植生型多孔混凝土物理性能及植生适应性研究

田 砾，逄增铭，全洪珠，宋 华

(1.青岛理工大学，蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266033；2.青岛农业大学，青岛 266109)



植生型多孔混凝土物理性能及植生适应性研究

田 砾1，逄增铭1，全洪珠2，宋 华1

(1.青岛理工大学，蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266033；2.青岛农业大学，青岛 266109)

为了深入研究植生型多孔混凝土的性能影响因素及植生适应性，本文制备了不同配合比的多孔混凝土，对其强度、孔隙率、pH值进行测试。将制备的试块进行自然碳化以使碱度满足植物生长的需求，在此基础上试种高羊茅、狗牙根、碱茅及三种混合草种。结果表明：多孔混凝土强度随目标孔隙率提高而降低，目标孔隙率越高，强度受水胶比影响越小，多孔混凝土实测孔隙率随水胶比增大而提高。植生试验证明，经过碳化降碱后的多孔混凝土虽然测试pH值较高但可以满足所选6种草种的生长需求，其中，高羊茅成坪速度最快，蓝兰景三号绿化效果最好。

多孔混凝土； 抗压强度； 孔隙率； 植生

1 引 言

多孔混凝土由水泥、粗骨料和水拌制而成，与普通混凝土相比缺少细骨料，植生型多孔混凝土是利用多孔混凝土中较大的连通孔隙填充植生材料，使植物能够在其中生长的多孔混凝土，这种混凝土具有良好生态功能，可以应用于房屋坡面结构及河流护坡工程[1-3]。1995年，日本混凝土工业协会就提出了植生型多孔混凝土的概念，目前植生型多孔混凝土在日本、欧美等国家已有较为广泛的工程应用，近年来，国内相关研究已有一定成果[4]， 但对其各项性能间的相互影响关系仍需进一步研究，本文致力于对多孔混凝土强度、孔隙率、pH值等性能及植生性能进行试验研究，为植生型多孔混凝土推广应用提供研究依据。

2 试 验

2.1 试验材料

采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，密度3.13 g/cm3，比表面积390 m3/kg；骨料采用粒径10～25 mm的花岗岩碎石骨料，其堆积密度为1622 kg/m3，表观密度为2671 kg/m3，空隙率为43.69%；减水剂采用萘系高效减水剂。

2.2 制备工艺

(1)搅拌工艺：采用两次投料法。将骨料与水泥投入搅拌机中干拌30 s，待两者混合均匀后，再加入水和外加剂搅拌90 s。通过目测观察，采用该搅拌方法，浆体能均匀包裹骨料，拌合物表面有金属光泽。

(2)成型工艺：采用振动成型制备的多孔混凝土易出现底部密实而顶部未密实的情况，为提高混凝土成型后强度，试验采用分层插捣成型的方法。

2.3 试验方案设计

相关文献表明[5]，多孔混凝土最佳水胶比在0.25～0.35之间，同时，为满足植物生长需要，植生型多孔混凝土应具有一定的连通孔隙以确保透水透气性能和蓄容能力，植生型多孔混凝土孔隙率宜保持在18%～35%之间[6]。

本试验选取的水胶比为0.25、0.27、0.30，三种目标孔隙率选取分别为27%、30%、33%，研究水胶比、目标孔隙率、龄期对多孔混凝土强度、实测孔隙率、pH值等因素的影响。原材料用量按照单位绝对体积法计算，即胶凝浆体体积+粗骨料体积+设计空隙体积=1，配合比见表1。

表1 植生型多孔混凝土配合比Tab.1 Mixing proportions of eco-porous concrete

3 结果与讨论

3.1 抗压强度影响因素分析

3.1.1 龄期对抗压强度的影响

图1 目标孔隙率及水胶比不同时，植生砼龄期-抗压强度关系Fig.1 Relationship between age and compressive strength with varing design porosity and water-binder ratio

图1为不同水胶比的多孔混凝土，在孔隙率分别为27%、30%、33%时，抗压强度随龄期的变化情况，其早期强度增长较快而后期发展缓慢。多孔混凝土抗压强度随龄期的变化规律总体上与普通混凝土相似，但多孔混凝土7 d抗压强度仅达到28 d抗压强度的39%，远低于普通混凝土，这是因为普通混凝土的强度增长主要受水泥水化反应影响，而多孔混凝土在水泥硬化后，就成为水泥与粗骨料凝结成的骨架结构，其强度不止受水泥水化反应影响，也受粗骨料性能及骨料间粘结方式的影响，与普通混凝土相比，多孔混凝土骨料间依靠较少量水泥相互粘结，这种粘结方式导致多孔混凝土在水泥水化反应早期，水泥强度较低时，粘结点更容易被破坏。

3.1.2 孔隙率对抗压强度的影响

孔隙特征是影响植生型多孔混凝土性能和应用的最重要因素之一[7]。对于试验中所采用的三种水胶比情况下，试块抗压强度随目标孔隙率变化情况如图2所示，目标孔隙率越大，则试块抗压强度越低。水胶比为0.27时，27%目标孔隙率的混凝土91 d抗压强度为18.6 MPa，目标孔隙率提高至33%后，强度降低至9.7 MPa，降幅达到54%，为图2中最小降幅，而最大降幅达到72%，目标孔隙率增大导致强度降低有两方面原因：①孔隙率增大，多孔混凝土内部孔隙体积增大，其内部密实程度相应降低，抵抗破坏能力减弱②按照单位绝对体积法计算混凝土配合比，由公式：胶凝浆体体积+粗骨料体积+设计空隙体积=1可知，若控制单位体积骨料用量不变，则目标孔隙率越大，胶凝材料所占体积就会越小，即水泥和水用量减小，在骨料由胶凝材料粘结成整体后，粘结缝隙成为薄弱部位。

图2 不同水胶比及龄期时，植生砼目标孔隙率-抗压强度关系Fig.2 Relationship between design porosity and compressive strength with varing water-binder ratio and age

3.1.3 水胶比对抗压强度的影响

水胶比对普通混凝土强度有重要影响，而多孔混凝土结构与普通混凝土有较大差异，需进行试验研究。图3为三种目标孔隙率情况下，多孔混凝土各个龄期强度随水胶比变化情况。对于三种目标孔隙率的多孔混凝土，其早期强度受水胶比影响均较小，7 d抗压强度随水胶比变化曲线接近水平，变化幅度在5.1%～20.7%，而目标孔隙率越大，水胶比对多孔混凝土抗压强度的影响越不明显，目标孔隙率为33%时，三条变化曲线都接近水平。

根据图3可知，随水胶比增大，强度变化情况并无一致规律，水胶比对多孔混凝土强度的影响需结合更多因素进行考量。工程应用中，可通过目测搅拌后胶凝材料浆体与骨料的结合情况来判断水胶比是否适宜，适宜水胶比情况下，胶凝浆体能均匀包裹粗骨料，呈一定金属光泽，不干涩、不流浆。

3.2 孔隙率影响因素分析

多孔混凝土孔隙包括连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙三种，其中连通孔隙对植物生长最有意义[8]。使用排水法测得试块连通孔隙率与总孔隙率，结果如图4所示，经过回归分析，发现连通孔隙率与实测孔隙率之间存在良好线性关系，拟合曲线斜率为1.014接近于1，截距较小，为-1.5914，说明对于不同配比的多孔混凝土，连通孔隙在总孔隙中占比较高，保持在94%～97%之间，适宜植物生长。

图3 不同目标孔隙率及龄期时，植生砼水胶比-抗压强度关系Fig.3 Relationship between water-binder ratio and compressive strength with varing porosity and age

一般情况下，多孔混凝土实测孔隙率与目标孔隙率之间存在差值，而经过试验发现，在目标孔隙率相同的情况下，改变水胶比会影响多孔混凝土的实测孔隙率，如图5所示，水胶比越高，试块的孔隙状态越接近理想状态，即实测孔隙率接近目标孔隙率，水胶比为0.30时，目标孔隙率为33%的多孔混凝土，实测孔隙率可以达到31.77%，这是因为对于相同目标孔隙率的多孔混凝土，其胶凝材料所占体积相同，若提高水胶比，则水分蒸发后会留下更多孔隙。

图4 植生砼总孔隙率与连通孔隙率关系拟合曲线Fig.4 Fit curve of the relationship between total porosity and connective porosity

图5 水胶比-实测孔隙率Fig.5 Relationship between water-binder ration and measured porosity

3.3 自然碳化降碱效果分析

图6 碳化天数-pH值Fig.6 Relationship between carbonization time and pH value

水泥水化反应产生Ca(OH)2使得混凝土呈强碱性不适宜植物生长，因此，需调节多孔混凝土pH值使其既能满足植生需求又不妨碍混凝土长期性能[9]。考虑到工程应用的成本，同时为避免直接加入酸性物质影响混凝土性能及土壤自然属性，在对比多种植生混凝土降碱方法后，决定使用自然碳化的方法降低pH值。

pH值测试使用固液萃取法[10]，对于水胶比为0.27的多孔混凝土，试验结果如图6所示，试块目标孔隙率越大，其胶凝材料用量越小，初期pH值更低，同时，孔隙率大的试块与空气接触面积大，水化反应产生的Ca(OH)2与空气中的CO2反应充分，受碳化作用影响更明显，33%目标孔隙率的试块pH值降幅为6.3%，27%、30%目标孔隙率的试块pH值降幅分别为4.0%和4.5%。

由试验结果可知，即使是33%目标孔隙率的试块，经过91 d自然碳化后，其pH值仍高达11.98，但经种植试验发现，其植生性能并未受影响，将酚酞试剂喷淋在试块表面，观察到试剂未变色，以此推测可能原因是试块表面的胶凝材料受碳化作用形成致密的碳酸盐保护层，阻止了碱性物质进一步析出，而将试块破碎、研磨，其内部碱性就会呈现在试验结果中。

4 植物生长适应性试验研究

根据当地气候、土壤条件及植物的抗逆性、管理成本等因素，选择以下6种草种进行植物生长适应性试验：①狗牙根②高羊茅③碱茅④蓝兰景三号混合草种⑤自配混合草种1⑥自配混合草种2，其中混合草种1是由草地早熟禾、高羊茅、黑麦草按照质量比为5∶3∶2的比例混合而成，混合草种2是由草地早熟禾、紫羊茅、细弱剪股颖按照质量比为5∶4∶1的比例混合而成，蓝兰景三号为商品草种。

以天然土壤、有机肥料、植物纤维、珍珠岩等配合成植生基质，把植生基质与水按质量比1∶2的比例配制成浆体，将多孔混凝土试块浸入浆体中，使植生材料渗透到混凝土空隙内。将试块取出后，在其表面覆盖40 mm的植生基质，将草种均匀播撒在上面，最后覆盖一层10 mm厚的细土。

通过种植发现，本试验制备的多孔混凝土均有良好的植生适应性，能满足所选草种的生长需求，各草种63 d生长情况见图7，从左到右依次为：混1、混2、蓝兰景、狗牙根、高羊茅、碱茅。图8为植株生长高度随生长时间变化情况，大多数植物发芽时间为3～7 d，其中高羊茅(包括混合草种中的高羊茅)发芽时间最短，第三天即开始发芽，且高羊茅成坪速度最快，35 d基本成坪，植株平均高度达到20.5 cm。观察所有草种63 d生长状况，发现蓝兰景三号与高羊茅草种植生适应性最佳，均有较高植株密度，覆盖度良好，其中高羊茅草种生长速度更快，能满足快速成坪的需要，而蓝兰景三号草种高度均匀，颜色翠绿，有更好的绿化观赏效果。

图7 草种生长状况Fig.7 Plant growth status

图8 植株生长高度Fig.8 Plant height

5 结 论

(1)多孔混凝土抗压强度随龄期的变化规律总体上与普通混凝土相似，但7 d抗压强度仅达到28 d抗压强度的40%左右，与普通混凝土并不完全相同。目标孔隙率由27%提高至33%，则多孔混凝土抗压强度降低54%～72%，目标孔隙率对多孔混凝土强度有显著影响。目标孔隙率越高，水胶比对强度的影响越不明显;

(2)对于不同配比的多孔混凝土，连通孔隙在总孔隙中占比始终稳定在94%～97%之间。对于相同目标孔隙率的多孔混凝土，实测孔隙率随水胶比增大而增大;

(3)自然碳化降碱效果受多孔混凝土孔隙水平影响，经过自然碳化后的多孔混凝土pH值测试结果仍偏高但植生效果良好;

(4)蓝兰景三号和狗牙根两种草种在多孔混凝土上种植能获得良好的效果，前者成坪后更具观赏性，后者成坪速度更快。

[1] 杨 加，周锡玲，张 军，等．环保型植生多孔混凝土试验研究杨[J]．混凝土与水泥制品，2011,(10)：18-22．

[2] 杨 加，周锡玲，欧正蜂,等．植生型多孔混凝土性能影响因素的试验研究[J]．粉煤灰综合利用，2012,(1)：31-35．

[3] 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．

[4] 冯辉荣，罗仁安，樊建超．沙琪玛骨架-绿化混凝土的研制试验[J]．上海大学学报，2005,(6)：639-644.

[5] 杨久俊，严 亮，韩静宜．植生性再生混凝土的制备及研究[J]．混凝土，2009,(9)：119-122．

[6] 李庆刚．生态混凝土水分保持与供水措施研究[D]．南京：南京水利科学研究院，2007．

[7] 全洪珠，多孔生态混凝土与植物共生性能试验研究[J]．硅酸盐通报，2015,34(7)：1985-1988.

[8] 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，2015,(5)：281-282．

[9] 王桂玲，王龙志，张海霞,等．植生混凝土的配合比设计、碱度控制、植生土及植物选择[J]．混凝土，2013,(2)：102-109．

[10] 张朝辉．多孔植被混凝土研究[D]．重庆：重庆大学，2006．

·信 息·

“等静压下铁电材料极化测试系统”项目通过验收

10月28日，中国科学院条件保障与财务局组织专家对中国科学院上海硅酸盐研究所铁电压电陶瓷与器件研究课题组承担的中科院科研装备研制项目“等静压下铁电材料极化测试系统”进行了验收。中科院上海微系统与信息技术研究所研究员程建功任验收专家组组长，中国工程物理研究院流体物理研究所、中科院上海技术物理研究所、东华大学、同济大学和华东师范大学等院校专家参加验收，验收会由中科院条财局装备项目管理主管陈代谢主持。

上海硅酸盐所副所长杨建华对各位专家表示热烈欢迎及衷心感谢。项目负责人王根水汇报了项目所取得的成果，此项目旨在通过建立铁电陶瓷在不同压力(等静压)和不同温度耦合作用下的电极化(铁电极化、退极化、介电极化等性能)测试系统，为开展我国高脉冲功率电源研制提供技术支撑。项目组通过集成创新，成功研制了等静压下铁电材料极化测试系统。

验收专家组现场查看了研制装备的运行情况和现场技术测试，并听取了各项工作汇报，审阅了项目文件，一致认为项目组圆满完成了项目实施方案规定的研制任务，达到了预定目标，经费使用符合中科院项目经费管理办法，同意项目通过验收。并希望通过进一步深化研究取得更大进展。陈代谢提出希望此系统在满足相关科学研究的同时，能提高成果转化并推广应用，带动学科发展。

(来源：中国科学院上海硅酸盐研究所)

Physical Properties and Vegetative Adaptation of Eco-porous Concrete

TIANLi1,PANGZeng-ming1,QUANHong-zhu2,SONGHua1

(1.Qingdao University of Technology,Collaborative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone, Qingdao 266033,China;2.Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China)

In order to further study the influence factors of eco-porous concrete performance and capacity for plant growing, different mixing proportions are produced to test the strength, porosity and pH value of the porous concrete. The concrete blocks were carbonized in natural condition to meet the requirement of plant growth. Then the Tall Fescue, Bermuda,Puccinellia and other three mixed grass were planted on the blocks. The results indicate that the compressive strength of the eco-porous concrete is decreased by the raise of design porosity. With the increase of the design porosity, the strength is less infected by the water-binder ratio. Measured porosity increased when the water-binder ratio increased. The plant-growing test proves that the carbonized eco-porous concrete could meet the requirements of tested plant growth. Tall Fescue has the advantage of rapid turf-establishment and the garden greening on effect of LanLanJingⅢ is the best.

eco-porous concrete;compressive strength;porosity;plant growth

国家自然科学基金(51508291);青岛市建设事业科技发展专项(JK2014-5，JK2014-20)

田 砾(1972-)，女，博士，教授.主要从事纤维增强水泥基材料及其耐久性方面的研究.

全洪珠，博士，副教授.

TQ177

A

1001-1625(2016)10-3381-06