植生再生骨料生態(tài)混凝土研究進展*

吳光軍，陳建國，徐金霞，張世城，濮琦

（1. 廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西 南寧 530023；2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3. 蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

植生再生骨料生態(tài)混凝土研究進展*

吳光軍1,2，陳建國1，徐金霞2，張世城1,2，濮琦3

（1. 廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西 南寧 530023；2. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3. 蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

以再生骨料取代天然骨料配制植生再生骨料生態(tài)混凝土，對提高再生骨料資源利用率、保護生態(tài)環(huán)境具有積極作用。本文通過國內(nèi)外文獻資料整理，綜述了植生再生骨料生態(tài)混凝土的概念、特點及配制方法；以及再生骨料對植生生態(tài)混凝土力學(xué)性能、耐久性能和植生性能的影響；并分析了植生再生骨料生態(tài)混凝土當(dāng)前存在的主要問題，展望了植生再生骨料生態(tài)混凝土的應(yīng)用前景。

再生骨料；植生生態(tài)混凝土；配制方法

0 引言

隨著經(jīng)濟水平的不斷提高，我國建筑行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，每年都有大量房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施被拆毀重建，產(chǎn)生了數(shù)量巨大的廢棄混凝土塊和廢棄磚，如果不能合理利用，而是直接堆放或填埋處理，將對生態(tài)環(huán)境帶來極為嚴(yán)重的負面影響。因此，提出通過將廢棄混凝土、廢棄磚等建筑垃圾經(jīng)機械破碎制成再生骨料，以實現(xiàn)建筑垃圾二次利用[1]。但是，由于再生骨料表面粗糙、棱角多、孔隙率高、密度小、吸水性大、強度較低，嚴(yán)重制約了再生骨料的應(yīng)用[2]。植生生態(tài)混凝土屬于多孔生態(tài)混凝土，不含細骨料，僅僅依靠粗骨料及包裹在粗骨料表面的膠結(jié)漿體相互咬合，強度較普通混凝土低，因此，高品質(zhì)的天然骨料性能在這里得不到完全發(fā)揮，造成資源浪費；反之，將再生骨料應(yīng)用于植生生態(tài)混凝土，不僅不會造成資源浪費，還能緩解再生骨料由于性能缺陷而使用受限的局面。因此，與天然骨料相比，再生骨料更適合用于制作植生生態(tài)混凝土。目前，在植生再生骨料生態(tài)混凝土研究方面已經(jīng)進行了大量工作，本文介紹了植生再生骨料生態(tài)混凝土的概念及特點，綜述了近年來植生再生骨料生態(tài)混凝土的配制方法、力學(xué)性能、耐久性能及植生性能方面的研究進展。

1 植生再生骨料生態(tài)混凝土的概念及特點

植生再生骨料生態(tài)混凝土是在植生生態(tài)混凝土的基礎(chǔ)上，利用再生骨料取代天然骨料配制而成，主要由再生骨料多孔混凝土、填充營養(yǎng)土、表層客土及植物等組成[3]，是能夠適應(yīng)綠色植物生長，滿足綠色植物作業(yè)要求[4]的綠色生態(tài)混凝土。多孔混凝土作為結(jié)構(gòu)骨架，給結(jié)構(gòu)提供強度支撐；其內(nèi)部分布的連續(xù)孔隙則為植物根系的生長提供空間[5]；填充營養(yǎng)土和表層客土為植物的生長提供營養(yǎng)。由于植生再生骨料生態(tài)混凝土在結(jié)構(gòu)形式上的特殊性，決定了其具有較好的透水性能、透氣性能、抗沖刷性能和植生性能，用于生態(tài)護坡、屋頂綠化及停車場建設(shè)等工程建設(shè)中，能夠起到降低地表徑流量、修復(fù)生態(tài)、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度等作用。據(jù)文獻[6-9]介紹，在歐美、日本及韓國等國家，植生生態(tài)混凝土技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于道路護坡、屋頂綠化和生態(tài)型河川建設(shè)中。國內(nèi)對植生生態(tài)混凝土的研究起步較晚，大部分研究仍處于試驗階段[10]。

2 植生再生骨料生態(tài)混凝土配制方法

2.1 配合比設(shè)計方法

目前常用的配合比設(shè)計方法是體積法，即在粗骨料緊密堆積孔隙率的基礎(chǔ)上，通過目標(biāo)孔隙率，來計算膠結(jié)漿體用量體積，采用該配合比設(shè)計方法能較好地控制混凝土的孔隙率[10]。此外，水灰比和骨膠比是配合比設(shè)計中的兩個主要參數(shù)。研究表明[11]，水灰比過大，會導(dǎo)致膠結(jié)漿體發(fā)生離析，而產(chǎn)生堵孔、積漿現(xiàn)象；水灰比過小，則會因為膠結(jié)漿體干硬而無法攪拌均勻，影響骨料間的粘結(jié)，從而影響混凝土的強度。在制作多孔生態(tài)混凝土?xí)r，水灰比不宜過大，應(yīng)控制在 0.25～0.35 之間[12-13]。同時，當(dāng)骨膠比較大時，水泥用量少，導(dǎo)致強度降低；相反，骨膠比較小時，雖然強度增強，但是由于膠結(jié)漿體用量增大，會導(dǎo)致內(nèi)部孔隙減小，不利于植物生長，經(jīng)過對比試驗，植生生態(tài)混凝土灰骨比宜控制在 0.13～0.20 之間[14]。另外，考慮到再生骨料的高吸水率特點，在植生再生骨料生態(tài)混凝土配制時宜通過附加水量或采用飽和骨料。

2.2 攪拌、成型及養(yǎng)護方法

由于植生再生骨料生態(tài)混凝土較普通混凝土在結(jié)構(gòu)形式、骨料特點上存在著明顯差異，因此其攪拌、成型及養(yǎng)護方法也會有所不同。蔣正武[15]、吳磊[16]等的研究表明，采用水泥裹石法的攪拌方式成型的植生再生骨料生態(tài)混凝土強度較一次加料法明顯提高。因為通過該攪拌方式，膠結(jié)漿體能夠均勻地包裹在再生粗骨料表面，使得骨料間的粘結(jié)效果增強，進而達到混凝土強度提高的作用。汪健[17]則對比研究了機器振搗和人工插搗壓實下植生生態(tài)混凝土強度、孔隙率等指標(biāo)的變化，結(jié)果顯示，機器振搗的試件強度較人工插搗壓實要高，但是其滲透系數(shù)和孔隙率較低，不利于植物生長。因此植生再生骨料生態(tài)混凝土宜采用人工插搗壓實的成型方法。由于植生再生骨料生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙較多，水分很容易蒸發(fā)流失，所以不宜選擇自然養(yǎng)護方法，為了防止因水分流失過多而造成混凝土強度損失，在試塊養(yǎng)護過程中，試塊表面覆蓋一層塑料薄膜能起到很好的保水作用，有利于混凝土養(yǎng)護。相關(guān)研究表明[17-18]，采用連同模具一起標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的方法對提高混凝土強度效果顯著，為了防止表面骨料因粘結(jié)強度不足而脫落，宜在成型后的第 3 天進行拆模。

3 植生再生骨料生態(tài)混凝土力學(xué)性能

植生再生骨料生態(tài)混凝土的多孔骨架結(jié)構(gòu)主要由再生粗骨料、膠結(jié)漿體及內(nèi)部空隙組成，其強度主要依靠骨料表層的膠結(jié)漿體相互咬合，因此強度較普通混凝土低。而作為最主要的組成成分，再生骨料的品質(zhì)、粒徑及取代率將直接影響植生再生骨料生態(tài)混凝土的力學(xué)性能。

3.1 再生骨料品質(zhì)對植生生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響

由于再生骨料在機械破碎過程中，產(chǎn)生了微小裂紋，使得骨料表面疏松，孔隙率增大，骨料強度下降，吸水率較高，在配制植生生態(tài)混凝土?xí)r，導(dǎo)致再生骨料表面的舊砂漿與新拌水泥漿體粘結(jié)不牢固，存在明顯的界面薄弱區(qū)，導(dǎo)致再生骨料生態(tài)混凝土強度較天然骨料低[19]。Vivian W.Y.Tam 等[20]研究了鹽酸、硫酸及磷酸3 種酸液對再生骨料表面的改性作用，結(jié)果表明，酸液預(yù)處理后再生骨料的吸水率降低，而強度明顯提高，制成的生態(tài)混凝土抗壓強度、抗彎強度和彈性模量均得到顯著提高。肖開濤[21]采用 PVA 聚合物溶液和有機硅防水劑對再生骨料改性，也使得再生骨料的吸水率明顯下降。劉榮桂[22]采用鹽酸溶液對廢棄混凝土再生骨料進行改性，制備的生態(tài)混凝土 28d 抗壓強度得到明顯提高。 Bhutta 等[23]則采用聚合物改性方法對再生骨料進行強化，配制的再生骨料多孔生態(tài)混凝土的抗壓強度提高了 79%。

3.2 骨料粒徑對植生生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響

由于骨料粒徑的不同，即使在相同孔隙率、水灰比條件下配制的混凝土強度也會有所不同。P. Chindaprasirt[24]的研究表明，在相同的孔隙率下，多孔混凝土的強度取決于骨料粒徑大小，且多孔混凝土強度呈現(xiàn)出隨著骨料粒徑的增大而減小的規(guī)律。美國田納西大學(xué)的 Crouch. P. E[25]研究發(fā)現(xiàn)減小骨料尺寸，生態(tài)混凝土強度提高。Ducman V.[26]研究了骨料類型和骨料尺寸對生態(tài)透水混凝土性能的影響，結(jié)果表明，骨料尺寸比骨料類型對生態(tài)混凝土性能的影響大，且更小尺寸的骨料生產(chǎn)的生態(tài)混凝土力學(xué)性能較好。宋超[27]、王玉軍[28]、趙佳[29]等對多種粒徑下的再生骨料生態(tài)混凝土進行抗壓、抗折強度試驗分析，也得出了類似結(jié)論，試件強度隨骨料粒徑的增大有減小的趨勢，因為小粒徑骨料比表面積較大，骨料與水泥漿的粘結(jié)面積變大，接觸點增多，粘結(jié)作用增強，宏觀上就表現(xiàn)為強度的提高。

3.3 骨料取代率對植生生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響

由于再生骨料較天然骨料表面粗糙且強度要低，因此，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土強度必將受到影響。Kou Cong Shi 等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)混凝土抗壓強度、抗拉強度、彈性模量隨著再生骨料取代率的增加而不斷降低，且當(dāng)取代率為 100% 時，較全天然骨料的生態(tài)混凝土抗壓強度低 8.9%，抗拉強度低 6.9%。由于再生骨料具有疏松多孔的特性，骨料－砂漿界面存在微裂縫，弱化了骨料之間的粘結(jié)力，因此再生骨料取代率對混凝土強度值有直接的影響，取代率越高，強度值越低[31]。而 Senng Park Bum 等[32]的研究得出了不同結(jié)果，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)孔隙率為 25% 時，再生骨料的取代率為 50% 的多孔生態(tài)混凝土的抗壓強度值最高。Chetna M Vyas[33]利用廢棄混凝土塊生產(chǎn)的垃圾制作綠色混凝土，發(fā)現(xiàn)再生骨料取代率為 40% 時，混凝土抗壓強度最高。國內(nèi)學(xué)者張新華[34]、呂京錄[35]等的研究結(jié)果表明，當(dāng)再生骨料取代率處于較低水平 25%～40% 時，再生骨料中的水泥粉末、石料粉末等具有微集料效應(yīng)，在攪拌成型過程中，改善多孔混凝土的界面，使多孔生態(tài)混凝土抗壓強度提高；當(dāng)再生骨料取代率處于中高水平 50%～75%時，由于再生骨料自身性能缺陷，導(dǎo)致多孔生態(tài)混凝土強度明顯下降；當(dāng)不同材料屬性的骨料通過膠凝材料粘結(jié)，形成的不同剛度材料在同一結(jié)構(gòu)中共同作用時，整體結(jié)構(gòu)更容易受到破壞；而當(dāng)再生骨料取代率為 100%時，則不存在這種問題，因此，當(dāng)取代率為 100% 時，28d 齡期抗壓強度下降不明顯[35]。

4 植生再生骨料生態(tài)混凝土耐久性能

由于植生再生骨料生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙較多，使得自由水、空氣等很容易進入，容易受到凍融、碳化、干縮及硫酸鹽侵蝕等作用的影響。姚明來等[36]的研究表明再生骨料生態(tài)混凝土經(jīng) 25 次凍融循環(huán)后的抗壓強度損失率為 5.93%，質(zhì)量損失率為 1.08%。因為界面薄弱層有微裂縫存在，在經(jīng)多次凍融循環(huán)作用后，裂縫不斷擴展，最終導(dǎo)致試件結(jié)構(gòu)破壞。錢振生[37]研究了碳化對植生混凝土堿環(huán)境及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，碳化對早齡期植生混凝土的 pH 值及抗壓強度的影響明顯，3d 試件的 pH 值上升約 6%，抗壓強度下降 20% 以上，而隨著養(yǎng)護齡期的增長，碳化對于植生混凝土的堿環(huán)境和力學(xué)性能影響不再明顯。崔正龍[38]考慮到再生骨料植生生態(tài)混凝土干燥的工作環(huán)境，通過摻入鈣系膨脹劑參與水化反應(yīng)，以生成的鈣礬石和氫氧化鈣填充混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微小的毛細孔，從而緩解毛細孔由于水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，起到抑制干燥收縮的效果明顯。潘佳文等[39]對干濕交替作用下加速硫酸鹽侵蝕對植生生態(tài)混凝土耐久性的影響進行研究，結(jié)果表明，骨料粒徑越小，抗硫酸鹽侵蝕性能越好。Li-Jeng Huang[40]的研究發(fā)現(xiàn)，在生態(tài)混凝土中摻入適當(dāng)?shù)膹U輪胎粉、廢棄液晶玻璃砂能有效提高生態(tài)混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能。由于再生骨料生態(tài)混凝土的需水量很大，導(dǎo)致混凝土的收縮大、氯離子滲透系數(shù)大、碳化速度快以及抗凍性差等，但是經(jīng)過對再生骨料表面進行整形，去除薄弱層，需水量明顯降低，生態(tài)混凝土耐久性得到顯著改善[41]。

5 植生再生骨料生態(tài)混凝土的植生性能

對植生再生骨料生態(tài)混凝土而言，其最主要的性能就是植生性能。相關(guān)研究表明，孔隙率、孔徑大小及pH 值是影響生態(tài)混凝土植生性能的 3 個關(guān)鍵因素?？紫堵试酱?，且平均孔徑越大，越有利于植物生長[42]，然而，強度卻會隨著孔隙率的增加而降低，因此，對植生生態(tài)混凝土而言，存在一個較合理的孔隙率范圍。日本生態(tài)混凝土護岸工法中對植生護岸混凝土提出了明確要求，認為孔隙率應(yīng)在 21%～30% 之間才能滿足植物正常生長的需要[43]。胡勇為等[44]研究了孔徑大小對植生生態(tài)混凝土植生性能的影響，發(fā)現(xiàn)平均孔徑越大，植物生長越好，且采用單一級配粗骨料拌制的生態(tài)混凝土的平均孔徑比采用多種級配骨料拌制的生態(tài)混凝土的平均孔徑大。此外，植生生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)部堿性水環(huán)境對植物能否正常生長起決定性作用。Chen F.[45]的研究表明，隨著 pH 值的增加，植物生長率呈下降趨勢。因此，為了滿足植物生長需要，須對再生骨料生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙的堿環(huán)境進行改善。根據(jù)目前的研究，主要的降堿處理方法包括溶液浸泡法[18]、酸堿中和法[46-47]、蠟封法等。胡春明[48]考察了孔隙狀態(tài)、萘系高效減水劑以及蠟封處理方法對生態(tài)混凝土堿性水環(huán)境的影響，結(jié)果表明，生態(tài)混凝土孔隙水環(huán)境的 pH 值與孔隙的平均孔徑成反比關(guān)系；另外，增加萘系減水劑摻量，可降低pH 值，蠟封處理也可有效抑制堿性物質(zhì)的釋放。

6 結(jié)語

植生再生骨料生態(tài)混凝土給再生骨料的利用拓寬思路，實現(xiàn)垃圾資源變廢為寶，減輕環(huán)境壓力；同時，其良好的透水、透氣性能和植生性能，對緩解“熱島效應(yīng)”、“城市內(nèi)澇”及“全球氣候變暖”等環(huán)境問題具有積極作用。由于上述優(yōu)點，植生再生骨料生態(tài)混凝土逐漸受到人們的關(guān)注，并在其配制方法和性能特點方面進行了大量研究，取得了一些成果，但想進一步推廣應(yīng)用，仍有諸多難點亟待深入研究。與天然骨料相比，經(jīng)機械破碎的再生骨料性能較差，且目前再生骨料表面改性或強化的技術(shù)手段很多，但是工藝都較復(fù)雜，很難應(yīng)用在工程中；而在配合比設(shè)計方面，國內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一、有效的植生再生骨料生態(tài)混凝土的配合比設(shè)計方法，對于如何解決強度和孔隙率的矛盾關(guān)系還有待進一步研究，對于生態(tài)混凝土性能指標(biāo)和檢測方法缺乏相關(guān)規(guī)范作為指導(dǎo)；目前采用的普通硅酸鹽水泥造成混凝土內(nèi)部堿性過高，在這樣的環(huán)境中植物無法存活，而已有的系列降堿措施還有待考證，對于這些降堿方法是否會對生態(tài)混凝土性能產(chǎn)生影響還需進一步研究。

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Research on recycled aggregate ecological concrete

Wu Guangjun1,2, Chen Jianguo1, Xu Jinxia2, Zhang Shicheng1,2, Pu Qi3
(1. Guangxi Hydraulic Research Institute, Guangxi Key Laboratory of Water Engineering Materials and Structures, Nanning 530023; 2. Hohai University, Nanjing 210098;3. Suzhou Concrete Cement Products Institute Co., Ltd., Suzhou 215004)

To make up ecological concrete with recycled aggregate instead of natural aggregate plays positive effect to improve the utilization of recycled aggregate resources and protect the ecological environment. Based on the research of domestic and foreign data, this paper illustrate the concept, characteristics and preparation methods of recycled aggregate ecological concrete, and further discuss the influence recycled aggregate made for the mechanical properties, durability,implant and growing capacity of zoophytic ecological concrete. The main problems existing in ecological concrete is analyzed also, and provide an outlook of the application prospect of recycled aggregate ecological concrete.

recycled aggregate; zoophytic concrete; preparation method

廣西自然科學(xué)基金 2016GXNSFBA380056；廣西水利科技項目 201616；綠色建材國家重點實驗室開放基金 YA-533。

吳光軍 (1991－)，男，河海大學(xué)碩士研究生，主要從事水工材料研究。

［通訊地址］江蘇省南京市江寧區(qū)佛城西路 8 號（210098）