植生多孔混凝土的制備及其植生性能研究

陳景，盧佳林，徐芬蓮，王晶晶，葉海艷，甘戈金

（中建商品混凝土成都有限公司，四川　成都　610052）

植生多孔混凝土的制備及其植生性能研究

陳景，盧佳林，徐芬蓮，王晶晶，葉海艷，甘戈金

（中建商品混凝土成都有限公司，四川成都610052）

本文研究了不同膠材體系（水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰、水泥—磷渣粉、磷酸鹽水泥）、硫酸亞鐵溶液處理對(duì)植生混凝土植生性能的影響，以及適生材料的配制及填充方式。研究表明：磷酸鹽水泥可直接用于制備植生多孔混凝土，膠凝材料中大摻量磷渣粉結(jié)合硫酸亞鐵溶液降堿處理制備的植生多孔混凝土抗壓強(qiáng)度、孔隙率及 pH 值均可滿足植生性需要，多次灌漿法可有效對(duì)適生材料進(jìn)行填充，制備的植生混凝土植被根系穿透多孔混凝土層進(jìn)入土壤，植被生長(zhǎng)狀況良好。

多孔混凝土；pH 值；植生性；適生材料

0　前言

植生混凝土是指以一定孔徑、一定孔隙率的多孔混凝土為骨架，在多孔混凝土孔隙內(nèi)充填植物生長(zhǎng)所需的物質(zhì)，植物根系生長(zhǎng)于孔隙內(nèi)或穿透多孔混凝土生長(zhǎng)于下層土壤中的一類(lèi)混凝土或混凝土制品[1,2]。其不但具有工程防護(hù)作用，而且適宜植物生長(zhǎng)，具有恢復(fù)和保護(hù)環(huán)境、改善生態(tài)條件等功能[3]。植生混凝土在日本、歐洲等國(guó)已得到較為廣泛的應(yīng)用[4]，其中日本技術(shù)較為成熟，已經(jīng)有數(shù)百個(gè)工程運(yùn)用該技術(shù)構(gòu)筑堤壩、河岸、公路邊坡等[5,6]。國(guó)內(nèi)對(duì)植生多孔混凝土的研究與應(yīng)用還處于起步階段，較少有工程應(yīng)用，從公開(kāi)的文獻(xiàn)來(lái)看主要集中在多孔混凝土強(qiáng)度和孔隙率關(guān)系方面的研究，對(duì)于植生多孔混凝土的合理堿性環(huán)境改善、植被選型、適生材料配制及填充的研究還存在諸多缺陷[7-9]。本文就植生多孔混凝土的配合比設(shè)計(jì)、堿性水環(huán)境改善措施及植生性進(jìn)行了研究。

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥：亞?wèn)| P·O42.5R 水泥；自制磷酸鹽水泥，28d 抗壓強(qiáng)度 67.2MPa，初凝時(shí)間 40min。粉煤灰：瀘州Ⅰ級(jí)粉煤灰。磷渣粉：成都某廠家生產(chǎn)磷渣粉。骨料：骨料粒徑采用10～20mm 和 20～30mm 單級(jí)配碎石。硅灰：成都東南星硅灰。減水劑：公司自制高性能減水劑。硫酸亞鐵：工業(yè)純。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)

多孔混凝土采用體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)目標(biāo)孔隙率的選擇，確定各組分的用量。

1.2.2多孔混凝土的制備與養(yǎng)護(hù)

（1）攪拌方式

采用預(yù)裹漿法，先加入全部骨料，然后加入 30%～40%的水預(yù)濕骨料，再加入水泥和其他礦物摻合料攪拌 30s，使膠凝材料包裹于粗骨料表面，最后加入剩余的拌合水?dāng)嚢?，使骨料表面水泥漿體更加均勻包裹。攪拌時(shí)間約 3min 左右。

（2）成型方式

采用無(wú)振動(dòng)分層壓制法分層澆筑，每層用實(shí)心鋼管壓實(shí)，增加骨料間的接觸點(diǎn)及減少間距，使多孔混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)和穩(wěn)定。

（3）養(yǎng)護(hù)方式

澆筑 8～10h 后開(kāi)始灑水養(yǎng)護(hù)，并且用塑料薄膜及時(shí)覆蓋，常溫下每天灑水養(yǎng)護(hù) 4～6 次，灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間為 7d。

1.2.3抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法

試件尺寸為 150mm×150mm×150mm，試驗(yàn)方法參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2.4孔隙率測(cè)試方法

采用排水法測(cè)定孔隙率，測(cè)定方法為：用游標(biāo)卡尺量取混凝土試塊的長(zhǎng)、寬、高，求出體積 V1；用量筒量取容器盛滿水時(shí)的體積為 V2；測(cè)定混凝土排水量，把混凝土試塊放入容器中，加水至溢出的臨界刻度，量取此時(shí)的水的體積為V3，則混凝土試塊的孔隙率 e=1-(V2-V3)/V1。

1.2.5pH 值測(cè)定方法

（1）溶出法。多孔混凝土較普通混凝土孔隙率高、孔隙大、硬化漿體層較薄，水泥水化產(chǎn)物易遷移至硬化漿體表面。故設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法如下：將多孔混凝土加入容器中，加入2L 水，使水淹沒(méi)混凝土浸泡 24h 后，測(cè)量水中的 pH 值，以表征釋放出的堿性物質(zhì)的量。重復(fù)測(cè)試直至 pH 值趨于穩(wěn)定。

（2）固液萃取法。將選擇的試樣破碎，充分研磨過(guò)篩(0.08mm)，稱(chēng)取 10g 準(zhǔn)備好的粉體試樣，加入 10 倍重量的蒸餾水中，用橡皮塞塞緊以防止碳化，每隔約 5min 振動(dòng)均勻一次，2h 后用濾紙過(guò)濾，最后用酸度計(jì)測(cè)定濾液的 pH 值。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同膠材體系多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)試驗(yàn)，集料粒徑 10～20mm，采用水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系 (A1)、水泥—磷渣粉體系 (A2)、磷酸鹽水泥體系 (A3) 制備多孔混凝土，粉煤灰和磷渣粉等量取代 45% 水泥，硅灰等量取代 5%。根據(jù) 1.2 部分及文獻(xiàn)，理論孔隙率設(shè)計(jì)為 30%，28d 抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為 6～10MPa。采用預(yù)裹漿法，最終不同膠材體系多孔混凝土配合比及性能見(jiàn)表 1，多孔混凝土制備效果見(jiàn)圖 1。

表1　不同膠材體系多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)及主要物理性能

圖1　植生多孔混凝土制備效果

由表 1 見(jiàn)，三種不同膠材體系多孔混凝土抗壓強(qiáng)度和孔隙率均滿足植生混凝土性能基本要求，但是由于不同礦物摻合料活性及水泥強(qiáng)度不同，多孔混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度相差較大。磷酸鹽水泥 28d 抗壓強(qiáng)度為 67.2MPa，遠(yuǎn)大于 P·O42.5R水泥 28d 抗壓強(qiáng)度，而磨細(xì)磷渣粉活性指數(shù)高于Ⅰ級(jí)粉煤灰，因此磷酸鹽水泥體系多孔混凝土抗壓強(qiáng)度最高，水泥—磷渣粉體系次之，水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系最小。

2.2植生多孔混凝土堿性水環(huán)境改造及對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度的影響

植生多孔混凝土空隙堿水環(huán)境改造是植生多孔混凝土制備的關(guān)鍵技術(shù)，而植被通常可適應(yīng)的 pH 值范圍為 5.0～9.5。日本采用低堿度高爐 B、C 型水泥使植生多孔混凝土孔隙堿性水環(huán)境降到 pH 值 8～9[11]；國(guó)內(nèi)低堿水泥資源匱乏，通常采用普通硅酸鹽水泥制備，因此多孔植生混凝土 pH 值達(dá)到12.5 以上，導(dǎo)致孔隙內(nèi)填充材料的鹽堿化，此為長(zhǎng)期阻礙我國(guó)植生混凝土推廣的最重要原因。

2.2.1 不同膠凝材料體系對(duì)多孔混凝土 pH 值的影響

本部分采用大摻量粉煤灰、磷渣粉及使用酸性水泥來(lái)從根源降低植生多孔混凝土 pH 值。水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系、水泥—磷渣粉體系、磷酸鹽水泥體系配合比分別采用 A1～A3，將多孔混凝土試件置于 20℃ 環(huán)境下定期灑水養(yǎng)護(hù)， pH 值測(cè)定采用溶出法和固液萃取法，不同膠材體系不同齡期多孔混凝土pH 值見(jiàn)圖 2。

圖2　不同齡期多孔混凝土 pH 值

由圖 2 可見(jiàn)，由于固液萃取法粉磨水泥硬化漿體后，水泥水化產(chǎn)物更容易溶出，導(dǎo)致溶出法測(cè)得的多孔混凝土 pH 值低于固液萃取法，但是二者相差不大。普通硅酸鹽水泥水化后主要產(chǎn)物是 C-S-H 凝膠、鈣礬石 (AFt)、水化單硫鋁酸鈣(AFm) 以及氫氧化鈣 (CH) 等。其中 CH 是維持水泥水化產(chǎn)物穩(wěn)定及混凝土堿性的原因。礦物摻合料的潛在活性組分 SiO2和 CH 進(jìn)行二次水化反應(yīng)，減少了 CH 晶體的數(shù)量，從而混凝土的 pH 值也會(huì)越低。由圖 2 可見(jiàn)，磷渣粉和粉煤灰的大摻量使用，早期多孔混凝土的 pH 值降幅較小，但是隨著齡期的延長(zhǎng)，pH 值不斷降低，溶出法測(cè)定顯示，水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系和水泥—磷渣粉體系 56d 混凝土 pH 值為 11.0 和 10.2。而固液萃取法測(cè)定結(jié)果顯示，水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系和水泥—磷渣粉體系 56d 混凝土 pH 值為 11.2 和 10.4。多孔混凝土孔隙率及膠材體系中礦物摻合料摻量較大，骨料表面硬化漿體層較薄，使其容易遭受水流侵蝕及碳化作用，因此對(duì)于多孔混凝土來(lái)說(shuō)，隨著齡期的延長(zhǎng)，多孔混凝土 pH 值有一定程度降低且 pH 值低于普通混凝土。而對(duì)于水泥—磷渣粉體系，磷渣粉中存在酸性的可溶性氟，以及正磷酸鹽、多聚磷酸鹽形式存在的可溶性磷，由于其大摻量使用，導(dǎo)致該體系混凝土pH 值在不同齡期均低于水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系，并且用溶出法測(cè)定顯示，其 56d 混凝土的 pH 值為 10.2，多孔混凝土 pH值已大幅降低，通過(guò)與其他降低多孔混凝土 pH 值技術(shù)共同作用，可實(shí)現(xiàn)滿足植被生長(zhǎng)的環(huán)境。而對(duì)于磷酸鹽水泥體系，其為磷酸鹽與 MgO 的酸堿中和放熱反應(yīng)，為酸性水泥，通過(guò)不同方法測(cè)得混凝土的均呈弱酸性，適合植物生長(zhǎng)。

2.2.2 硫酸亞鐵溶液對(duì)混凝土 pH 值及強(qiáng)度的影響

研究表明，在 28℃條件下，28d 齡期硅酸鹽水泥中86%～97% 的堿已釋放出來(lái)，而反應(yīng)初期大約可釋放 45%～85%[12,13]。而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間暴露后，硅酸鹽水泥硬化漿體中僅保留 15% 左右的堿，因此，采用硫酸亞鐵溶液與 CH 發(fā)生中和反應(yīng)，降低多孔混凝土的 pH 值具有可行性。膠凝材料采用水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系和水泥—磷渣粉體系，配合比采用 A1 和A2。2d 齡期時(shí)分別用 0.3mol/L和 0.6mol/L 硫酸亞鐵溶液進(jìn)行淋灑至內(nèi)部完全濕潤(rùn)，放置 1d 直至內(nèi)部風(fēng)干，然后用溶出法定期測(cè)定多孔混凝土的 pH 值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 3。研究可見(jiàn)，硫酸亞鐵溶液對(duì)兩種膠材體系的多孔混凝土進(jìn)行噴灑后，混凝土的 pH 值由 1d 齡期的 11.9 和 11.6 分別降低至 8.1 左右，降低效果明顯。但是隨著齡期的延長(zhǎng)，混凝土的 pH值不斷的升高，14d 后 pH 值基本保持穩(wěn)定。對(duì)于水泥—磷渣粉體系，0.3mol/L 和 0.6mol/L 硫酸亞鐵溶液進(jìn)行處理后 14d 時(shí)pH 值降低至 9.2 和 9.4，水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系 pH 值分別降低這9.6 和 10.2?；炷林械膲A是維持水泥水化產(chǎn)物穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，孔隙內(nèi)可溶性堿的析出是一個(gè)持續(xù)和動(dòng)態(tài)的過(guò)程。用硫酸亞鐵溶液對(duì)多孔混凝土進(jìn)行降堿時(shí)，雖初始可以大幅降低多孔混凝土內(nèi) pH 值，但為維持孔隙水環(huán)境的平衡，水泥水化產(chǎn)物會(huì)自動(dòng)析出 Ca(OH)2以補(bǔ)充可溶性堿的濃度，使混凝土pH 值快速升高。因此，膠材采用水泥—磷渣粉體系制備植生多孔混凝土，并通過(guò)硫酸亞鐵溶液進(jìn)行降堿處理，可滿足耐堿性植被生長(zhǎng)條件。而對(duì)于水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系，經(jīng)過(guò)降堿處理后 pH 值仍略高，需進(jìn)行進(jìn)一步降堿處理。

表 2 為噴灑硫酸亞鐵溶液后對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度的影響。采用 0.3 mol/L 硫酸亞鐵溶液進(jìn)行處理研究可見(jiàn)，A1 配合比處理后混凝土抗壓強(qiáng)度分別由 9.6MPa 降低至 7.4 MPa，強(qiáng)度降低率為 22.5%，A2 配合比抗壓強(qiáng)度由 10.8 MPa 降低至8.5MPa，強(qiáng)度降低率為 21.4%?？梢?jiàn)由于硫酸亞鐵的作用，導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物分解，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的降低作用較為明顯。因此，對(duì)多孔混凝土堿性的改造不能簡(jiǎn)單、片面地采用淋灑酸性物中和降低多孔混凝土中固有而必要的堿性。

圖3　硫酸亞鐵溶液對(duì)多孔混凝土 pH 值的影響

表 2　硫酸亞鐵處理對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度的影響

2.3多孔混凝土植生試驗(yàn)

2.3.1適應(yīng)材料及其填充方式

適生材料是植被幼芽期根系生長(zhǎng)的載體，為植被生長(zhǎng)初期提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)作為屏障來(lái)減少混凝土內(nèi)強(qiáng)堿環(huán)境對(duì)植物根系的脅迫。一般適生材料選用原則為：材料易填充；具有一定的保水吸水能力；肥料緩釋能力強(qiáng)；質(zhì)輕、分散能力強(qiáng)；環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性好。常用的適生材料一般包括天然土壤、粉煤灰、植物纖維、木屑，珍珠巖、泥炭等[14]。

根據(jù)上述適生材料的選用原則及成都本地原材料實(shí)際情況，本試驗(yàn)的適生材料選擇如下：（1）培養(yǎng)土：成都本地土壤；（2）有機(jī)肥：市售草木灰；（3）保水劑：聚丙烯酰胺；（4）粉煤灰：Ⅰ級(jí)粉煤灰；（5）緩釋肥：美國(guó)進(jìn)口分裝長(zhǎng)效緩釋肥奧綠 318 號(hào)；（6）添加劑。

試驗(yàn)中適生材料分兩部分，包括植生混凝土面層部分和植生混凝土孔隙部分：（1) 植生混凝土面層部分采用本地土壤＋20g/m2緩釋肥＋適量保水劑；(2) 植生多孔混凝土孔隙內(nèi)采用 70% 本地土壤＋15%草木灰＋15%粉煤灰＋適量保水劑和添加劑。在基層土壤表面放置適量緩釋肥，利用植被向肥性，利于植被根系快速進(jìn)入基層土壤。適生材料中土壤宜選取本地土壤，對(duì)本地植被適應(yīng)性較好。草木灰是來(lái)源廣泛、成本低廉、養(yǎng)分充足、肥效明顯的無(wú)機(jī)農(nóng)家肥；粉煤灰含有大量微量元素，有很好的吸附性，在適生材料中可作為養(yǎng)分載體，吸附養(yǎng)分和游離水分，并且對(duì)適生材料所配制的漿體具有很好的分散性；緩釋肥和添加劑能起到肥效果補(bǔ)充、持續(xù)供給及調(diào)節(jié)土壤堿性的作用。實(shí)現(xiàn)綠化功能主要是利用孔隙內(nèi)的土壤生長(zhǎng)植被，適生材料能否順利填充到多孔混凝土孔隙內(nèi)關(guān)系到植被能否正常生長(zhǎng)，一般認(rèn)為孔隙內(nèi)適生材料填充 70% 左右可滿足植被生長(zhǎng)需求。

目前采用壓縮空氣為動(dòng)力，將適生材料粉末通過(guò)混凝土孔隙內(nèi)部驅(qū)動(dòng)至各處，以達(dá)到填充的目的。該方法雖填充效率高，但由于適生材料需為細(xì)粉狀，所采用的壓力裝置復(fù)雜，能耗大，不利于大規(guī)模開(kāi)展應(yīng)用。為克服以上缺點(diǎn)，本試驗(yàn)通過(guò)稀釋適生材料調(diào)配成大流態(tài)漿體，通過(guò)漿體的流動(dòng)性及自重來(lái)實(shí)現(xiàn)適生材料的填充。填充方法為：（1）多孔混凝土孔隙內(nèi)適生材料的填充。將適生材料（70% 本地土壤＋15% 草木灰＋15% 粉煤灰）與水以 1: (3～4) 混合，制備成大流態(tài)漿體，由于粉煤灰及草木灰的作用，該漿體分散性及流動(dòng)性良好，將該漿體以適宜的速度灌入多孔混凝土，該灌注方法適宜分二至三次灌注，待第一次灌注的適生材料漿體水分流失后宜進(jìn)行后期灌注，該方法可實(shí)現(xiàn)良好的灌注效果。（2）多孔混凝土面層適生材料的填充。該部分適生材料直接與草種混合后平鋪于面層，隨后澆水。通過(guò)試驗(yàn)觀察，該方法可有效填充適生材料，且通過(guò)后期植生試驗(yàn)，植物均能在其內(nèi)部生長(zhǎng)。

2.3.2植被的種植試驗(yàn)

按照 A1～A3 配合比進(jìn)行多孔混凝土配制，多孔混凝土層為 10cm，其中對(duì)于A1 用硫酸亞鐵溶液分別在 3d、7d 和28d 進(jìn)行降堿性處理。A2 配合比在 14d 齡期進(jìn)行降堿處理，A3 配合比不進(jìn)行處理。28d 后對(duì)多孔混凝土孔隙及面層進(jìn)行灌漿，且面層土壤中摻入高羊茅種子，按 30g/m3計(jì)。種植完成至種子發(fā)芽，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑⑺?，除雜等養(yǎng)護(hù)管理。保持水分在植物發(fā)育階段尤為重要，尤其在干旱炎熱的季節(jié)，以保證植物根系的正常生長(zhǎng)。發(fā)芽生長(zhǎng)期，進(jìn)行適當(dāng)修剪、施肥、灌溉和雜草控制。當(dāng)植生混凝土表面生長(zhǎng)茂盛，營(yíng)造出微生態(tài)系統(tǒng)單元環(huán)境后，對(duì)其可減少維護(hù)管理工作。本試驗(yàn)植被生長(zhǎng)情況見(jiàn)圖4。

圖4　不同時(shí)期植被混凝土生長(zhǎng)情況

由圖 4 見(jiàn)，本試驗(yàn)方法可成功制備植生混凝土，植被生長(zhǎng)良好且兩個(gè)月后根系便穿過(guò)多孔混凝土層扎根于基層土壤，保證了植被后期的生長(zhǎng)及加強(qiáng)了綠化系統(tǒng)的整體性。

3　結(jié)論

（1）集料粒徑采用 10～20mm，采用水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系、水泥—磷渣粉體系、磷酸鹽水泥體系制備多孔混凝土，粉煤灰和磷渣粉等量取代 45% 水泥，硅灰等量取代5%，制備的多孔混凝土 28d 強(qiáng)度大于 9MPa，孔隙率大于28%，滿足植生混凝土基本技術(shù)條件。

（2）膠材采用水泥—磷渣粉體系制備植生多孔混凝土且通過(guò)硫酸亞鐵溶液進(jìn)行一次降堿處理，通過(guò)溶出法測(cè)定 pH 值可降低至 9.2，可滿足耐堿性植被生長(zhǎng)條件。磷酸鹽水泥可直接用于植生混凝土。

（3）膠材采用水泥—Ⅰ級(jí)粉煤灰體系制備植生多孔混凝土需通過(guò)多次硫酸亞鐵溶液降堿處理可滿足耐堿性植被生長(zhǎng)條件，但對(duì)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大。

（4）硫酸亞鐵對(duì)多孔混凝土進(jìn)行降堿處理，導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物分解，對(duì)混凝土強(qiáng)度的降低約 20%。

（5）將適生材料制備成大流態(tài)漿體，以適宜的速度分二至三次灌入多孔混凝土，可實(shí)現(xiàn)良好的灌注效果，后期植被生長(zhǎng)茂盛。

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［通訊地址］成都市成華區(qū)龍?zhí)端陆ㄔO(shè)村 5 組中建商品混凝土成都有限公司技術(shù)中心（610052）

Preparation of porous concrete and study on planting experiment for plants-growing

Chen Jing, Lu Jialin, Xu Fenlian ,Wang Jingjing, Ye Haiyan, Gan Gejin
(China Construction Ready Mixed Concrete Chengdu Co., Ltd., Chengdu 610052, China)

The effects of different cementious materials (cement-I fly ash, cement-phosphorous slag-limestone composite powder, phosphate cement)and ferrous sulfate for planting experiment of green-growing porous concrete, and preparation of planting matrix were investigated. Phosphate cement can be directly used in the preparation of green-growing porous concrete, compressive strength, porosity and pH value could meet design requirement of planting experiment for plants-growing with large amount of cement-phosphorous slaglimestone composite powder and treating of ferrous sulfate. Multiple grouting method was effective for the filling of planting matrix. The root of the plant couldpass through the concrete layer to soil and it grew well.

porous concrete; pH value; planting experiment for plants-growing; planting matrix

陳景（1981—），男，碩士，工程師，主要從事預(yù)拌混凝土及混凝土制品的研究。