高吸水樹脂對泡沫混凝土早期植生性能的影響研究

李曉，王統

（沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

在現代生態智慧城市發展中，立體綠化是非常重要的項目。作為傳統建筑材料的混凝土，開始被研究作為植生基體?，F有的植生混凝土多是由粗集料表面包覆一層水泥漿體相互黏結制得的形如“米花糖”似多孔結構的特種功能性建筑材料，其內部存在大量連續孔隙，孔隙率一般在25%左右，且可以填充植生介質如黏土等[1-4]。而解決植生混凝土堿度高的方法主要為使用低堿度膠凝材料、摻加活性摻合料、內摻酸性物質或堿性抑制劑等，但成本較高，或長齡期降堿效果不穩定[5-9]。

本研究采用泡沫混凝土復摻高吸水樹脂（Super Absorbent Polymers，SAP）顆粒制作植生基體，并探討其性能。泡沫混凝土作為一種輕質多孔材料，其內部孔隙率遠超25%，與絕大部分植生土壤孔隙率相當，且易于調控。SAP顆粒預吸收硼酸溶液，可降低泡沫混凝土早期堿度，且其具備放吸可重復性，蓄水能力強，有助于植生基體滿足植物生長要求。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：冀東P·O42.5水泥；粉煤灰：沈陽沈海粉煤灰綜合利用有限公司產，Ⅱ級，水泥和粉煤灰的主要化學成分見表1；硅灰：成都明凌科技有限公司產；發泡劑：質量濃度為30%的雙氧水；穩泡劑：液體孚邁斯MP-50H（丙烯酸聚合物成膜劑）；硼酸：分析純；SAP顆粒：細度為80目，吸水倍率為800倍；玄武巖短切纖維：長度1～3 cm；聚羧酸減水劑：固含量20%。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學成分 %

通過前期研究，采用質量濃度3%的硼酸溶液為降堿物質。SAP顆粒預吸收一定質量的硼酸溶液后，以0～0.5%的摻量（按占膠凝材料質量計）摻入膠凝材料中制備泡沫混凝土。

1.2 試驗方法

1.2.1 pH值測試方法

采用固液萃取法。將試驗制得的試樣破碎，充分研磨過篩，稱取10 g并加入10倍質量的蒸餾水，用橡皮塞塞緊，均勻振動，2 h后用濾紙過濾，用酸度計測試濾液的pH值。

1.2.2 孔結構測試方法

采用相機拍攝泡沫混凝土試塊斷面，用圖像處理軟件對照片進行黑白二值化處理，再用圖像分析軟件Image-pro-plus 6.0直接從處理過的照片上獲取孔隙率等孔結構參數。

1.2.3 透水性測試方法

將試塊放置于干燥容器中的2個支架上，使其懸空不接觸容器壁；用4片亞克力板首尾相連，圍成長方體的側面，并用玻璃膠將連接處密封，自制透水裝置示意見圖1。

圖1 自制透水裝置示意

將泡沫混凝土試樣側面進行不透水封閉后置于透水裝置底部，同時將亞克力板與試塊接縫處用玻璃膠密封；從上表面入水口迅速向透水裝置內注入定量的水，計量相同時間內（300 s）混凝土試塊的透水量、入滲率和蓄水量。每組測試3塊試塊，取平均值。試樣的透水量、入滲率和蓄水量分別按式（1）～式（3）計算：

式中：Kt——試件300 s內單位面積透水量，kg/m2；

H——注水后液面的高度，mm；

1.3 植生泡沫混凝土制備

試驗中，首先按照方案配比稱取SAP顆粒，并使其吸附其自身質量30倍的質量濃度為2.7%的硼酸不飽和溶液。將預吸收硼酸溶液的SAP顆粒與膠凝材料先混料均勻，其中膠凝材料質量組成為58%水泥+40%粉煤灰+2%硅灰，再加入其它干料。將0.2%減水劑摻入拌合水混合均勻后，加入干料中并攪拌約1 min至漿體均勻。隨后在繼續攪拌的同時迅速加入膠凝材料總質量8%的雙氧水和0.5%的穩泡劑，并持續攪拌約30 s。漿體拌制過程中加入的拌和水質量和雙氧水中含水質量總和為膠凝材料總質量的40%。待發泡略有成型后迅速倒入模具中靜停發泡，養護24 h待強度適宜后拆模，放入養護室中標準養護至規定齡期后進行測試。

2 結果與討論

在泡沫混凝土制備過程中摻入預吸收硼酸溶液的SAP顆粒，可在一定齡期內對泡沫混凝土內環境的pH值起到調節作用。通過進一步研究預吸收硼酸溶液的SAP顆粒對泡沫混凝土孔隙率和透水性能等評價指標的影響，探究泡沫混凝土作為植生基體的可行性。

2.1 SAP顆粒摻量對泡沫混凝土基體pH值的影響（見圖2）

圖2 SAP顆粒摻量對pH值的影響

由圖2可知，不摻加SAP顆粒的泡沫混凝土3、7、14d pH值均高于12，且隨齡期延長逐漸增大。這主要是由于水泥水化生成Ca（OH）2等堿性物質逐漸增加，而粉煤灰與堿性物質早期反應速度較慢，對Ca（OH）2的消耗較少，2%的硅灰不足以有效降低泡沫混凝土基體的pH值。隨預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量增加，泡沫混凝土基體3、7、14 d的pH值均先顯著減小后略有增大或趨于穩定。這說明泡沫混凝土硬化過程中，水分不斷消耗或揮發，內部出現濕度梯度，導致SAP顆粒將其吸收的硼酸溶液逐漸釋放，并和水泥水化產生的堿性物質發生反應降低堿度。另一方面，由于泡沫混凝土內部液相中離子濃度增大，與SAP顆粒所吸附的硼酸溶液產生離子交換，而導致其對液相約束能力降低，從而釋放液相量增加。當SAP顆粒摻量超過0.3%后，導致泡沫混凝土早期硬化過程中液相過多，漿體泌水傾向增加，硼酸向泡沫混凝土外表面遷移量增加，從而在泡沫混凝土內部持續降堿作用降低，且隨齡期延長越明顯。預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量在0.2%～0.3%時，各齡期泡沫混凝土pH值順序為：14 d的pH值<3 d的pH值<7 d的pH值。這主要是因為3～7 d齡期內粉煤灰與Ca（OH）2反應較為緩慢，泡沫混凝土基體堿度降低主要依靠SAP顆粒中硼酸溶液的緩釋。14 d齡期時，粉煤灰與Ca（OH）2的反應加劇，其與硼酸溶液降堿效應共同作用逐漸顯著。

在試驗摻量范圍內，SAP顆粒對泡沫混凝土內部pH值有顯著的降低作用，預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量為0.3%時，泡沫混凝土14 d齡期pH值降至10.3。但3～14 d內pH值與植物生長要求仍有一定差距。試驗中采用的固液萃取法，由于SAP顆粒對硼酸與堿性物質的吸附效果不一，實際pH值測試結果也有一定程度偏高。采用進一步提高SAP顆粒摻量或預吸收硼酸量的方法，在一定程度上仍可以對泡沫混凝土內部pH值有降低作用，但對其它方面性能的不利影響逐漸顯著。本文對硅酸鹽水泥基泡沫混凝土植生基體的設計理念并不是想獲得制備后一勞永逸的降堿效果，而是根據植物種植期內定期灑水澆灌的常規操作程序，擬采用弱酸性灌溉水，通過SAP顆粒的可重復性吸收和釋放，持續調節植生基體內部的pH值。

2.2 SAP顆粒摻量對孔隙率的影響

將2.1中制備的泡沫混凝土養護28 d，硬化體烘干后切片，采用1.2.2中的圖像分析法對切片截面進行黑白二值化處理，SAP顆粒摻量為0.3%的處理圖像見圖3。根據黑白二值化處理圖像進行孔隙率測算，結果見表2。

圖3 SAP顆粒摻量為0.3%的泡沫混凝土斷面圖像處理

表2 不同SAP顆粒摻量時植生泡沫混凝土的孔隙率

由表2可知，在試驗配比條件下，泡沫混凝土的孔隙率在56.32%～61.08%，而一般植生壤土的孔隙率為55%～65%，因此可以滿足植生對基體疏松度和透氣等方面的要求。

隨預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量的增加，泡沫混凝土孔隙率先增大后減小。這主要是因為發泡漿體制備過程中，由于離子交換作用，SAP顆粒中的硼酸溶液被逐漸釋放進入漿體，使拌和水量增加，漿體稠度降低，從而發泡效率提高，單個氣泡體積變大。隨著SAP顆粒摻量大于0.3%時，拌和過程中釋放出的硼酸溶液導致漿體稠度過稀，在發泡過程中氣泡不易穩定存留，小泡匯聚成大泡，大泡又存在破裂傾向，導致泡沫混凝土硬化體孔隙率逐漸減小。同時，泡沫混凝土內部氣泡過大也不宜于其結構強度發展。因此，如需增加預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量，應降低拌和水用量。但SAP顆粒摻量過高，會導致其失水后體積收縮總量過大，不利于泡沫混凝土的結構穩定性。

2.3 SAP顆粒摻量對泡沫混凝土透水性的影響

將2.1中制備的泡沫混凝土養護28 d后，采用1.2.3中所述方法與裝置測試其透水性，稱量試塊透水性測試前后的試塊質量，得到不同SAP顆粒摻量時植生泡沫混凝土的蓄水量、透水量和入滲率，結果見表3。

表3 不同SAP顆粒摻量時植生泡沫混凝土的蓄水量、透水量和入滲率

由表3可知，隨預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量增加，泡沫混凝土透水量和入滲率（單位時間內單位面積材料的滲入水量）均逐漸降低。這主要是因為：一方面，在泡沫混凝土硬化過程中，孔壁內的SAP顆粒逐漸將其吸附的硼酸溶液釋放出來，并體積收縮，導致泡沫混凝土內部連通孔增加，提高了透水性；另一方面，在水分滲入泡沫混凝土內部時，SAP顆粒能夠吸收遠超其自身體積的水分，體積膨脹從而堵塞了一部分滲水通道，延緩了透水速度。其中，入滲率的降低幅度小于透水量也進一步說明了SAP顆粒對泡沫混凝土蓄水能力的提升。

在300s內，未摻SAP顆粒的泡沫混凝土的透水量最大，為27.81kg/m2，入滲率為333.75 mm/h，蓄水量為0.13g/cm3；SAP顆粒摻量為0.3%的泡沫混凝土300 s內透水量為25.63 kg/m2，入滲率為307.5 mm/h，蓄水量為0.28 g/cm3；而SAP顆粒摻量為0.5%的泡沫混凝土透水量最低，為24.38 kg/m2，入滲率為292.25 mm/h，蓄水量為0.37 g/cm3。根據植物生長要求，入滲率在100～500 mm/h的土壤屬于入滲良好的土壤，因此本研究中預吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量在0.5%以下時，泡沫混凝土基體均具備良好的入滲能力，且蓄水能力提升顯著。

3 結論

（1）摻加預吸收硼酸溶液的SAP顆粒對硅酸鹽水泥基泡沫混凝土14 d齡期內的pH值有顯著的降低作用。

（2）預吸收質量濃度為2.7%的硼酸溶液后，SAP顆粒對泡沫混凝土植生性能有顯著影響，隨其摻量增加，泡沫混凝土3、7、14 d的pH值先降低后略有增加，孔隙率先增加后降低，透水性逐漸降低。在文中所述制備條件下，SAP顆粒摻量為膠凝材料總量0.3%時，泡沫混凝土14 d內降堿效果最佳，孔隙率達61.08%，300 s內透水量為25.63 kg/m2，入滲率為307.5 mm/h，蓄水量為0.28 g/cm3。