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

關(guān)鍵詞：屋頂綠化；基質(zhì)材料；保水劑；保水性能

中圖分類號：TU1114

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2015）01006706

隨著中國城市發(fā)展步伐加快，城市建筑面積和密度急劇增長，排水設(shè)施卻相對不夠完善，加上近年來極端天氣頻發(fā)，導(dǎo)致大城市內(nèi)澇現(xiàn)象頻頻發(fā)生。針對城市內(nèi)澇，城市建設(shè)過程必須對排水系統(tǒng)合理規(guī)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(huán)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(diào)平砝碼。陶粒、草炭以及保水劑被廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)，它們的基本性質(zhì)學(xué)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(jié)構(gòu)進行了研究，秦玲等[4]使用草炭對沙質(zhì)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(jié)構(gòu)以及內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)，成分為聚丙烯酸鹽的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機高分子聚合物。

12試驗方法

為了研究屋頂綠化基質(zhì)材料的保水性能，試驗從飽和含水率、可重復(fù)利用次數(shù)以及蒸發(fā)速率等3個方面進行研究，設(shè)計了3項試驗：抽真空飽和試驗、反復(fù)干燥吸水試驗和室內(nèi)常溫常壓蒸發(fā)試驗。試驗將基質(zhì)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(shù)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(zhì)材料達到飽和狀態(tài)。試驗設(shè)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(wǎng)布包裹（對含有保水劑的試樣包裹時應(yīng)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(nèi)，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(dāng)真空壓力表讀數(shù)接近-100 kPa，繼續(xù)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(tài)維持注水過程中飽和缸內(nèi)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(wǎng)打開，展開靜置待篩網(wǎng)下無滴水后稱量試樣飽和后質(zhì)量[10]。

122反復(fù)干燥吸水試驗基質(zhì)材料在實際使用中經(jīng)受不斷往復(fù)吸濕脫濕的過程，通過反復(fù)干燥吸水試驗測定隨著試驗次數(shù)增加基質(zhì)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(nèi)，篩子口用200目篩網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)90 ℃烘干，烘干后取出冷卻再用篩網(wǎng)包裹捆扎后重復(fù)上述過程。如上述過程反復(fù)烘干9次，測量試樣在反復(fù)吸水干燥的過程中吸水能力的變化。

123室內(nèi)蒸發(fā)試驗關(guān)閉門窗保持室內(nèi)無風(fēng)狀態(tài)，影響水分蒸發(fā)的環(huán)境因素主要是溫度與相對濕度。在試驗樣本蒸發(fā)試驗的同時添加一組水的蒸發(fā)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(fā)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(fā)器皿內(nèi)，草炭與保水劑的厚度約為8 mm，陶粒以及含陶?；旌显嚇右蕴樟Ａ綖閿備伜穸?。記錄此時時刻、溫度和相對濕度以及試樣和蒸發(fā)器皿的總質(zhì)量。每3 h稱量蒸發(fā)器皿質(zhì)量、溫度和相對濕度，直至蒸發(fā)過程結(jié)束。

2試驗結(jié)果與分析

21抽真空飽和試驗結(jié)果與分析

5組試樣經(jīng)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(zhì)量；md為試樣飽和前的干質(zhì)量。

由表1可知，基質(zhì)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(jié)果表明保水劑有很強的吸水能力，在屋頂綠化基質(zhì)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(jù)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(shù)值2805和6267。

草炭是由未被徹底分解的植物殘體、腐殖質(zhì)以及一部分礦物質(zhì)組成，由未分解的植物殘體連接作用以及腐殖質(zhì)的膠結(jié)作用而形成，具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)、架空狀結(jié)構(gòu)和球狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大量孔隙[11]。陶粒是在1 100～1 200 ℃左右的高溫?zé)Y(jié)而成，并急速冷卻至700 ℃以下，其外殼包裹著一層嚴(yán)密的玻璃體，類似陶瓷的釉質(zhì)，而內(nèi)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(nèi)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(cè)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(fù)干燥吸水試驗結(jié)果與分析

反復(fù)干燥吸水試驗結(jié)果如圖1所示：隨著干燥次數(shù)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(shù)的關(guān)系曲線

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

這是由于陶粒經(jīng)高溫?zé)?，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表層釉質(zhì)外殼堅固，干濕循環(huán)對陶粒的結(jié)構(gòu)不會造成破壞，使得陶粒具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)多次干燥其吸水能力基本不受影響。而在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，草炭經(jīng)過浸泡內(nèi)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(jīng)過反復(fù)的吸水干燥，草炭內(nèi)部有機物破碎，腐殖質(zhì)的膠結(jié)作用減弱，導(dǎo)致草炭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，形成細小的有機物顆粒，同時有機物上膠結(jié)附著的土顆粒和礦物顆粒也會脫落，導(dǎo)致草炭內(nèi)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(xué)吸附也有物理吸附。保水劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)中主鏈由C-C鍵構(gòu)成，側(cè)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(fā)生親合作用產(chǎn)生化學(xué)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。保水劑是由高分子長鏈相互靠攏纏繞又彼此交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，遇水時高分子鏈網(wǎng)擴張，而網(wǎng)內(nèi)含有一定數(shù)量的親水離子，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，水分子向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透[12]。但當(dāng)保水劑經(jīng)反復(fù)吸水干燥特別是經(jīng)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(fā)生無規(guī)則斷裂[13]。隨著干燥烘烤次數(shù)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(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)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(dāng)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(yīng)根據(jù)植物種類和基質(zhì)類型適量調(diào)整[14]。

23室內(nèi)蒸發(fā)試驗結(jié)果與分析

試樣水分蒸發(fā)是試樣內(nèi)部水分經(jīng)過試樣表面以水蒸氣的狀態(tài)擴散到大氣的過程。影響試樣水分蒸發(fā)的因素有很多，但歸納起來可分為兩類：內(nèi)因和外因。內(nèi)因是指與試樣自身相關(guān)的各類化學(xué)物理性質(zhì)因素，它主要影響水分在試樣內(nèi)運移特征。外因是指試樣蒸發(fā)時的外部環(huán)境因素，它主要影響液態(tài)水汽化所需要的能量供應(yīng)強度[15]。筆者研究了不同試樣組合的蒸發(fā)規(guī)律并分析試樣組合和環(huán)境因素對試樣蒸發(fā)的影響。

231試樣組合對水分蒸發(fā)的影響不同試樣組合水分日蒸發(fā)量如圖2所示，試驗開始時5組飽和試樣水分蒸發(fā)速率都接近于自由水面蒸發(fā)速率，隨著試樣含水率降低，試樣蒸發(fā)速率隨之降低，而整個蒸發(fā)過程蒸發(fā)速率呈現(xiàn)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(fā)在第17 d左右結(jié)束，陶粒和陶粒與草炭混合的蒸發(fā)衰減過程（第10～17 d）平緩，而草炭的蒸發(fā)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(zhì)或釉質(zhì)，對陶粒內(nèi)外有一定隔離作用，能減緩水分蒸發(fā)。陶粒內(nèi)部呈細密蜂窩狀微孔，這些微孔是封閉且相互不聯(lián)通，這抑制了水的滲透，減緩水分在陶粒內(nèi)運移的速度，使得陶粒蒸發(fā)相對平緩。而草炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則的蜂窩狀結(jié)構(gòu)、架空狀結(jié)構(gòu)和球狀結(jié)構(gòu)，孔隙大小不規(guī)則且多為相互聯(lián)通的，水分易于在其內(nèi)部運動。如表2所示，草炭飽和后體積膨脹，而隨著水分蒸發(fā)，其膨脹的結(jié)構(gòu)逐漸松散，使水分更易于蒸發(fā)，在蒸發(fā)末尾其蒸發(fā)量衰減劇烈。

圖2日蒸發(fā)量與溫度的關(guān)系曲線

Fig.2The relationship between daily evaporation and temperature

由圖2可見，保水劑的日蒸發(fā)量略小于水，蒸發(fā)至第25 d結(jié)束，蒸發(fā)衰減過程（第23～25 d）劇烈。主要原因是：當(dāng)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(wǎng)絡(luò)蒸發(fā)溢出。雖然保水劑有很高的吸水倍數(shù)，但與水形成的聚合物交聯(lián)度低，其對水束縛力也低，水分子易蒸發(fā)，因此保水劑蒸發(fā)量一直維持很高水平直至蒸發(fā)結(jié)束。將保水劑與陶粒、草炭三者混合，蒸發(fā)結(jié)束時間延長至第29 d，而且蒸發(fā)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(wěn)定性[16]。團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保水劑被草炭和陶粒包裹，蒸發(fā)過程中水分運移得到抑制，且陶粒本身蒸發(fā)過程平緩，則三者混合試樣蒸發(fā)時間長、蒸發(fā)衰減過程平緩。

232環(huán)境因素對水分蒸發(fā)的影響試驗處在密閉實驗室內(nèi)，無自然光照射，室內(nèi)風(fēng)速可視為零。由圖2和圖3可發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)的大致規(guī)律：隨溫度升高試樣蒸發(fā)隨之加劇，隨大氣相對濕度升高試樣蒸發(fā)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(huán)境溫度分別為224 ℃和221 ℃，第12 d環(huán)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(fā)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(nèi)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(nèi)部水分運移速率和可供蒸發(fā)的水量，促進水分的蒸發(fā)。

圖3日蒸發(fā)量與相對濕度的關(guān)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(huán)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(fā)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(xiàn)水分子的運動方向，差值越大運動速率越大。當(dāng)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(dāng)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(fā)有很大的影響，相對濕度越低，試樣水分蒸發(fā)越快；反之，則試樣水分蒸發(fā)越慢。

綜上所述，試驗中試樣的水分蒸發(fā)速率和時間與試樣的組成、環(huán)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(jié)構(gòu)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(fā)時間相對較短，雖然陶粒含水量低于草炭，但陶粒的結(jié)構(gòu)更緊密，水分在其內(nèi)部運移受到抑制，蒸發(fā)速率較緩，而草炭結(jié)構(gòu)松散，其蒸發(fā)速率較快，因此陶粒的蒸發(fā)結(jié)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(fā)速率和較長的蒸發(fā)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(fā)速率。溫度升高能加快蒸發(fā)速率，而相對濕度的升高則將減緩蒸發(fā)速率，且相對濕度對蒸發(fā)速率的影響比溫度更大。

3結(jié)論

1）常用屋頂綠化基質(zhì)材料陶粒、草炭和保水劑都具有高蓄水性，將3種基質(zhì)材料按一定比例混合使得混合基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)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(yīng)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(zhì)整體的蓄水性能。

2）常用屋頂綠化基質(zhì)材料陶粒和草炭有較好的穩(wěn)定性，而保水劑受高溫易破壞。在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)避免保水劑直接暴露在陽光照射下，將其他基質(zhì)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(zhì)材料保水劑蒸發(fā)劇烈接近于自由水面蒸發(fā)，陶粒與草炭蒸發(fā)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(fā)速率并能延長蒸發(fā)時間。

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