高吸水樹(shù)脂對(duì)泡沫混凝土早期植生性能的影響研究

李曉，王統(tǒng)

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

在現(xiàn)代生態(tài)智慧城市發(fā)展中，立體綠化是非常重要的項(xiàng)目。作為傳統(tǒng)建筑材料的混凝土，開(kāi)始被研究作為植生基體?，F(xiàn)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(jié)制得的形如“米花糖”似多孔結(jié)構(gòu)的特種功能性建筑材料，其內(nèi)部存在大量連續(xù)孔隙，孔隙率一般在25%左右，且可以填充植生介質(zhì)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(nèi)摻酸性物質(zhì)或堿性抑制劑等，但成本較高，或長(zhǎng)齡期降堿效果不穩(wěn)定[5-9]。

本研究采用泡沫混凝土復(fù)摻高吸水樹(shù)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(zhì)多孔材料，其內(nèi)部孔隙率遠(yuǎn)超25%，與絕大部分植生土壤孔隙率相當(dāng)，且易于調(diào)控。SAP顆粒預(yù)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(fù)性，蓄水能力強(qiáng)，有助于植生基體滿足植物生長(zhǎng)要求。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：冀東P·O42.5水泥；粉煤灰：沈陽(yáng)沈海粉煤灰綜合利用有限公司產(chǎn)，Ⅱ級(jí)，水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；硅灰：成都明凌科技有限公司產(chǎn)；發(fā)泡劑：質(zhì)量濃度為30%的雙氧水；穩(wěn)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(xì)度為80目，吸水倍率為800倍；玄武巖短切纖維：長(zhǎng)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(xué)成分 %

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 pH值測(cè)試方法

采用固液萃取法。將試驗(yàn)制得的試樣破碎，充分研磨過(guò)篩，稱取10 g并加入10倍質(zhì)量的蒸餾水，用橡皮塞塞緊，均勻振動(dòng)，2 h后用濾紙過(guò)濾，用酸度計(jì)測(cè)試濾液的pH值。

1.2.2 孔結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

采用相機(jī)拍攝泡沫混凝土試塊斷面，用圖像處理軟件對(duì)照片進(jìn)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(guò)的照片上獲取孔隙率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2.3 透水性測(cè)試方法

將試塊放置于干燥容器中的2個(gè)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(zhǎng)方體的側(cè)面，并用玻璃膠將連接處密封，自制透水裝置示意見(jiàn)圖1。

圖1 自制透水裝置示意

將泡沫混凝土試樣側(cè)面進(jìn)行不透水封閉后置于透水裝置底部，同時(shí)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(nèi)注入定量的水，計(jì)量相同時(shí)間內(nèi)（300 s）混凝土試塊的透水量、入滲率和蓄水量。每組測(cè)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(jì)算：

式中：Kt——試件300 s內(nèi)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(yàn)中，首先按照方案配比稱取SAP顆粒，并使其吸附其自身質(zhì)量30倍的質(zhì)量濃度為2.7%的硼酸不飽和溶液。將預(yù)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(zhì)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(xù)攪拌的同時(shí)迅速加入膠凝材料總質(zhì)量8%的雙氧水和0.5%的穩(wěn)泡劑，并持續(xù)攪拌約30 s。漿體拌制過(guò)程中加入的拌和水質(zhì)量和雙氧水中含水質(zhì)量總和為膠凝材料總質(zhì)量的40%。待發(fā)泡略有成型后迅速倒入模具中靜停發(fā)泡，養(yǎng)護(hù)24 h待強(qiáng)度適宜后拆模，放入養(yǎng)護(hù)室中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

在泡沫混凝土制備過(guò)程中摻入預(yù)吸收硼酸溶液的SAP顆粒，可在一定齡期內(nèi)對(duì)泡沫混凝土內(nèi)環(huán)境的pH值起到調(diào)節(jié)作用。通過(guò)進(jìn)一步研究預(yù)吸收硼酸溶液的SAP顆粒對(duì)泡沫混凝土孔隙率和透水性能等評(píng)價(jià)指標(biāo)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(duì)泡沫混凝土基體pH值的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 SAP顆粒摻量對(duì)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(zhǎng)逐漸增大。這主要是由于水泥水化生成Ca（OH）2等堿性物質(zhì)逐漸增加，而粉煤灰與堿性物質(zhì)早期反應(yīng)速度較慢，對(duì)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(yù)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(wěn)定。這說(shuō)明泡沫混凝土硬化過(guò)程中，水分不斷消耗或揮發(fā)，內(nèi)部出現(xiàn)濕度梯度，導(dǎo)致SAP顆粒將其吸收的硼酸溶液逐漸釋放，并和水泥水化產(chǎn)生的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)降低堿度。另一方面，由于泡沫混凝土內(nèi)部液相中離子濃度增大，與SAP顆粒所吸附的硼酸溶液產(chǎn)生離子交換，而導(dǎo)致其對(duì)液相約束能力降低，從而釋放液相量增加。當(dāng)SAP顆粒摻量超過(guò)0.3%后，導(dǎo)致泡沫混凝土早期硬化過(guò)程中液相過(guò)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(nèi)部持續(xù)降堿作用降低，且隨齡期延長(zhǎng)越明顯。預(yù)吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量在0.2%～0.3%時(shí)，各齡期泡沫混凝土pH值順序?yàn)椋?4 d的pH值<3 d的pH值<7 d的pH值。這主要是因?yàn)?～7 d齡期內(nèi)粉煤灰與Ca（OH）2反應(yīng)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(shí)，粉煤灰與Ca（OH）2的反應(yīng)加劇，其與硼酸溶液降堿效應(yīng)共同作用逐漸顯著。

在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，SAP顆粒對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部pH值有顯著的降低作用，預(yù)吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量為0.3%時(shí)，泡沫混凝土14 d齡期pH值降至10.3。但3～14 d內(nèi)pH值與植物生長(zhǎng)要求仍有一定差距。試驗(yàn)中采用的固液萃取法，由于SAP顆粒對(duì)硼酸與堿性物質(zhì)的吸附效果不一，實(shí)際pH值測(cè)試結(jié)果也有一定程度偏高。采用進(jìn)一步提高SAP顆粒摻量或預(yù)吸收硼酸量的方法，在一定程度上仍可以對(duì)泡沫混凝土內(nèi)部pH值有降低作用，但對(duì)其它方面性能的不利影響逐漸顯著。本文對(duì)硅酸鹽水泥基泡沫混凝土植生基體的設(shè)計(jì)理念并不是想獲得制備后一勞永逸的降堿效果，而是根據(jù)植物種植期內(nèi)定期灑水澆灌的常規(guī)操作程序，擬采用弱酸性灌溉水，通過(guò)SAP顆粒的可重復(fù)性吸收和釋放，持續(xù)調(diào)節(jié)植生基體內(nèi)部的pH值。

2.2 SAP顆粒摻量對(duì)孔隙率的影響

將2.1中制備的泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)28 d，硬化體烘干后切片，采用1.2.2中的圖像分析法對(duì)切片截面進(jìn)行黑白二值化處理，SAP顆粒摻量為0.3%的處理圖像見(jiàn)圖3。根據(jù)黑白二值化處理圖像進(jìn)行孔隙率測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)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(shí)植生泡沫混凝土的孔隙率

由表2可知，在試驗(yàn)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(duì)基體疏松度和透氣等方面的要求。

隨預(yù)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?yàn)榘l(fā)泡漿體制備過(guò)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(jìn)入漿體，使拌和水量增加，漿體稠度降低，從而發(fā)泡效率提高，單個(gè)氣泡體積變大。隨著SAP顆粒摻量大于0.3%時(shí)，拌和過(guò)程中釋放出的硼酸溶液導(dǎo)致漿體稠度過(guò)稀，在發(fā)泡過(guò)程中氣泡不易穩(wěn)定存留，小泡匯聚成大泡，大泡又存在破裂傾向，導(dǎo)致泡沫混凝土硬化體孔隙率逐漸減小。同時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部氣泡過(guò)大也不宜于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)展。因此，如需增加預(yù)吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量，應(yīng)降低拌和水用量。但SAP顆粒摻量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致其失水后體積收縮總量過(guò)大，不利于泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.3 SAP顆粒摻量對(duì)泡沫混凝土透水性的影響

將2.1中制備的泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，采用1.2.3中所述方法與裝置測(cè)試其透水性，稱量試塊透水性測(cè)試前后的試塊質(zhì)量，得到不同SAP顆粒摻量時(shí)植生泡沫混凝土的蓄水量、透水量和入滲率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同SAP顆粒摻量時(shí)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(yù)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(shí)間內(nèi)單位面積材料的滲入水量）均逐漸降低。這主要是因?yàn)椋阂环矫?，在泡沫混凝土硬化過(guò)程中，孔壁內(nèi)的SAP顆粒逐漸將其吸附的硼酸溶液釋放出來(lái)，并體積收縮，導(dǎo)致泡沫混凝土內(nèi)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(nèi)部時(shí)，SAP顆粒能夠吸收遠(yuǎn)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(jìn)一步說(shuō)明了SAP顆粒對(duì)泡沫混凝土蓄水能力的提升。

在300s內(nèi)，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(nèi)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(jù)植物生長(zhǎng)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(yù)吸收硼酸溶液的SAP顆粒摻量在0.5%以下時(shí)，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(jié)論

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

（2）預(yù)吸收質(zhì)量濃度為2.7%的硼酸溶液后，SAP顆粒對(duì)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(shí)，泡沫混凝土14 d內(nèi)降堿效果最佳，孔隙率達(dá)61.08%，300 s內(nèi)透水量為25.63 kg/m2，入滲率為307.5 mm/h，蓄水量為0.28 g/cm3。