒與草炭混合、陶粒草炭保水劑混合，樣本配比如表1所示。

121抽真空飽和試驗陶粒和草炭在常溫常壓下進行浸泡往往需要數天才能完成吸水過程，而且最終也不能達到飽和。因此，使用真空飽和的方法加速這一過程，同時也使基質材料達到飽和狀態。試驗設備為真空飽和缸和真空泵，試驗方法：使用精度為001 g的電子天平稱取試樣材料按比例制樣，將試驗材料用200目篩網布包裹（對含有保水劑的試樣包裹時應留有足夠空間待保水劑吸水膨脹），用橡皮筋封口捆扎后放入真空飽和缸內，真空缸和蓋之間涂一薄層凡士林，蓋緊。將真空缸與真空泵接通，啟動真空泵，當真空壓力表讀數接近-100 kPa，繼續抽氣1 h。微開真空缸進水閥門使純水徐徐注入真空缸，真空泵保持開啟狀態維持注水過程中飽和缸內的氣壓值。觀測真空缸水位，待水淹沒試樣后停止注水和抽氣，靜置24 h使試樣充分飽和后待開真空飽和缸取出試樣。將包裹試樣的篩網打開，展開靜置待篩網下無滴水后稱量試樣飽和后質量[10]。

122反復干燥吸水試驗基質材料在實際使用中經受不斷往復吸濕脫濕的過程，通過反復干燥吸水試驗測定隨著試驗次數增加基質材料吸水能力變化情況。試驗方法：使用精度為001 g的電子天平稱取試樣材料按比例制樣，將試樣平鋪在直徑15 cm的200目不銹鋼篩子（稱量并編號）內，篩子口用200目篩網包住并用橡皮筋捆扎。然后通過堆壓透水石將篩子沉浸在清水中，4 h后取出揭開篩網靜置10 min并無水滴下，用干抹布擦凈篩子周圍的水后稱取篩子重量。而后將篩子置烘箱內90 ℃烘干，烘干后取出冷卻再用篩網包裹捆扎后重復上述過程。如上述過程反復烘干9次，測量試樣在反復吸水干燥的過程中吸水能力的變化。

123室內蒸發試驗關閉門窗保持室內無風狀態，影響水分蒸發的環境因素主要是溫度與相對濕度。在試驗樣本蒸發試驗的同時添加一組水的蒸發試驗作為參照，所有試驗樣本均作兩組平行進行。試驗中使用開口16 cm×13 cm的塑料盒為蒸發器皿，以精度為001 g的電子天平和電子溫濕度表為稱量儀器，試驗方法如下：稱量試驗材料按比例混合制樣，采用抽真空飽和試驗方法對試樣進行飽和，將飽和后的試樣均勻攤鋪在蒸發器皿內，草炭與保水劑的厚度約為8 mm，陶粒以及含陶粒混合試樣以陶粒粒徑為攤鋪厚度。記錄此時時刻、溫度和相對濕度以及試樣和蒸發器皿的總質量。每3 h稱量蒸發器皿質量、溫度和相對濕度，直至蒸發過程結束。

2試驗結果與分析

21抽真空飽和試驗結果與分析

5組試樣經過24 h真空飽和后，試樣飽和含水率如表1所示。飽和含水率ω計算方法為

ω=m0-mdmd（1）

式中：m0為試樣飽和后的總質量；md為試樣飽和前的干質量。

由表1可知，基質材料的飽和含水率是保水劑>陶粒草炭保水劑三者混合>陶粒草炭混合>草炭>陶粒。試驗結果表明保水劑有很強的吸水能力，在屋頂綠化基質材料配比中加少量保水劑就能大幅增加整體的蓄水性能。

根據陶粒、草炭和保水劑的飽和含水率推算余下混合試樣的飽和含水率的理論值ω*計算方法：

ω*=ω1×θ1+ω2×θ2（2）

式中：ω1、ω2分別為表1中陶粒與草炭即試樣1與試樣2的平均飽和含水率；θ1、θ2分別為混合試樣中陶粒與草炭的含量。

由式（2）算得試樣4與試樣5的飽和含水率的理論值分別為2756和5977，均小于試驗數值2805和6267。

草炭是由未被徹底分解的植物殘體、腐殖質以及一部分礦物質組成，由未分解的植物殘體連接作用以及腐殖質的膠結作用而形成，具有蜂窩狀結構、架空狀結構和球狀結構，內部含有大量孔隙[11]。陶粒是在1 100～1 200 ℃左右的高溫燒結而成，并急速冷卻至700 ℃以下，其外殼包裹著一層嚴密的玻璃體，類似陶瓷的釉質，而內部疏松多孔呈蜂窩狀[3]。飽和的陶粒和草炭試樣中水主要以毛細水的形式存儲在內部孔隙中，而飽和的陶粒試樣中陶粒顆粒之間存在大量間隙，則將陶粒與草炭混合使陶粒與陶粒之間間隙由草炭填補，整體毛管孔隙增多，使得混合試樣的飽和含水率大于陶粒與草炭各自飽和含水率通過組合計算所得的值。又因為保水劑吸水會膨脹同時具有很強的膠黏性，易與草炭膠粘成團，增多毛管孔隙，使得混合試樣的飽和含水率進一步增大。

將草炭與保水劑按不同比例混合，通過抽真空飽和后測量計算不同試樣的飽和含水率以及有側限縱向體積膨脹率。如表2所示，將草炭和保水劑按不同比例混合，飽和后試樣的體積都會膨脹，而且膨脹的比率隨保水劑的含量增多而增大。由于體積膨脹，保水劑和草炭形成的團聚體有更大的孔隙率，毛管孔隙增多，使得實測的飽和含水率得值大于由草炭和保水劑各自飽和含水率推算得混合試樣的飽和含水率的理論值。

表2不同配比試樣飽和含水率與膨脹率

Table 2The saturated water content and expansion rate in different ratio

編號草炭含量/%保水劑含量/%膨脹率飽和含水率飽和含水率推算值

1100000130942824282

299307177170976250

398614197282747301

497921231698158785

22反復干燥吸水試驗結果與分析

反復干燥吸水試驗結果如圖1所示：隨著干燥次數的增多，陶粒的吸水性能基本不變；草炭以及陶粒與草炭的混合試樣的吸水量逐次減少，第9次干燥后吸水量為分別為初次吸水量的75%和76%；而保水劑以及陶粒草炭保水劑三者混合試樣的吸水性能衰減迅速，保水劑會逐漸喪失吸水效力，保水劑第1次烘干后吸水量減少28%，第4次烘干后保水劑的吸水能力喪失了93%。

圖1含水量與試樣干燥次數的關系曲線

Fig.1The relationship between water content and times of drying

這是由于陶粒經高溫燒制，其結構穩定，表層釉質外殼堅固，干濕循環對陶粒的結構不會造成破壞，使得陶粒具有良好的穩定性，經多次干燥其吸水能力基本不受影響。而在試驗過程中發現，草炭經過浸泡內部的小顆粒會由篩孔流失，在容器底會形成肉眼可見的沉淀層。這是因為經過反復的吸水干燥，草炭內部有機物破碎，腐殖質的膠結作用減弱，導致草炭的內部結構破壞，形成細小的有機物顆粒，同時有機物上膠結附著的土顆粒和礦物顆粒也會脫落，導致草炭內部毛管孔隙減少，吸水能力降低。

保水劑是不溶于水而能吸水膨脹的有機高分子聚合物，它的吸水方式既有化學吸附也有物理吸附。保水劑的化學結構中主鏈由C-C鍵構成，側鏈上含有—COONa、—COOH、—OH等強親水性基團，遇水時這些親水基團會電離并與水分子發生親合作用產生化學吸附。保水劑對水分子的物理吸附有少量是毛細管吸附，更多的是水分子吸附在高分子網狀結構內。保水劑是由高分子長鏈相互靠攏纏繞又彼此交聯形成的網狀結構，遇水時高分子鏈網擴張，而網內含有一定數量的親水離子，網狀結構內外產生滲透壓，水分子向網狀結構內部滲透[12]。但當保水劑經反復吸水干燥特別是經高溫烘烤，其分子鏈上的親水基團會逐漸失去同時主鏈上的C—C鍵發生無規則斷裂[13]。隨著干燥烘烤次數增多，保水劑分子鏈會失去更多親水基團而且由于主鏈斷裂再無法交聯形成網狀結構，化學吸附以及物理吸附的能力逐漸喪失，最終變成無吸水效力的晶體顆粒。值得注意的是，當保水劑含量過高時其吸水能力將超過根系的吸水能力，植物的生長與代謝將被抑制，因此在實際使用中保水劑比例應根據植物種類和基質類型適量調整[14]。

23室內蒸發試驗結果與分析

試樣水分蒸發是試樣內部水分經過試樣表面以水蒸氣的狀態擴散到大氣的過程。影響試樣水分蒸發的因素有很多，但歸納起來可分為兩類：內因和外因。內因是指與試樣自身相關的各類化學物理性質因素，它主要影響水分在試樣內運移特征。外因是指試樣蒸發時的外部環境因素，它主要影響液態水汽化所需要的能量供應強度[15]。筆者研究了不同試樣組合的蒸發規律并分析試樣組合和環境因素對試樣蒸發的影響。

231試樣組合對水分蒸發的影響不同試樣組合水分日蒸發量如圖2所示，試驗開始時5組飽和試樣水分蒸發速率都接近于自由水面蒸發速率，隨著試樣含水率降低，試樣蒸發速率隨之降低，而整個蒸發過程蒸發速率呈現為陶粒<陶粒與草炭混合<草炭<陶粒草炭保水劑混合<保水劑<水（對照）。

陶粒、草炭、陶粒與草炭混合蒸發在第17 d左右結束，陶粒和陶粒與草炭混合的蒸發衰減過程（第10～17 d）平緩，而草炭的蒸發衰減過程（第13～16 d）較劇烈。這是由于陶粒的表面是一層燒制形成的陶質或釉質，對陶粒內外有一定隔離作用，能減緩水分蒸發。陶粒內部呈細密蜂窩狀微孔，這些微孔是封閉且相互不聯通，這抑制了水的滲透，減緩水分在陶粒內運移的速度，使得陶粒蒸發相對平緩。而草炭內部結構呈不規則的蜂窩狀結構、架空狀結構和球狀結構，孔隙大小不規則且多為相互聯通的，水分易于在其內部運動。如表2所示，草炭飽和后體積膨脹，而隨著水分蒸發，其膨脹的結構逐漸松散，使水分更易于蒸發，在蒸發末尾其蒸發量衰減劇烈。

圖2日蒸發量與溫度的關系曲線

Fig.2The relationship between daily evaporation and temperature

由圖2可見，保水劑的日蒸發量略小于水，蒸發至第25 d結束，蒸發衰減過程（第23～25 d）劇烈。主要原因是：當水分子的熱運動超過保水劑對其的束縛力時，水分子脫離高分子網絡蒸發溢出。雖然保水劑有很高的吸水倍數，但與水形成的聚合物交聯度低，其對水束縛力也低，水分子易蒸發，因此保水劑蒸發量一直維持很高水平直至蒸發結束。將保水劑與陶粒、草炭三者混合，蒸發結束時間延長至第29 d，而且蒸發衰減過程（第23～29 d）相對平緩。這是由于保水劑具有很強的膠黏性使得草炭膠粘成團且具有很高穩定性[16]。團聚體結構穩定，保水劑被草炭和陶粒包裹，蒸發過程中水分運移得到抑制，且陶粒本身蒸發過程平緩，則三者混合試樣蒸發時間長、蒸發衰減過程平緩。

232環境因素對水分蒸發的影響試驗處在密閉實驗室內，無自然光照射，室內風速可視為零。由圖2和圖3可發現蒸發的大致規律：隨溫度升高試樣蒸發隨之加劇，隨大氣相對濕度升高試樣蒸發隨之減緩。

如圖2、圖3所示，試驗第11 d與第12 d相對濕度基本相同，環境溫度分別為224 ℃和221 ℃，第12 d環境溫度比前一日降低了03 ℃，保水劑和3種材料混合試樣的日蒸發量分別減少的86%和61%。這主要是因為溫度升高加劇了水分子的熱運動，水分子動能增加；同時，溫度升高，試樣內部毛細水彎液面上表面張力降低而且水的黏滯性也會降低[17]。這些因素都有利于增加試樣內部水分運移速率和可供蒸發的水量，促進水分的蒸發。

圖3日蒸發量與相對濕度的關系曲線

Fig.3The relationship between daily evaporation and relative humidity

如圖2、圖3所示，試驗第18 d與第19 d的環境溫度基本相同，空氣相對濕度分別為771%和629%，第19 d的空氣相對濕度比前一日降低了142個百分點，而保水劑和3種材料混合試樣的日蒸發量分別增加了696%和618%。這是由于：相對濕度是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，表達了大氣蒸汽壓的相對值。試樣表面附近的蒸汽壓與大氣蒸汽壓差值體現水分子的運動方向，差值越大運動速率越大。當差值大于零，試樣表面附近的蒸汽壓大于大氣蒸汽壓，水分子從試樣逃逸到大氣之中；當差值小于零時，試樣表面附近的蒸汽壓小于大氣蒸汽壓，水分子被吸入試樣之中。因此相對濕度對試樣蒸發有很大的影響，相對濕度越低，試樣水分蒸發越快；反之，則試樣水分蒸發越慢。

綜上所述，試驗中試樣的水分蒸發速率和時間與試樣的組成、環境溫度以及空氣相對濕度密不可分。試樣的組成決定了不同試樣的結構和飽和含水率，草炭和陶粒飽和含水率與含保水劑的試樣相比較低，它們的蒸發時間相對較短，雖然陶粒含水量低于草炭，但陶粒的結構更緊密，水分在其內部運移受到抑制，蒸發速率較緩，而草炭結構松散，其蒸發速率較快，因此陶粒的蒸發結束時間與草炭基本相同；含保水劑的試樣具有很高的飽和含水率，它們具有很快的蒸發速率和較長的蒸發時間，且通過材料組合不僅能提高飽和含水率還能降低蒸發速率。溫度升高能加快蒸發速率，而相對濕度的升高則將減緩蒸發速率，且相對濕度對蒸發速率的影響比溫度更大。

3結論

1）常用屋頂綠化基質材料陶粒、草炭和保水劑都具有高蓄水性，將3種基質材料按一定比例混合使得混合基質材料的結構得到優化，從而獲得的實際蓄水性能大于理論計算值，大幅提高整體的蓄水性能。同時保水劑比例應適量，過高則其高吸水能力會抑制植物根系對水分的吸收；過低則影響基質整體的蓄水性能。

2）常用屋頂綠化基質材料陶粒和草炭有較好的穩定性，而保水劑受高溫易破壞。在實際應用過程中，應避免保水劑直接暴露在陽光照射下，將其他基質材料覆于保水劑之上能有效的延長保水劑的使用壽命。

3）常用屋頂綠化基質材料保水劑蒸發劇烈接近于自由水面蒸發，陶粒與草炭蒸發較為平緩，若將陶粒和草炭與保水劑按一定比例混合，能有效的減緩蒸發速率并能延長蒸發時間。

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