Case Stud. Constr. Mater.:膨润土改性硫铝酸盐水泥基多孔生态混凝土的保水保肥性能研究

文献速读

题目：Investigation on water and fertilizer retention properties of hydrated sulphoaluminate cement pastes modified by bentonite for porous ecological concrete

膨润土改性硫铝酸盐水泥基多孔生态混凝土的保水保肥性能研究

关键字：多孔生态混凝土  保水保肥性能  硫铝酸盐水泥膨润土

出版年份：2023

来源：Case Studies in Construction Materials

课题组：济南大学建筑材料制备与测试技术重点实验室李来波

背景介绍

随着经济和人类社会的快速发展，公路、铁路、运河等基础设施逐年增加,为保证基础设施的安全运行、保护边坡、防止水土流失，传统的护坡技术主要有植被护坡技术(VSP技术)和混凝土护坡技术(CSP技术)。VSP技术是直接在坡面种植植被并依靠植被的根部来保护斜，其优点是成本效益高且环境友好,但受环境因素影响VSP技术并不能保证边坡的安全。CSP技术是在边坡上浇筑混凝土依靠混凝土的高强度来保护边坡，但由于混凝土的无孔结构，边坡土壤与周围的联系被完全切断，破坏了植被生长的生态环境。因此，开发一种既能保证边坡安全又能保护环境的边坡防护技术成为人们关注的焦点。

研究出发点

多孔生态混凝土（PEC）是一种高空隙率、无细骨料多孔混凝土，并可为植物生长提供良好的水分和养分供给。要促使植物在PEC中良好生长，应确保植物生长所需的孔隙率、较低的孔溶液pH值和水肥的有效滞留。由于硅酸盐水泥的主要水化产物为水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和氢氧化钙(CH)，其孔隙溶液的pH值约为13.5，不适合植物生长。而硫铝酸盐水泥(SAC)与波特兰水泥相比，主要水化产物是钙矾石（AFt）和单硫型硫铝酸钙（AFm）。硬化SAC浆体孔隙溶液的pH值约为11.5，较适合植物生长。此外，PEC是通过裹浆法生产的，粗骨料由水泥浆包覆和粘结，其保水保肥性能、孔溶液pH等相关性能直接由硬化水泥浆决定。

图1：PEC示意图。

图2：PEC裹浆法示意图。

有研究表明，硬化SAC浆体的总孔隙率决定了其吸水率，硬化SAC浆体的保水保肥性能取决于其孔隙结构。但由于结构致密，硬化后的SAC浆体吸水率和保水保肥率不理想，导致SAC基的PEC不能满足植物生长的需要。为此，可利用无机多孔材料、无机层状材料和有机高吸水性聚合物对SAC进行改性。膨润土是一种广泛使用的材料，主要由蒙脱土组成并可吸收大量的水分并保持水分，其吸水率可超过200%，远高于沸石、高岭土、硅藻土等无机材料。此外，膨润土的吸水率和保水性能虽然低于高吸水性聚合物，但高吸水性聚合物在混凝土中的掺入量一般不超过0.5%，膨润土在混凝土中的掺入量可达到高吸水性聚合物的十倍以上。此外，已有研究表明，膨润土可以改善新拌混凝土的流变特性和混凝土的收缩开裂性能。

本研究利用膨润土对SAC进行改性，提高了水化SAC浆体的吸水性和保水性。为测定膨润土对水化SAC浆体保肥性能的影响，采用尿素(CO(NH₂)₂)作为肥料添加到SAC浆体中，进一步研究了膨润土与SAC的水化特性，以及膨润土与SAC硬化浆体的孔溶液pH、孔结构、容重和抗压强度。

材料和测试方法

表1：SAC和膨润土的化学组成。

图3：SAC和膨润土的粒度分布。

表2：SAC对照样品与添加膨润土样品的混合比例。

结果和讨论

表3：硬化浆体的吸水率(wt%)。

图4：硬化浆体的水分释放率。

图5：硬化浆体的肥料释放率。

图6：硬化浆体的孔隙pH值。

图7：水化产物的热重分析。

图8：硬化SAC基材料浆体的孔隙结构。

图9:硬化SAC基材料浆体的堆积密度。

图10：总孔隙体积与吸水率、容重的关系。

图11：SAC与膨润土的水化热 (a) 1天水化热;(b) 3 d水化热。

图12：SAC基胶凝材料的抗压强度。

结论

本文从多角度研究了膨润土对SAC保水保肥性能和基本理化性能的影响,经研究得出了以下结论:

(1)膨润土水化SAC浆体的保水保肥性能在添加量为2 wt%时优于空白浆体。膨润土对水化SAC浆体保水性和保肥性能的改善能力优于沸石等无机多孔材料。

(2)硬化SAC浆体孔隙溶液的pH值随膨润土含量的增加而降低，当膨润土添加量达到10 wt%时，硬化SAC浆体孔隙溶液pH降低0.45，为10.95。

(3)孔隙率随膨润土添加量的增加而增加，且当膨润土添加量在2.0 wt%以下时，孔隙体积增加的主要是直径小于0.1µm的微孔。然而，直径大于100µm的膨润土的孔隙明显增加了5 wt%和10 wt%，这不利于硬化SAC浆体的保水保肥和力学性能。

(4)掺量小于2 wt%的膨润土可提高SAC的早期抗压强度。与空白组混合料相比，添加0.5 wt%膨润土的1天抗压强度提高了11.3%。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e01967

本期编者简介

翻译：

委玉杰    硕士生    西北农林科技大学

审核：

李   黎    副教授    西北农林科技大学

排版：

郭宜杭    硕士生    西北农林科技大学