植生多孔混凝土的制备及其植生性能研究

陈景，卢佳林，徐芬莲，王晶晶，叶海艳，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备及其植生性能研究

陈景，卢佳林，徐芬莲，王晶晶，叶海艳，甘戈金

（中建商品混凝土成都有限公司，四川成都610052）

本文研究了不同胶材体系（水泥—Ⅰ级粉煤灰、水泥—磷渣粉、磷酸盐水泥）、硫酸亚铁溶液处理对植生混凝土植生性能的影响，以及适生材料的配制及填充方式。研究表明：磷酸盐水泥可直接用于制备植生多孔混凝土，胶凝材料中大掺量磷渣粉结合硫酸亚铁溶液降碱处理制备的植生多孔混凝土抗压强度、孔隙率及 pH 值均可满足植生性需要，多次灌浆法可有效对适生材料进行填充，制备的植生混凝土植被根系穿透多孔混凝土层进入土壤，植被生长状况良好。

多孔混凝土；pH 值；植生性；适生材料

0　前言

植生混凝土是指以一定孔径、一定孔隙率的多孔混凝土为骨架，在多孔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多孔混凝土生长于下层土壤中的一类混凝土或混凝土制品[1,2]。其不但具有工程防护作用，而且适宜植物生长，具有恢复和保护环境、改善生态条件等功能[3]。植生混凝土在日本、欧洲等国已得到较为广泛的应用[4]，其中日本技术较为成熟，已经有数百个工程运用该技术构筑堤坝、河岸、公路边坡等[5,6]。国内对植生多孔混凝土的研究与应用还处于起步阶段，较少有工程应用，从公开的文献来看主要集中在多孔混凝土强度和孔隙率关系方面的研究，对于植生多孔混凝土的合理碱性环境改善、植被选型、适生材料配制及填充的研究还存在诸多缺陷[7-9]。本文就植生多孔混凝土的配合比设计、碱性水环境改善措施及植生性进行了研究。

1　原材料及试验方法

1.1原材料

水泥：亚东 P·O42.5R 水泥；自制磷酸盐水泥，28d 抗压强度 67.2MPa，初凝时间 40min。粉煤灰：泸州Ⅰ级粉煤灰。磷渣粉：成都某厂家生产磷渣粉。骨料：骨料粒径采用10～20mm 和 20～30mm 单级配碎石。硅灰：成都东南星硅灰。减水剂：公司自制高性能减水剂。硫酸亚铁：工业纯。

1.2试验方法

1.2.1多孔混凝土配合比设计

多孔混凝土采用体积法进行配合比设计，通过目标孔隙率的选择，确定各组分的用量。

1.2.2多孔混凝土的制备与养护

（1）搅拌方式

采用预裹浆法，先加入全部骨料，然后加入 30%～40%的水预湿骨料，再加入水泥和其他矿物掺合料搅拌 30s，使胶凝材料包裹于粗骨料表面，最后加入剩余的拌合水搅拌，使骨料表面水泥浆体更加均匀包裹。搅拌时间约 3min 左右。

（2）成型方式

采用无振动分层压制法分层浇筑，每层用实心钢管压实，增加骨料间的接触点及减少间距，使多孔混凝土的结构更加密实和稳定。

（3）养护方式

浇筑 8～10h 后开始洒水养护，并且用塑料薄膜及时覆盖，常温下每天洒水养护 4～6 次，洒水养护时间为 7d。

1.2.3抗压强度测试方法

试件尺寸为 150mm×150mm×150mm，试验方法参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

1.2.4孔隙率测试方法

采用排水法测定孔隙率，测定方法为：用游标卡尺量取混凝土试块的长、宽、高，求出体积 V1；用量筒量取容器盛满水时的体积为 V2；测定混凝土排水量，把混凝土试块放入容器中，加水至溢出的临界刻度，量取此时的水的体积为V3，则混凝土试块的孔隙率 e=1-(V2-V3)/V1。

1.2.5pH 值测定方法

（1）溶出法。多孔混凝土较普通混凝土孔隙率高、孔隙大、硬化浆体层较薄，水泥水化产物易迁移至硬化浆体表面。故设计试验方法如下：将多孔混凝土加入容器中，加入2L 水，使水淹没混凝土浸泡 24h 后，测量水中的 pH 值，以表征释放出的碱性物质的量。重复测试直至 pH 值趋于稳定。

（2）固液萃取法。将选择的试样破碎，充分研磨过筛(0.08mm)，称取 10g 准备好的粉体试样，加入 10 倍重量的蒸馏水中，用橡皮塞塞紧以防止碳化，每隔约 5min 振动均匀一次，2h 后用滤纸过滤，最后用酸度计测定滤液的 pH 值。

2　试验结果与讨论

2.1 不同胶材体系多孔混凝土配合比设计

经试验，集料粒径 10～20mm，采用水泥—Ⅰ级粉煤灰体系 (A1)、水泥—磷渣粉体系 (A2)、磷酸盐水泥体系 (A3) 制备多孔混凝土，粉煤灰和磷渣粉等量取代 45% 水泥，硅灰等量取代 5%。根据 1.2 部分及文献，理论孔隙率设计为 30%，28d 抗压强度设计为 6～10MPa。采用预裹浆法，最终不同胶材体系多孔混凝土配合比及性能见表 1，多孔混凝土制备效果见图 1。

表1　不同胶材体系多孔混凝土配合比设计及主要物理性能

图1　植生多孔混凝土制备效果

由表 1 见，三种不同胶材体系多孔混凝土抗压强度和孔隙率均满足植生混凝土性能基本要求，但是由于不同矿物掺合料活性及水泥强度不同，多孔混凝土 28d 抗压强度相差较大。磷酸盐水泥 28d 抗压强度为 67.2MPa，远大于 P·O42.5R水泥 28d 抗压强度，而磨细磷渣粉活性指数高于Ⅰ级粉煤灰，因此磷酸盐水泥体系多孔混凝土抗压强度最高，水泥—磷渣粉体系次之，水泥—Ⅰ级粉煤灰体系最小。

2.2植生多孔混凝土碱性水环境改造及对多孔混凝土强度的影响

植生多孔混凝土空隙碱水环境改造是植生多孔混凝土制备的关键技术，而植被通常可适应的 pH 值范围为 5.0～9.5。日本采用低碱度高炉 B、C 型水泥使植生多孔混凝土孔隙碱性水环境降到 pH 值 8～9[11]；国内低碱水泥资源匮乏，通常采用普通硅酸盐水泥制备，因此多孔植生混凝土 pH 值达到12.5 以上，导致孔隙内填充材料的盐碱化，此为长期阻碍我国植生混凝土推广的最重要原因。

2.2.1 不同胶凝材料体系对多孔混凝土 pH 值的影响

本部分采用大掺量粉煤灰、磷渣粉及使用酸性水泥来从根源降低植生多孔混凝土 pH 值。水泥—Ⅰ级粉煤灰体系、水泥—磷渣粉体系、磷酸盐水泥体系配合比分别采用 A1～A3，将多孔混凝土试件置于 20℃ 环境下定期洒水养护， pH 值测定采用溶出法和固液萃取法，不同胶材体系不同龄期多孔混凝土pH 值见图 2。

图2　不同龄期多孔混凝土 pH 值

由图 2 可见，由于固液萃取法粉磨水泥硬化浆体后，水泥水化产物更容易溶出，导致溶出法测得的多孔混凝土 pH 值低于固液萃取法，但是二者相差不大。普通硅酸盐水泥水化后主要产物是 C-S-H 凝胶、钙矾石 (AFt)、水化单硫铝酸钙(AFm) 以及氢氧化钙 (CH) 等。其中 CH 是维持水泥水化产物稳定及混凝土碱性的原因。矿物掺合料的潜在活性组分 SiO2和 CH 进行二次水化反应，减少了 CH 晶体的数量，从而混凝土的 pH 值也会越低。由图 2 可见，磷渣粉和粉煤灰的大掺量使用，早期多孔混凝土的 pH 值降幅较小，但是随着龄期的延长，pH 值不断降低，溶出法测定显示，水泥—Ⅰ级粉煤灰体系和水泥—磷渣粉体系 56d 混凝土 pH 值为 11.0 和 10.2。而固液萃取法测定结果显示，水泥—Ⅰ级粉煤灰体系和水泥—磷渣粉体系 56d 混凝土 pH 值为 11.2 和 10.4。多孔混凝土孔隙率及胶材体系中矿物掺合料掺量较大，骨料表面硬化浆体层较薄，使其容易遭受水流侵蚀及碳化作用，因此对于多孔混凝土来说，随着龄期的延长，多孔混凝土 pH 值有一定程度降低且 pH 值低于普通混凝土。而对于水泥—磷渣粉体系，磷渣粉中存在酸性的可溶性氟，以及正磷酸盐、多聚磷酸盐形式存在的可溶性磷，由于其大掺量使用，导致该体系混凝土pH 值在不同龄期均低于水泥—Ⅰ级粉煤灰体系，并且用溶出法测定显示，其 56d 混凝土的 pH 值为 10.2，多孔混凝土 pH值已大幅降低，通过与其他降低多孔混凝土 pH 值技术共同作用，可实现满足植被生长的环境。而对于磷酸盐水泥体系，其为磷酸盐与 MgO 的酸碱中和放热反应，为酸性水泥，通过不同方法测得混凝土的均呈弱酸性，适合植物生长。

2.2.2 硫酸亚铁溶液对混凝土 pH 值及强度的影响

研究表明，在 28℃条件下，28d 龄期硅酸盐水泥中86%～97% 的碱已释放出来，而反应初期大约可释放 45%～85%[12,13]。而经过长时间暴露后，硅酸盐水泥硬化浆体中仅保留 15% 左右的碱，因此，采用硫酸亚铁溶液与 CH 发生中和反应，降低多孔混凝土的 pH 值具有可行性。胶凝材料采用水泥—Ⅰ级粉煤灰体系和水泥—磷渣粉体系，配合比采用 A1 和A2。2d 龄期时分别用 0.3mol/L和 0.6mol/L 硫酸亚铁溶液进行淋洒至内部完全湿润，放置 1d 直至内部风干，然后用溶出法定期测定多孔混凝土的 pH 值，试验结果见图 3。研究可见，硫酸亚铁溶液对两种胶材体系的多孔混凝土进行喷洒后，混凝土的 pH 值由 1d 龄期的 11.9 和 11.6 分别降低至 8.1 左右，降低效果明显。但是随着龄期的延长，混凝土的 pH值不断的升高，14d 后 pH 值基本保持稳定。对于水泥—磷渣粉体系，0.3mol/L 和 0.6mol/L 硫酸亚铁溶液进行处理后 14d 时pH 值降低至 9.2 和 9.4，水泥—Ⅰ级粉煤灰体系 pH 值分别降低这9.6 和 10.2。混凝土中的碱是维持水泥水化产物稳定的关键因素，孔隙内可溶性碱的析出是一个持续和动态的过程。用硫酸亚铁溶液对多孔混凝土进行降碱时，虽初始可以大幅降低多孔混凝土内 pH 值，但为维持孔隙水环境的平衡，水泥水化产物会自动析出 Ca(OH)2以补充可溶性碱的浓度，使混凝土pH 值快速升高。因此，胶材采用水泥—磷渣粉体系制备植生多孔混凝土，并通过硫酸亚铁溶液进行降碱处理，可满足耐碱性植被生长条件。而对于水泥—Ⅰ级粉煤灰体系，经过降碱处理后 pH 值仍略高，需进行进一步降碱处理。

表 2 为喷洒硫酸亚铁溶液后对多孔混凝土强度的影响。采用 0.3 mol/L 硫酸亚铁溶液进行处理研究可见，A1 配合比处理后混凝土抗压强度分别由 9.6MPa 降低至 7.4 MPa，强度降低率为 22.5%，A2 配合比抗压强度由 10.8 MPa 降低至8.5MPa，强度降低率为 21.4%。可见由于硫酸亚铁的作用，导致水泥水化产物分解，其对混凝土强度的降低作用较为明显。因此，对多孔混凝土碱性的改造不能简单、片面地采用淋洒酸性物中和降低多孔混凝土中固有而必要的碱性。

图3　硫酸亚铁溶液对多孔混凝土 pH 值的影响

表 2　硫酸亚铁处理对多孔混凝土强度的影响

2.3多孔混凝土植生试验

2.3.1适应材料及其填充方式

适生材料是植被幼芽期根系生长的载体，为植被生长初期提供营养物质，同时作为屏障来减少混凝土内强碱环境对植物根系的胁迫。一般适生材料选用原则为：材料易填充；具有一定的保水吸水能力；肥料缓释能力强；质轻、分散能力强；环境和经济性好。常用的适生材料一般包括天然土壤、粉煤灰、植物纤维、木屑，珍珠岩、泥炭等[14]。

根据上述适生材料的选用原则及成都本地原材料实际情况，本试验的适生材料选择如下：（1）培养土：成都本地土壤；（2）有机肥：市售草木灰；（3）保水剂：聚丙烯酰胺；（4）粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰；（5）缓释肥：美国进口分装长效缓释肥奥绿 318 号；（6）添加剂。

试验中适生材料分两部分，包括植生混凝土面层部分和植生混凝土孔隙部分：（1) 植生混凝土面层部分采用本地土壤＋20g/m2缓释肥＋适量保水剂；(2) 植生多孔混凝土孔隙内采用 70% 本地土壤＋15%草木灰＋15%粉煤灰＋适量保水剂和添加剂。在基层土壤表面放置适量缓释肥，利用植被向肥性，利于植被根系快速进入基层土壤。适生材料中土壤宜选取本地土壤，对本地植被适应性较好。草木灰是来源广泛、成本低廉、养分充足、肥效明显的无机农家肥；粉煤灰含有大量微量元素，有很好的吸附性，在适生材料中可作为养分载体，吸附养分和游离水分，并且对适生材料所配制的浆体具有很好的分散性；缓释肥和添加剂能起到肥效果补充、持续供给及调节土壤碱性的作用。实现绿化功能主要是利用孔隙内的土壤生长植被，适生材料能否顺利填充到多孔混凝土孔隙内关系到植被能否正常生长，一般认为孔隙内适生材料填充 70% 左右可满足植被生长需求。

目前采用压缩空气为动力，将适生材料粉末通过混凝土孔隙内部驱动至各处，以达到填充的目的。该方法虽填充效率高，但由于适生材料需为细粉状，所采用的压力装置复杂，能耗大，不利于大规模开展应用。为克服以上缺点，本试验通过稀释适生材料调配成大流态浆体，通过浆体的流动性及自重来实现适生材料的填充。填充方法为：（1）多孔混凝土孔隙内适生材料的填充。将适生材料（70% 本地土壤＋15% 草木灰＋15% 粉煤灰）与水以 1: (3～4) 混合，制备成大流态浆体，由于粉煤灰及草木灰的作用，该浆体分散性及流动性良好，将该浆体以适宜的速度灌入多孔混凝土，该灌注方法适宜分二至三次灌注，待第一次灌注的适生材料浆体水分流失后宜进行后期灌注，该方法可实现良好的灌注效果。（2）多孔混凝土面层适生材料的填充。该部分适生材料直接与草种混合后平铺于面层，随后浇水。通过试验观察，该方法可有效填充适生材料，且通过后期植生试验，植物均能在其内部生长。

2.3.2植被的种植试验

按照 A1～A3 配合比进行多孔混凝土配制，多孔混凝土层为 10cm，其中对于A1 用硫酸亚铁溶液分别在 3d、7d 和28d 进行降碱性处理。A2 配合比在 14d 龄期进行降碱处理，A3 配合比不进行处理。28d 后对多孔混凝土孔隙及面层进行灌浆，且面层土壤中掺入高羊茅种子，按 30g/m3计。种植完成至种子发芽，要进行适当的洒水，除杂等养护管理。保持水分在植物发育阶段尤为重要，尤其在干旱炎热的季节，以保证植物根系的正常生长。发芽生长期，进行适当修剪、施肥、灌溉和杂草控制。当植生混凝土表面生长茂盛，营造出微生态系统单元环境后，对其可减少维护管理工作。本试验植被生长情况见图4。

图4　不同时期植被混凝土生长情况

由图 4 见，本试验方法可成功制备植生混凝土，植被生长良好且两个月后根系便穿过多孔混凝土层扎根于基层土壤，保证了植被后期的生长及加强了绿化系统的整体性。

3　结论

（1）集料粒径采用 10～20mm，采用水泥—Ⅰ级粉煤灰体系、水泥—磷渣粉体系、磷酸盐水泥体系制备多孔混凝土，粉煤灰和磷渣粉等量取代 45% 水泥，硅灰等量取代5%，制备的多孔混凝土 28d 强度大于 9MPa，孔隙率大于28%，满足植生混凝土基本技术条件。

（2）胶材采用水泥—磷渣粉体系制备植生多孔混凝土且通过硫酸亚铁溶液进行一次降碱处理，通过溶出法测定 pH 值可降低至 9.2，可满足耐碱性植被生长条件。磷酸盐水泥可直接用于植生混凝土。

（3）胶材采用水泥—Ⅰ级粉煤灰体系制备植生多孔混凝土需通过多次硫酸亚铁溶液降碱处理可满足耐碱性植被生长条件，但对多孔混凝土抗压强度影响较大。

（4）硫酸亚铁对多孔混凝土进行降碱处理，导致水泥水化产物分解，对混凝土强度的降低约 20%。

（5）将适生材料制备成大流态浆体，以适宜的速度分二至三次灌入多孔混凝土，可实现良好的灌注效果，后期植被生长茂盛。

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［通讯地址］成都市成华区龙潭寺建设村 5 组中建商品混凝土成都有限公司技术中心（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

陈景（1981—），男，硕士，工程师，主要从事预拌混凝土及混凝土制品的研究。