高吸水树脂对泡沫混凝土早期植生性能的影响研究

李晓，王统

（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

0 引言

在现代生态智慧城市发展中，立体绿化是非常重要的项目。作为传统建筑材料的混凝土，开始被研究作为植生基体。现有的植生混凝土多是由粗集料表面包覆一层水泥浆体相互黏结制得的形如“米花糖”似多孔结构的特种功能性建筑材料，其内部存在大量连续孔隙，孔隙率一般在25%左右，且可以填充植生介质如黏土等[1-4]。而解决植生混凝土碱度高的方法主要为使用低碱度胶凝材料、掺加活性掺合料、内掺酸性物质或碱性抑制剂等，但成本较高，或长龄期降碱效果不稳定[5-9]。

本研究采用泡沫混凝土复掺高吸水树脂（Super Absorbent Polymers，SAP）颗粒制作植生基体，并探讨其性能。泡沫混凝土作为一种轻质多孔材料，其内部孔隙率远超25%，与绝大部分植生土壤孔隙率相当，且易于调控。SAP颗粒预吸收硼酸溶液，可降低泡沫混凝土早期碱度，且其具备放吸可重复性，蓄水能力强，有助于植生基体满足植物生长要求。

1 试验

1.1 原材料

水泥：冀东P·O42.5水泥；粉煤灰：沈阳沈海粉煤灰综合利用有限公司产，Ⅱ级，水泥和粉煤灰的主要化学成分见表1；硅灰：成都明凌科技有限公司产；发泡剂：质量浓度为30%的双氧水；稳泡剂：液体孚迈斯MP-50H（丙烯酸聚合物成膜剂）；硼酸：分析纯；SAP颗粒：细度为80目，吸水倍率为800倍；玄武岩短切纤维：长度1～3 cm；聚羧酸减水剂：固含量20%。

表1 水泥和粉煤灰的主要化学成分 %

通过前期研究，采用质量浓度3%的硼酸溶液为降碱物质。SAP颗粒预吸收一定质量的硼酸溶液后，以0～0.5%的掺量（按占胶凝材料质量计）掺入胶凝材料中制备泡沫混凝土。

1.2 试验方法

1.2.1 pH值测试方法

采用固液萃取法。将试验制得的试样破碎，充分研磨过筛，称取10 g并加入10倍质量的蒸馏水，用橡皮塞塞紧，均匀振动，2 h后用滤纸过滤，用酸度计测试滤液的pH值。

1.2.2 孔结构测试方法

采用相机拍摄泡沫混凝土试块断面，用图像处理软件对照片进行黑白二值化处理，再用图像分析软件Image-pro-plus 6.0直接从处理过的照片上获取孔隙率等孔结构参数。

1.2.3 透水性测试方法

将试块放置于干燥容器中的2个支架上，使其悬空不接触容器壁；用4片亚克力板首尾相连，围成长方体的侧面，并用玻璃胶将连接处密封，自制透水装置示意见图1。

图1 自制透水装置示意

将泡沫混凝土试样侧面进行不透水封闭后置于透水装置底部，同时将亚克力板与试块接缝处用玻璃胶密封；从上表面入水口迅速向透水装置内注入定量的水，计量相同时间内（300 s）混凝土试块的透水量、入渗率和蓄水量。每组测试3块试块，取平均值。试样的透水量、入渗率和蓄水量分别按式（1）～式（3）计算：

式中：Kt——试件300 s内单位面积透水量，kg/m2；

H——注水后液面的高度，mm；

1.3 植生泡沫混凝土制备

试验中，首先按照方案配比称取SAP颗粒，并使其吸附其自身质量30倍的质量浓度为2.7%的硼酸不饱和溶液。将预吸收硼酸溶液的SAP颗粒与胶凝材料先混料均匀，其中胶凝材料质量组成为58%水泥+40%粉煤灰+2%硅灰，再加入其它干料。将0.2%减水剂掺入拌合水混合均匀后，加入干料中并搅拌约1 min至浆体均匀。随后在继续搅拌的同时迅速加入胶凝材料总质量8%的双氧水和0.5%的稳泡剂，并持续搅拌约30 s。浆体拌制过程中加入的拌和水质量和双氧水中含水质量总和为胶凝材料总质量的40%。待发泡略有成型后迅速倒入模具中静停发泡，养护24 h待强度适宜后拆模，放入养护室中标准养护至规定龄期后进行测试。

2 结果与讨论

在泡沫混凝土制备过程中掺入预吸收硼酸溶液的SAP颗粒，可在一定龄期内对泡沫混凝土内环境的pH值起到调节作用。通过进一步研究预吸收硼酸溶液的SAP颗粒对泡沫混凝土孔隙率和透水性能等评价指标的影响，探究泡沫混凝土作为植生基体的可行性。

2.1 SAP颗粒掺量对泡沫混凝土基体pH值的影响（见图2）

图2 SAP颗粒掺量对pH值的影响

由图2可知，不掺加SAP颗粒的泡沫混凝土3、7、14d pH值均高于12，且随龄期延长逐渐增大。这主要是由于水泥水化生成Ca（OH）2等碱性物质逐渐增加，而粉煤灰与碱性物质早期反应速度较慢，对Ca（OH）2的消耗较少，2%的硅灰不足以有效降低泡沫混凝土基体的pH值。随预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量增加，泡沫混凝土基体3、7、14 d的pH值均先显著减小后略有增大或趋于稳定。这说明泡沫混凝土硬化过程中，水分不断消耗或挥发，内部出现湿度梯度，导致SAP颗粒将其吸收的硼酸溶液逐渐释放，并和水泥水化产生的碱性物质发生反应降低碱度。另一方面，由于泡沫混凝土内部液相中离子浓度增大，与SAP颗粒所吸附的硼酸溶液产生离子交换，而导致其对液相约束能力降低，从而释放液相量增加。当SAP颗粒掺量超过0.3%后，导致泡沫混凝土早期硬化过程中液相过多，浆体泌水倾向增加，硼酸向泡沫混凝土外表面迁移量增加，从而在泡沫混凝土内部持续降碱作用降低，且随龄期延长越明显。预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量在0.2%～0.3%时，各龄期泡沫混凝土pH值顺序为：14 d的pH值<3 d的pH值<7 d的pH值。这主要是因为3～7 d龄期内粉煤灰与Ca（OH）2反应较为缓慢，泡沫混凝土基体碱度降低主要依靠SAP颗粒中硼酸溶液的缓释。14 d龄期时，粉煤灰与Ca（OH）2的反应加剧，其与硼酸溶液降碱效应共同作用逐渐显著。

在试验掺量范围内，SAP颗粒对泡沫混凝土内部pH值有显著的降低作用，预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量为0.3%时，泡沫混凝土14 d龄期pH值降至10.3。但3～14 d内pH值与植物生长要求仍有一定差距。试验中采用的固液萃取法，由于SAP颗粒对硼酸与碱性物质的吸附效果不一，实际pH值测试结果也有一定程度偏高。采用进一步提高SAP颗粒掺量或预吸收硼酸量的方法，在一定程度上仍可以对泡沫混凝土内部pH值有降低作用，但对其它方面性能的不利影响逐渐显著。本文对硅酸盐水泥基泡沫混凝土植生基体的设计理念并不是想获得制备后一劳永逸的降碱效果，而是根据植物种植期内定期洒水浇灌的常规操作程序，拟采用弱酸性灌溉水，通过SAP颗粒的可重复性吸收和释放，持续调节植生基体内部的pH值。

2.2 SAP颗粒掺量对孔隙率的影响

将2.1中制备的泡沫混凝土养护28 d，硬化体烘干后切片，采用1.2.2中的图像分析法对切片截面进行黑白二值化处理，SAP颗粒掺量为0.3%的处理图像见图3。根据黑白二值化处理图像进行孔隙率测算，结果见表2。

图3 SAP颗粒掺量为0.3%的泡沫混凝土断面图像处理

表2 不同SAP颗粒掺量时植生泡沫混凝土的孔隙率

由表2可知，在试验配比条件下，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为55%～65%，因此可以满足植生对基体疏松度和透气等方面的要求。

随预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量的增加，泡沫混凝土孔隙率先增大后减小。这主要是因为发泡浆体制备过程中，由于离子交换作用，SAP颗粒中的硼酸溶液被逐渐释放进入浆体，使拌和水量增加，浆体稠度降低，从而发泡效率提高，单个气泡体积变大。随着SAP颗粒掺量大于0.3%时，拌和过程中释放出的硼酸溶液导致浆体稠度过稀，在发泡过程中气泡不易稳定存留，小泡汇聚成大泡，大泡又存在破裂倾向，导致泡沫混凝土硬化体孔隙率逐渐减小。同时，泡沫混凝土内部气泡过大也不宜于其结构强度发展。因此，如需增加预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量，应降低拌和水用量。但SAP颗粒掺量过高，会导致其失水后体积收缩总量过大，不利于泡沫混凝土的结构稳定性。

2.3 SAP颗粒掺量对泡沫混凝土透水性的影响

将2.1中制备的泡沫混凝土养护28 d后，采用1.2.3中所述方法与装置测试其透水性，称量试块透水性测试前后的试块质量，得到不同SAP颗粒掺量时植生泡沫混凝土的蓄水量、透水量和入渗率，结果见表3。

表3 不同SAP颗粒掺量时植生泡沫混凝土的蓄水量、透水量和入渗率

由表3可知，随预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量增加，泡沫混凝土透水量和入渗率（单位时间内单位面积材料的渗入水量）均逐渐降低。这主要是因为：一方面，在泡沫混凝土硬化过程中，孔壁内的SAP颗粒逐渐将其吸附的硼酸溶液释放出来，并体积收缩，导致泡沫混凝土内部连通孔增加，提高了透水性；另一方面，在水分渗入泡沫混凝土内部时，SAP颗粒能够吸收远超其自身体积的水分，体积膨胀从而堵塞了一部分渗水通道，延缓了透水速度。其中，入渗率的降低幅度小于透水量也进一步说明了SAP颗粒对泡沫混凝土蓄水能力的提升。

在300s内，未掺SAP颗粒的泡沫混凝土的透水量最大，为27.81kg/m2，入渗率为333.75 mm/h，蓄水量为0.13g/cm3；SAP颗粒掺量为0.3%的泡沫混凝土300 s内透水量为25.63 kg/m2，入渗率为307.5 mm/h，蓄水量为0.28 g/cm3；而SAP颗粒掺量为0.5%的泡沫混凝土透水量最低，为24.38 kg/m2，入渗率为292.25 mm/h，蓄水量为0.37 g/cm3。根据植物生长要求，入渗率在100～500 mm/h的土壤属于入渗良好的土壤，因此本研究中预吸收硼酸溶液的SAP颗粒掺量在0.5%以下时，泡沫混凝土基体均具备良好的入渗能力，且蓄水能力提升显著。

3 结论

（1）掺加预吸收硼酸溶液的SAP颗粒对硅酸盐水泥基泡沫混凝土14 d龄期内的pH值有显著的降低作用。

（2）预吸收质量浓度为2.7%的硼酸溶液后，SAP颗粒对泡沫混凝土植生性能有显著影响，随其掺量增加，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，透水性逐渐降低。在文中所述制备条件下，SAP颗粒掺量为胶凝材料总量0.3%时，泡沫混凝土14 d内降碱效果最佳，孔隙率达61.08%，300 s内透水量为25.63 kg/m2，入渗率为307.5 mm/h，蓄水量为0.28 g/cm3。