透水型泡沫混凝土的制备及其水分保持性能研究

透水型泡沬混凝土的制备及其水分保持性能研究

蒋涛\\饶磊％王超\\郭翔\\张立昕\\王万忠1

(1.河海大学环境学院，南

京210098;2.河海大学力学与材料学院，南京

211100)

摘要海绵型生态城市是目前我国正在大力推行的城市建设的目标，城市道路、绿地、排水管网等市政设施不但具 有快渗快排功能，还应具有一定的水分保持功能。基于传统的泡沫混凝土，采用发泡剂与产气剂协同使用的方法 制备了兼具透水和保水功能的泡沫混凝土。并系统研究了水灰比、发泡剂掺量、砂掺量和玻璃纤维掺量对材料透 水性的影响规律，在此基础上研究了材料的水分保持性能与透水性能的相关性。结果表明:材料的透水性能随水 灰比、发泡剂掺量、砂掺量的提高先增大后减小，并随着玻璃纤维掺量的提高逐渐减小。通过合理控制制备工艺， 可获得具有较好透水率和保水性的泡沫混凝土材料，以满足海绵城市的建设的需求。关键词海绵城市；透水；泡沫混凝土；水分保持中图分类号

:

:

:TU528

文献标识码

:A

文章编号:1001-1625 (2018) 01-0115-07

Preparation of Water-permeable Foam Concrete and Its

Water-retention Performance

JIANG Tao1 ,RA0 Lei2, WANG Chao1, GUO Xiang1, ZHANG Li-xin , WANG Wan-zhong1(1. College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098 , China ；2. College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 211100,China)

Municipal facilities, such as urban roads, green space and drainage network, not only have fast percolation function, but also have certain water-retention function. A novel foam concrete with permeable and water-retaining function is developed by using foaming agents and gas-producing agents on the basis of traditional foamed concrete. The effects of water-cement ratio, foaming agent dosage, sand content and glass fiber content on the permeability of materials are studied systematically. On the basis of this, the relationship between moisture retention and water permeability of the materials is studied. The results show that the permeability of the material increases first and then decreases with the increase of water-cement ratio, foaming agent dosage and sand content, and decreases with the increase of glass fiber content. The foamed concrete material with better water permeability and water-retention can be obtained by reasonable control of the preparation process to meet the needs of the construction of sponge city.Key words：sponge city；permeable；foam concrete；water-retention1

引言

近年来，国家提出海绵城市这一新型城市雨洪管理概念[1]。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适

基金项目：国家科学基金创新群体项目（51421006);江苏省“青蓝工程”中青年学科带头人项目作者简介:蒋涛（1993-)，男，硕士研究生.主要从事环境生态材料研究.通讯作者饶磊，教授

Abstract ： Sponge city is currently being vigorously pursued the goal of urban construction in China.

:.

116 专题论文硅酸盐通报

第37卷

应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水 “释放”并加以利用[2_3]。传统的城市排水系统以“排”为主要目的，而不是“治”，导致城市水污染严重，河流 富营养化问题突出。根据海绵城市建设的理念，在城市排水防涝的基础上要保证雨水在城市内部渗透、滞留 和净化，使雨水可以得到充分利用，实现城市良性水循环，提高生态保护的效益。传统的透水混凝土依靠内 部骨料之间形成孔隙，具有高效的透水性能，并不具备水分保持性能，这就急需一种兼具良好的透水性和水 分保持性能的混凝土材料。

泡沫混凝土作为一种具有微小、均质和封闭孔结构的轻质材料，在建筑保温和节能领域已经获得了广泛 的应用，但是由于其内部孔结构都是封闭的，本身并不具有透水性[4_5]。本文以水泥、发泡剂、细砂、玻璃纤 维、碳酸氢钠和减水剂为原料，通过调整各组分的用量，使泡沫混凝土不但具有透水性能，同时还具有一定的 水分保持性能，有利于水份的渗透及净化。本文采用正交分析法系统的研究了水灰比、发泡剂掺量、砂掺量 和玻璃纤维掺量四个因素对泡沫混凝土透水性的影响，并进一步研究了材料的透水系数与水分保持性能的 相关性，为透水型泡沫混凝土在海绵城市建设中的应用提供了新思路。

2试验

制备材料主要包括骨料、粘结剂、发泡剂、发气剂、基体增强材料、减水剂等。其中选用平均粒径为〇. 5

2.1试验材料

mm中砂作为骨料，普通硅酸盐水泥为粘结剂，市售植物型混凝土发泡剂（LG-2258)为发泡剂。为了在泡沫

混凝土中的产生一定量的通孔结构，本研究采用碳酸氢钠作为产气剂，考虑到材料的通孔结构会在一定程度 上降低基体的力学强度，本研究中采用6 mm短切玻璃纤维作为基体增强材料，并在制备过程中加入一定量 的减水剂来调整浆体流动度，对浆体起到一定缓凝的作用。2.2制备过程

普通泡沫混凝土的制备:首先将发泡剂稀释60倍后加入到储液罐中，用空气压缩机加压并同时打开液 阀使发泡液和空气在发泡枪中混合制得气泡高度稳定、泡沫细小且均勻的泡沫，再按一定比例计量水泥、砂 和水，用胶砂搅拌机搅拌机将其搅拌成均勻浆体。然后在浆体中加入一定体积的泡沫，继续搅拌至均勻为 止。最后将浆料浇筑到模具中，刮平表面。静置2d后脱模，每天喷水养护并用塑料薄膜覆盖。

透水型泡沫混凝土的制备:先将水泥、砂、碳酸氢钠、减水剂和玻璃纤维用胶砂搅拌机干拌1 min，然后加 水搅拌2 min;砂浆搅拌的同时，按照上述泡沫制备方法制得泡沫;然后将泡沫加入到浆体中一起搅拌2 min， 最后浆料浇筑到模具中，刮平表面。静置放置2 h后，将模具放到自制的旋转凝固装置上间歇转动1 h(如图 1所示），装置的间歇转动频率为每5 min转动180°，这种间歇缓慢转动方式可以有效的防止浆料分层，从而 使得泡沫在浆体中分布均勻。同时在转动凝固过程中，水泥水化产生的热量会使碳酸氢钠热分解产生C02 将部分泡沫冲破，从而增加开孔率。旋转凝固1 h后将试样筒取下静置2 d后脱模，每天定时喷水养护并用 塑料薄膜覆盖保湿。

2.3基体透水性正交试验

为获得水灰比、发泡剂掺量、砂掺量和玻璃纤维掺 量对透水性泡沫混凝土透水系数的影响，确定各因素 的最佳值及影响目标的主次关系，采用四因素四水平 L16 (44)正交试验表对其进行试验，采用透水性能作为 目标量，用透水系数‘表示：

图

Fig. 1

式中:心为水温为T 1时试样的透水系数（cm/s )，(? 为时间i秒内的渗出水量（mL)，L为试样的厚度

1

旋转凝固装置

Rotating solidification equipment

第1期 蒋涛等:透水型泡沫混凝土的制备及其水分保持性能研究

i /

2 \\

117

，A刀风仵丄衣囬囬积（cm )刀

、r l

走（cm) J刀叮冋（s;。测风琯米以二秋:风仵的f叼俚衣不，且

各因素的掺比例均为相对水泥加入量而言的，正交试验结果如表1所示。

1正交试验结果

Tab. 1 Results of orthogonal experiment

表

Number

Water-cement ratio

Glass fiber content/%

Factors

Sand content/%

255075

Foaming agent content/%

3.85.3

Permeabilitycoefficient

KT/ ( cm/s )

12

345

0.30.30.30.30.40.40.40.40.50.50.50.5

1.22

2.53

0.3660.4530.5210.4761.5521.4501.3201.4350.6770.7330.6820.4700.3750.286

6.8

8.3

100

5025

1.22

2.53

6.8

8.33.85.38.3

6

7

100

7575

8

9

1.22

2.53

101112

13141516

100

2550

6.8

5.33.85.33.88.3

0.60.60.60.6

1.22

2.53

100

755025

0.220

0.170

6.8

3结果与讨论

采用直观分析法进行各因素对泡沫混凝土透水系数的影响分析。采用各因素的极差作为影响强度的评

3.1试验极差分析

价指标。极差越大，表明该因素对试验指标的影响越大[6]。直观分析结果见表2。表2中瓦、元、&、元表 示各因素取水平1、2、3、4时对应的试验结果之和的平均值，为极差。

2正交试验结果的直观分析

Tab. 2 Intuitive analysis of the results of orthogonal experiment

表

Index

Factors

Water-cement ratio

Permeabilitycoefficient

Glass fiber content

Sand contentFoaming agent content

K,

0.4540.7430.6670.611

k2

1.4390.7310.6740.736

k3

0.641

0.2630.6380.7260.706

R

1.1760.1050.0630.133

0.686

0.7300.744

由表2的直观分析中各因素的极差值可以看出，水灰比因素的极差最大，为1. 176,而砂掺量因素的极 差值最小，为0.063。试验结果表明各因素对于泡沫混凝土透水系数影响的主次顺序是:水灰比 >发泡剂掺 量 > 玻璃纤维掺量 > 砂掺量。3.2各因素对透水性能的影响

根据正交试验结果，分别绘制出透水系数随水灰比变化曲线（图2)、透水系数随发泡剂掺量变化曲线 (图3)、透水系数随砂掺量曲线（图4)、透水系数随玻璃纤维掺量变化曲线（图5)。

从图2可以看出，透水系数随着水灰比的增大先升高后降低。当水灰比为0.4时，透水系数最大，为1.439

cm/s。这是因为当水灰比过低时，浆体太稠，不利于泡沫的均勻分布，易导致局部泡沫过多、气孔偏大，试块

易塌模，造成透水系数过低[4]。当水灰比为0.4时，水的用量还不足以满足水泥水化的需水量，导致水泥水 化时会另外吸收泡沫中的水分，使得泡沫破裂，从而引起封闭气泡数量减少、连通孔增多和混凝土均勻性下

118 专题论文硅酸盐通报

第37卷

降，使其透水系数较大[7_8];当水灰比过大时，高水灰比会导致浆体稠度过低，流动度过大，浆体内部摩擦力不 足，不能完全包裹住泡沫，导致浆体上半部分是泡沫，下半部分是接近实心的状态，透水系数过低。

2-( 0

s-'8

/6-L4-s° )L/luo-0sa3o0-0&-qs3mii\\}4i'

0.4 0.5

Water-cement ratio

图2

水灰比对透水系数的影响

图3

Fig. 3

发泡剂掺量对透水系数的影昨 0

Influence of foaming agent conte ;nton permeability coefficient

’ig. 2 Influence of water-cement ratio

on the permeability coefficient

(

s/m-/-sp^poox-ls^QSJ'cl

Glass fiber content/%

图4

砂掺量对透水系数的影响

图5

Fig. 5

玻璃纤维掺量对透水系数的影响

Influence of glass fiber content on permeability coefficient

Fig. 4 Influence of sand content on permeability coefficient

从图3可见，透水系数随着发泡剂掺量的增大也是先升高后降低，当发泡剂掺量达到6. 8%时，透水系 数最大。随着发泡剂掺量的增加，浆体的孔隙率会逐渐增大，连通孔数增多，透水系数增大;从图3和表2可 知，发泡剂掺量为3. 8%时，透水系数为0. 611 cm/s，发泡剂掺量为5. 3%时，透水系数为0. 736 cm/s，提高了 20.5%。但当发泡剂掺量大于6. 8%时，在浆体搅拌过程中泡沫直接受搅拌叶片挤压的比例增加，破损率增 大，另外浆体在成型过程中亦会发生收缩，不易成型，孔结构会受到损害，透水系数降低[9]。因此，当发泡剂 掺量为6. 8%时，泡沫混凝土透水性能较好。

从图4可以看出，随着砂掺量的增加，透水系数先增加后降低，这是由于一定量砂的掺人会增加浆体摩 擦力，破坏泡沫结构，使得泡沫混凝土内部孔径增大，连通孔增多，透水系数也随之增大;但是当砂掺量大于 75%后，泡沫混凝土的孔结构会受到过度破坏，提升浆体的密实程度，导致透水系数降低，因此在实际应用中 要根据实际需求掺入适量的砂子，既可以保证泡沫混凝土有一定透水性，又可以使其具有一定的抗压强度。

从图5可以看出，当玻璃纤维掺量为1.2%时，透水系数最大，随着玻璃纤维掺量不断增大，泡沫混凝土 的透水系数在不断减小。在泡沫混凝土中加入玻璃纤维有助于提高泡沫混凝土的强度，特别是对材料的抗 折强度有显著的增强作用[1°]。但玻璃纤维的加入会使其在泡沫混凝土中呈三维空间乱向分布，纤维自身在 浆体中会彼此粘连难以分散，导致浆体结团，并造成浆体局部空隙加大，破坏泡沫混凝土自身的孔结构，降低 孔隙率和连通孔数，导致透水系数降低。

第1期蒋涛等:透水型泡沫混凝土的制备及其水分保持性能研究

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4材料水分保持性能研究

4.1室温条件下水分保持性能测试

为了研究透水率对的泡沫混凝土水分保持性能的影响规律，采用连续称重法获取了不同透水率试样在 室温条件下的水分散失速度曲线。从正交试验中选取5号(心= 1.552 cm/S)、7号（心= 1.320 cm/s)和9 号

=0.677 cm/s)透水泡沫混凝土试样进行保水性试验。将试样放置水池中吸水饱和后放置于连续称

重台上进行试样重量连续监测，图6为重量测定装置图，图7为试样重量变化曲线。

4

%/3gm§idp.:sp_l

238

34

30 26 22 *

20

°°120

40图

Fig. 6

6

重量测定装置

Fig. 7

图

7

试块重量变化曲线

Weight determination apparatusWeight variation curves of specimen

在室温条件下，试样所吸水分会逐渐蒸发散失，造成试块重量逐渐减小，如图7所示，三块试块重量都在

不断减小，但重量减小速率有所不同。5号试块重量减小速率最快，在55 h左右曲线开始趋于平稳;9号试 块重量减小速率较快，在72 h左右曲线开始趋于平稳;7号试块重量减小速率最慢，在86 h左右曲线开始趋 于平稳。这说明在室温条件下，透水系数为1.320 cm/s的泡沫混凝土能够较长时间保持自身所吸水分不散 失，具有较好的水分保持性能。

4.2 土壤覆盖条件下水分保持性能测试

为了进一步探究不同透水系数泡沫混凝土在土壤层下的水分保持性能，本文将吸水饱和的泡沫混凝土 试块放入圆柱筒中（图8)，并在试块顶部覆盖8 cm初始湿度相同的土壤层，最后将湿度传感器探头插入土 壤层中，实时监测土壤内湿度的变化趋势。本研究选取了 5号(心=1.552 cm/s)、7号(‘ =1.320 cm/s)和 9号(‘ =0.677 cm/s)透水泡沫混凝土试样和普通泡沫混凝土 (心=0 cm/s)进行对比试验，图9所示为不 同泡沫混凝土上方土壤层湿度变化曲线。

图

Fig. 8

8

土壤湿度监测装置图

Fig. 9

9

土壤层湿度变化曲线

Soil moisture monitoring deviceSoil moisture variation curves

从图9中可以看出，透水泡沫混凝土上方土壤层湿度随时间的推移先上升后下降，普通泡沫混凝土上方

120 专题论文硅酸盐通报

第37卷

土壤层湿度随时间的推移在缓慢降低。其中，5号土壤层湿度上升速率最快下降也最快，在23 d湿度最高， 达到35%;7号土壤层湿度上升和下降较为缓慢，在27 d左右湿度最高，达到31%左右，在43 d之后相较于 其它土壤层，土壤湿度最高;9号土壤层在20 d湿度达到最高，为26%左右，且湿度下降较快。由图9可以 得出，在土壤覆盖环境下，透水系数为1.320 cm/s的泡沫混凝土由于自身具有较好的水分保持性能，其内部 水分会缓慢的释放到土壤中，进而可以长时间维持土壤湿度不低于土壤初始湿度。4.3透水型泡沬混凝土微观结构分析

为了对不同透水泡沫混凝土之间水分保持性能的差异性进行分析，对各试块的断面进行拍摄，如图10 所示。

图10不同泡沫混凝土断面图

Fig. 10 The cross-section diagram of different foam concrete

(a：KT =0 cm/s；b：KT =0. 677 cm/s；c：KT = 1.320 cm/s；d：KT = 1.552 cm/s)

从图10可以看出，透水系数为〇的普通泡沫混凝土内部基本上都是闭孔，因而其不具备透水性，又因为 在相同密度等级下，泡沫混凝土的吸水率主要取决于连通孔的比例[11]，所以其吸水率几乎为零，不具备水分 保持性能;透水系数为0.677 cm/s的泡沫混凝土内部开始出现连通孔，但部分浆体结团，这是因为过量发泡 剂的掺入导致泡沫易破损、不易成型，且孔结构受到破坏，连通孔较少，吸水率较低，不能给土壤提供较多的 水分;当透水系数为1.320 cm/s时，泡沫混凝土内部孔洞分布均勻，孔径较小，开孔和闭孔并存，孔结构较为 完整，这使得泡沫混凝土不仅有良好的透水性，还有一定吸水率，且内部所吸水分不会过快散失，维持较高的 土壤湿度。当透水系数为1.552 cm/s时，内部连通孔较多，透水性和吸水率较大，但由于孔径较大，使其内 部水分散失亦较快，水分保持性能较差。

通过在室温条件下及土壤覆盖条件下材料保水性能的研究表明，泡沫混凝土透水性和水分保持性能与 其内部孔结构密切相关。当泡沫混凝土内部连通孔较多，但孔径较大时，泡沫混凝土虽具有较大的透水性， 但水分保持性能较差;当泡沫混凝土内部连通孔较少时，使其泡沫混凝土透水性和吸水率都较小;而当泡沫 混凝土内部连通孔数适中且孔洞分布均勻、孔径较小时，泡沫混凝土兼具有良好的透水性和水分保持性能。

5结论

(1)

在材料制备过程中，水灰比、玻璃纤维掺量、砂掺量和发泡剂掺量四因素均对透水泡沫混凝土的透

水性能有一定影响，其影响主次顺序是:水灰比 > 发泡剂掺量 > 玻璃纤维掺量 >砂掺量。

(2) 随着水灰比的增大，透水系数呈现先增大后减小的趋势，其中在水灰比为0. 4时透水系数达到最

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大，为1.439 cm/s;随着发泡剂掺量的提高，透水系数先增大后减小，其中当发泡剂掺量到5. 3%时，透水系 数比发泡剂掺量3. 8%提高了 20. 5%，并在发泡剂掺量为6. 8%时，透水系数达到最大;透水系数随着砂掺 量的提高先增大后减小，在砂掺量为75%时，透水系数达到最大;但是随着玻璃纤维掺量的提高，透水系数 却不断减小。综合各因素对透水系数的影响，各因素的最优配比为水灰比0.4、玻璃纤维掺量为1.2%、砂掺 量为75%、发泡剂掺量为6. 8%。

(3)泡沫混凝土的透水性能和水分保持性能与其内部孔结构密切相关。在所选取的四种不同透水系数 的泡沫混凝土中，透水系数为1.320 cm/s的泡沫混凝土由于其内部连通孔数适中且孔洞分布均勻、孔径较 小，使其兼具有良好的透水性和水分保持性能，能够较长时间地保持土壤湿度在初始湿度20%之上。

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