植生型多孔混凝土的研究综述

冯永存 宋少民

（北京建筑大学 绿色建筑与节能技术北京市重点实验室，北京 100044）

随着国内经济的快速发展和城镇建设步伐的不断加快，大量的建筑物拔地而起，这些建筑物在为我们的生活带来方便的同时，也对我们赖以生存的生态环境造成了一定影响。现在城市地面被大量混凝土覆盖，不透水区域增多，城镇绿色植被面积显著降低，热岛效应加剧，也增大了城市内涝的可能性；混凝土质地脆硬，颜色种类单调，以灰色为主基调，视觉效果缺乏生机，使人产生粗、硬、冷、暗的感觉，人们长期生活在充斥了钢筋混凝土的环境中，对于人类的身体健康造成较大影响。

在我国积极的倡导绿色生活，节能环保的生活理念下，人们现在不仅仅停留在过去只看重混凝土的结构性能，也逐渐开始向环境友好、智能节约等功能的混凝土方向发展。经过研究人员的不懈努力，现在已经研究出了具有环境调节功能的植生混凝土，这是一种新型的绿色环保混凝土，既具有混凝土的功能，又实现了生态化的需求，为人类构造了舒适环境的生态混凝土，社会效益和生态效益十分突出，对社会的可持续发展具有重要意义。当前植生混凝土在日本、欧洲等国已得到了较为广泛的应用，在我国虽然起步较晚，但发展迅速，技术逐步趋于成熟，并已开始应用于工程实践。

对多孔植生混凝土的研究，涉及材料、环境科学和植物学等学科，要实现多孔植生混凝土的广泛应用，必须对多孔植生混凝土配比组成设计、孔隙分布、强度、孔隙内碱度、孔隙填充材料、植物种类等进行系统研究。笔者阅读并收集了现有国内外研究成果，在此基础上系统地介绍植生混凝土的概念、技术特点、研究状况以及存在的技术问题，以供参考，旨在推进该项技术在我国的推广应用。

1 植生混凝土的定义与构造

1.1 植生混凝土定义

植生混凝土是指以一定孔径、一定孔隙率的特制混凝土为骨架，在混凝土孔隙内充填植物生长所需的物质，植物根系生长于孔隙内或穿透混凝土生长于下层土壤中的一类混凝土或混凝土制品[1]。此类混凝土制品是植物与填充于植生混凝土孔隙内的植物生长基有机结合而成的新型混凝土。

1.2 植生混凝土构造

植生混凝土从构造上来看，可分为孔洞型、多孔连续型、孔洞型多层结构等3种形式[2]。孔洞型植生混凝土是：在普通混凝土板上预留大孔洞，为绿色植物生长提供空间，并在其内填充适于植物生长的土壤。从形式看，它只是将植物与混凝土块进行简单的拼凑，绿化面积小，不能单独的定义一种新型混凝土。孔洞型多层结构植生混凝土是：上层为多孔洞混凝土板，底层为凹槽，上层与底层复合，中间形成一定空间的培土层。这种植生混凝土多应用于城市楼房的阳台等，不与土壤直接接触的部位，在一定程度上，可增加城市的绿化面积，美化环境。严格上来讲，以上两种构造形式并不是传统意义的植生混凝土。

多孔连续型混凝土，它是以无砂多孔混凝土为基本骨架，内部有一定比例的连通孔隙，为混凝土表面的植物根部生长、提供空间。其基本构造主要由多孔混凝土骨架、保水填充材料、表层土等组成，这也是当前所研究的植生混凝土构造，见图1所示。

图1 植生混凝土结构示意

2 植生混凝土的研究状况

2.1 物理性能

2.1.1 孔隙率及透水性

无砂多孔生态混凝土的植生性及透水性都源自于其内部的孔隙。这些孔隙包括连通孔隙、半连通孔隙以及封闭孔隙三部分，三者之和为全孔隙。3种孔隙中的连通孔隙和半连通孔隙是混凝土具有透水性的主要原因，植物根系可以通过多孔混凝土中的连通孔隙扎入土体，汲取土体中的养分。因此，在多孔混凝土的设计研究中，全孔隙率是一个重要的技术指标。彭波[3]等研究得出植生混凝土连通孔隙率随全孔隙率的增大而增大，且两者之间存在良好的二次线性关系，这对于今后植生混凝土孔隙研究提供了一定指导意见。

目前国内常用的孔隙率测定方法为量体积法和胶带密蜡封法[4]。量体积法不宜用于表面不平整、形状不规则、不宜切割的试件。胶带密贴蜡封法步骤繁琐，操作较为麻烦。当前国内在孔隙率研究方面，主要参考日本《多孔混凝土空隙率试验方案》及《透水性混凝土河川护堤施工手册》。

国内外通过对孔隙率研究，提出一些有关多孔混凝土孔隙率的结论。其中，日本生态混凝土护岸工法规定，对以植生为主的护岸，28d抗压强度要求在10MPa以上的多孔混凝土，孔隙率在21%~30%之间；对于承受流水严重冲刷的植生型护岸，28d强度要求在18MPa以上多孔混凝土，孔隙率在18%~21%之间[5]。高建明[6]等人认为连续孔隙率低于20%时，植物根系难以穿透多孔混凝土的空隙深入到土壤中。胡勇有等研究证明孔混凝土平均孔径对其植生性能的重要影响，平均粒径太小会导致植物根系无法吸收足够的营养物质，从而影响根系的延伸生长，同时会使pH值过高，不利于植物生长；平均粒径太大，会产生保水性差等问题，所以平均孔径要适中。

透水性决定了水在生态混凝土中流动的可能性，继而影响到植物根系能否获得足够的水分以维持生命。李政启[7]等研究发现植生混凝土具有与土壤一样良好的透水性能。虢清伟[8]等人认为在适生材料灌注前，骨料粒径越大，多孔混凝土试件的渗透系数越大，灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低，但属强透水材料之列。

影响孔隙率和透水系数的因素包括骨料粒径、骨料级配、骨胶比、水胶比等。骨料粒径越小或骨料级配越好，孔隙率、平均孔隙直径和透水系数越小；随骨胶比增大，混凝土孔隙率和透水系数增大，这是因为随着骨料间胶凝材料的减少，骨料间的孔隙增大，从而孔隙率和透水系数增大。关于水胶比对孔隙率和透水系数的影响不同研究者的结论并不一致，张蔚[9]等认为随水胶比的减小，孔隙率和透水性能增大：而徐飞等[10]认为随水灰比的增大，孔隙率和透水性能增大，这一问题还需进一步深入的研究。

2.1.2 植生混凝土强度

植生混凝土的抗压强度，参照GB／T 5008 1-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。但由于植生混凝土是由胶结材黏结骨料而成，孔隙率大，其表面平整度差。在此种情况直接进行抗压强度测试，并不能反映植生混凝土实际抗压强度，一般要求采用高强石膏、硫磺胶泥或水泥砂浆，将试块补平后进行抗压试验。

反映植生混凝士力学性能的主要指标是混凝土强度。植生多孔生态混凝土强度的研究主要是针对其抗压、抗折强度和劈裂抗拉强度。从混凝土结构性的角度出发，一般要求植生型多孔生态混凝土具有大于10 MPa的抗压强度。

影响植生混凝士强度的因素包括骨料粒径、骨料级配、骨胶比、水灰比和胶凝材料掺合料等。骨料粒径越小或骨料级配越好，混凝土强度越高，单一级配配制的多孔混凝土抗压强度小于连续级配配制的多孔植生混凝土，这是因为随骨料间接触点的增加，有利于强度提高；较小的水胶比使胶结浆本身的强度增加，混凝土强度也因此提高，但水胶比不易超过0.4。此外影响混凝土强度的因素还包括龄期、骨料强度、制备工艺和养护条件等。张朝辉[11]通过多孔混凝土制备与成型工艺研究，得到清洗骨料、改变裹浆法加料顺序、震动+压实成型、覆盖薄膜保湿养护等方法，可以提升多孔混凝土的强度。传统意义上植生混凝土被认为是掺加砂子的，但有关论文指出，掺加少量细砂，在不影响孔隙率的同时，可以增大可以浆体与单级配粗集料的接触面积并发挥集料支撑点的作用，进而提升混凝土的抗压强度，对于此种观点还需通过实验得以验证。

2.2 多孔混凝土配合比设计方法研究

植生混凝土在结构和材料组成方面和普通混凝土有较大区别，故其配合比设计方法也与普通混凝土不同。

对于植生混凝土既要求有高的力学性能，又要有足够大的孔隙率，然而高孔隙率与高力学性能是一对矛盾体，故必须要考虑各方面因素才能定出合适的配合比方法。目前，国内还没有相应的试验规程可执行，需要后续的系统研究。

对于植生混凝土的配合比设计，应考虑到孔隙率、透水系数及强度三个方面，根据多孔植生混凝土结构特征，可以认为单位体积多孔混凝土的表观体积由骨料紧密堆积而成。因此配合比设计的原则是将骨料颗粒表面用胶结材料包裹，并将骨料颗粒互相粘结起来，形成一个整体，具有一定的强度，而不需要将骨料之间的孔隙填充密实。

单位体积多孔混植生凝土的质量应为单位体积骨料的质量和单位体积胶结材料质量之和，这样可以初步确定多孔混凝土的配比设计方法，集料粒径大小的不同和胶凝材料的多少可形成直径大小不同的孔隙，满足不同用途的需要。根据设计要求确定选用的材料，再确定单位体积混凝土中骨料的用量，然后根据骨料的表观密度和设计要求的孔隙率确定胶结材料用量，根据成型工艺的要求确定水灰比，从而确定单位体积水泥用量和拌合水用量。

2.3 植生混凝土孔隙内碱环境及改造方法研究

植物在混凝土孔隙中生长，孔隙内的化学性质，直接影响了其植生性能。植物只能在一定PH值范围内才能顺利成长，对于混凝土而言，其主要呈碱性，故其pH值不宜超过10。混凝土中水化产物Ca（OH）2具有强碱性，一般混凝土pH值都会大于12,故必须要采取措施降低植生混凝土的pH值。

要判定植物根系在植生混凝土中生长的碱环境，就需要进行孔隙内碱度的测定，主要测试方法包括：液萃取法和按LY/T《森林土壤pH值的测定》方法测定植生混凝土孔隙内生长基的pH值。笔者认为第二种方法更为合理，第一种方法破坏了混凝土结构，不能反映真实孔隙碱环境，第二种检测生长基土壤的pH值，结果更为真实。

多孔植被混凝土的碱环境改造是一核心技术。在日本，用于植生混凝土的胶凝材料是低碱度高炉B、C型水泥，用该类水泥制出的多孔植生混凝土，其pH值在8～9之间，适宜植物生长。我国缺乏低碱度水泥，因而在水泥方面降低pH值的方法并不可行。

改造多孔植生混凝土孔隙内碱度主要应从以下三方面考虑：（1）降低胶凝材料的碱度；（2）用酸性土壤和添加弱酸性物质中和溶出的碱，以来降低孔隙内碱度值；（3）通过对静浆体进行表面处理，隔绝碱类物质与填充土壤的接触，保证植物的生长。

通过掺加粉煤灰、矿渣、硅粉等矿物掺合料，利用矿物掺合料与氢氧化钙的二次反应，消耗氢氧化钙，可降低碱度。高建明等人用掺矿物掺合料，来降低混凝土内部孔隙间pH值，研究发现掺硅粉效果为最佳，28天pH值可降到10以下；张朝辉[11]研究发现弱酸性土壤中和孔隙内的碱度在前期14d左右较为有效，后期pH值逐渐恢复到1l左右，且弱酸性土壤对多孔混凝土长期强度有影响。喷洒或浸泡FeS04溶液可以中和混凝土中的碱性物质，王桂玲等[l2]研究了浸泡FeS04溶液的作用，发现FeSO4等弱酸性物质的掺加虽然能在一定程度可降低多孔混凝土的孔隙碱度，然而其掺量对强度的降低作用明显，固FeSO4的掺量不宜过多。胡春明等[13]试验证明经过蜡封处理的生态混凝土的孔隙水环境pH值可降低0.5~1，而且对混凝±孔隙率不会造成较大的影响。王桂玲等[l2]提出复合降碱实验方案，通过在混凝土中掺加一定比例的硅灰与FeSO4，并在混凝土成型后喷洒永凝液阻碱，此降碱方法可使土壤pH值保持在8～8.5之间。

2.4 植物生长基的配制与填充

植物生长基是指在多孔混凝土孔隙内填充的材料，是植物的根系赖以附生的载体，为植生长提供养分和水分。配制植物生长基质应具备良好的物理化学和生物学特性，具备质轻、通透性好、保肥保水能力强、酸碱度适宜、材料易得、无毒害成分及有害微生物等优点。

植物生长基可以认为是人造土壤，包括：草碳土、蛭石、珍珠岩或木屑等基本材料和保水剂、肥料。生长基的配制可因植物种类不同而不同，生长基的填充方式可以是用压力灌浆的形式或浸渍方式。

当前对于植物生长基的填充主要采用灌浆法[l4]进行填充施工。灌浆法是将植物生长基拌和均匀后用水及适量减水剂调制成浆体，用水泥枪将浆体填充于植生混凝土孔隙中。笔者所在课题组研究发现，将干的植物生长基材料混合均匀，采用震动填充的方法也可以实现植物生长基的填充。

3 植生混凝土存在的问题

从目前的研究与应用状况来看，我国在植生混凝土方面研究及技术仍处于实验性阶段，今后还必须要深入研究。就当前对于植生混凝土的研究主要存在以下几个问题：

（1）我国还未形成一套统一、合理的植生混凝土配合比设计方法，目前报道的植生混凝土设计方法不系统，具体参数不明确，对空隙率与强度之间的矛盾没有提出合理的解决方案。

（2）国内提出一些解决植生混凝土碱度的方案，但对孔隙碱度降低效果并不明显，且对于碱度检测方法没有规范的实验方法。

（3）在生产植生混凝土的过程中，由于没有细骨料，且孔隙率大，自然对胶结材料等有较高要求，这也不可避免的产生造价成本高的问题，这对于植生混凝土的工程推广应用形成一定阻力。

（4）植生混凝土成型后缺乏对其后期植物生长和耐久性能问题的研究。

（5）国家还未出台相关植生混凝土的技术规程和应用规范。

结语

随着人们对生活环境的关注，建筑结构将更趋向于绿色节能环保方向发展，而植生混凝土恰恰实现了建筑与自然环境的相融合，相比于普通混凝土的这一优势，植生混凝土有理由成为今后混凝土的研究热点。我国在植生混凝土的研究方面，由于起步较晚，技术相比于日本等国家还相对落后，同时国家对植生混凝土研究的投入力量也不够大，还有许多核心技术问题亟待研究和解决。这就需要植生混凝土所涉及的各学科科研工作者，团结协作，综合各方优势，共同推进其在我国社会建设中早日大规模应用，实现建筑结构的生态化，促进人与自然的和谐发展。

[1] 王桂玲，王龙志，张海霞，等．植生混凝土的含义，技术指标及研究重点[J]．混凝土，2013 (1)： 105-109.

[2] 詹镇峰，李从波．植生混凝土的研究与应用述评[J]．广东水利水电，2007 (3)：57-58.

[3] 彭波，蒋昌波，向泰尚，等．植生型多孔混凝土孔隙率试验研究[J]．中国水运： 下半月，2013 (5)： 281-282.

[4] 郑木莲．多孔混凝土排水基层研究 [D][J]．西安： 长安大学公路学院，2004.

[5] 胡勇有，胡春明，谢磊，等．埴生型生态混凝土孔隙状态对植物生长的影响[J]．华南理工大学学报(自然科学版),2006．34(12)：5．9．

[6] 高建明．植生型多孔混凝土性能的试验[J]．江苏大学学报(自然科学版)，2005，26(4)．

[7] 李政启，相阳，李家明，等．植生型无砂多孔生态混凝土性能评述[J]．建筑节能，2012 (4)： 50-53

[8] 虢清伟，胡勇有，郑丙辉，等．植生混凝土的透水性能研究[J]．水利水电技术，2006，37(9)： 1-4.

[9] 张蔚，陶新明，黄圣铨．灰骨比对绿色生态混凝土抗压强度及空隙率的影响分析[J]．福建建筑，2010(7)：137．139．

[10] 徐飞，肖党旗．无砂多孔混凝土配合比的研究阴．水利与建筑工程学报，2005，3(4)：24-26．

[11] 张朝辉．多孔植被混凝土研究[D]．重庆： 重庆大学，2006.

[12] 王桂玲，王龙志，张海霞，等．多孔种植混凝土孔隙碱度改造方法的研究[J]．中国包装科技博览： 混凝土技术，2012 (12)：29-33.

[13] 胡春明，胡勇有，虢清伟，等．植生型生态混凝土孔隙碱性水环境改善的研究[J].混凝土与水泥制品，2006 (3)： 8-10.

[14] 王桂玲，王龙志，张海霞等．植生混凝土施工技术研究[J]．混凝土，2013 (5)：151-153.