植被混凝土降碱植生技术优化研究

谢清华,高文涛,齐 强,张坤强*

1.枣庄市水利勘测设计院,山东 枣庄 277100 2.山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安 271018

植被混凝土降碱植生技术优化研究

谢清华1,高文涛2,齐 强2,张坤强2*

1.枣庄市水利勘测设计院,山东 枣庄 277100 2.山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安 271018

本文通过研究不同浓度的NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4降碱溶液对植被混凝土的pH值影响，提出复合降碱技术，并研究复合降碱溶液对植被混凝土pH、强度、透水系数等性能的影响，结果证明该技术可将孔隙液的pH值快速降低至植被生长需求的范围并维持较长时间，提高混凝土强度6%～10%，不降低透水性能；针对北方地区的气候和土壤特点，优选出植被混凝土中长势旺盛的植被。此技术工艺简单，成本低，可促进绿色生态植被混凝土的推广应用。

植被混凝土;孔隙液pH值;复合降碱溶液;植生效果

植被混凝土以一定厚度的大孔隙透水混凝土板为骨架，孔隙内填充混有植被种子的植生基材，种子发芽生长，根系逐渐穿过多孔混凝土，扎入下层土，牢牢地将多孔混凝土板固定在大地上，使植被、混凝土和下层土连为一个整体，从而起到固土护坡的作用，可广泛应用于道路、河道、水库边坡，破损山体修复和城市空地的硬化等领域[1,2]。

植被混凝土的胶凝材料普遍采用普通硅酸盐水泥，水泥水化反应释放碱性物质使植被混凝土孔隙液的pH值达到12左右，降低幅度和速度都较小[2]。研究发现，养护30 d以上的混凝土，在无降碱措施的条件下，孔隙液pH值可长期维持在11左右[3]，植被无法在如此高的碱度环境中正常生长。

目前降碱的方法主要有采用低碱性的胶凝材料（如矿渣、粉煤灰硅酸盐水泥）和蜡封或胶封的方法两种，低碱性的胶凝材料降碱后孔隙液的pH值仍较长时间稳定在10左右，并对材料的强度有所降低[3]；蜡封或胶封的方法降碱效果较好，但造价高，工艺复杂，孔隙易堵塞，透水性能差，实际的工程应用存在困难较大等[4]。

为解决北方寒冷地区植被混凝土绿色衬砌的技术难题，简化降碱工艺，提高降碱效果，优选植被亟待进行研究。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料的选取

1.1.1 制备混凝土试块所用原材料 中联P∙O 42.5普通硅酸盐水泥；普通石灰岩碎石，粒径10～30 mm；普通自来水；聚羧酸高效减水剂，FDN-A高效减水剂，减水率为18～28%；可再分散801胶粉；聚丙烯腈纤维，长度6～12 mm；塑钢纤维，长度10～20 mm，直径0.8～1.5 mm。

1.1.2 降碱物质的选择 降碱物质的选择要遵循降碱效果好且持久稳定、有利于植被生长和增强混凝土强度的原则选取[5-7]，重点研究无机化学肥料氮、磷、钾肥的盐溶液，结合电离水解的相关知识，选择NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4三种化肥配制降碱溶液，研究其降碱效果。

1.2 试验方法

1.2.1 试件的制备和养护 参阅相关文献[8,9]，按照前期研究成功的新型抗冻植被混凝土的配合比准备和称量相关材料，将碎石冲洗干净，晒干；先加入骨料和70%的拌和水，搅拌1 min，再加入60%胶凝材料，搅拌1 min，最后加入剩余的40%胶凝材料和30%的拌和水，搅拌2 min；将新拌混凝土分三层装入不透水方形的模具（用于测孔隙液的pH值）和标准模具，每层插捣20次，模具装满后在振动台上震动15 s，施加0.1～0.15 MPa的压力；2 d后脱模，放入标准养护室标准养护7 d。

1.2.2 植被混凝土孔隙液pH值测定方法 在一个边长150 mm的立方体不透水模具中（也可以视情况自定尺寸）分层插捣密实，填满混凝土，在振动台上震动15 s，抹平表面，养护7 d，将配制好的植生基材加入其孔隙中，再加入不同浓度降碱溶液至刚好没过混凝土的表面，每隔1 d提取孔隙液测pH值，即为最接近实际工况下孔隙液的pH值。

1.2.3 抗压强度测定方法 按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》要求[10]，采用150 mm立方体试件，标准养护28 d后，在标定好的压力机上进行立方体抗压强度试验。受压时，受压面用高强石膏找平，加荷速度0.3 MPa/s，由于植被混凝土多孔的结构导致表面凹凸不平，容易出现应力集中，所以每组由原来的3块提高到6块，尽可能较小误差。

1.2.4 孔隙率和透水系数的测定方法 挑选外形完好、表面平整的试件，采用文献[11]总孔隙率和有效孔隙率的测定方法和和计算公式。

根据达西定律，即在一定的水头下，单位时间内透过混凝土的水量与混凝土透水面积成正比，与混凝土透水厚度成反比，图1为自制的多孔混凝土透水系数测定装置。

图1 透水系数测定装置Fig.1 The device of measurement on permeable coefficient

2 试验结果与分析

2.1 基准组植被混凝土孔隙液pH值变化规律

根据测定方法，基准组植被混凝土孔隙液28 d的pH值变化曲线如图2。

图2 基准组植被混凝土孔隙液pH值变化曲线Fig.1 pH value curves of benchmark set of vegetation concrete pore fluid

分析曲线可知，由于试验初期大量的碱性物质快速溶解到孔隙液中，孔隙液pH值较大幅度的提高，随着时间延长，二氧化碳和部分碱性物质发生反应，降低了碱性物含量，pH值逐渐降低。植被混凝土孔隙液的pH值变化规律为先增后降，且降速随时间增长逐渐变缓。

由图可知，自然状态下孔隙液28 d以后，pH值大致稳定在11左右，且降速放缓，植被无法在该pH值水平下正常生长。

2.2 不同降碱物质取不同浓度时的降碱效果

针对NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4，每种降碱物质取1%、2%、5%三个水平，分别测定其孔隙液的pH值，根据植被生长的pH值为（5.5～8.5），各组的pH值超过8.5时停止测量（图3～5）。

图3 NH4HCO3对pH值影响曲线Fig.3 Influences of NH4HCO3on pH

图4 KH2PO4对pH值影响曲线Fig.4 Influences of KH2PO4on pH

图5 NH4H2PO4对pH值影响曲线Fig.5 Influences of NH4H2PO4on pH

分析图3、4、5可发现不同浓度的三类降碱溶液浸泡植被混凝土时，均能实现一天内内将植被混凝土孔隙液的pH值降到最低，但随着时间增长，孔隙液的pH值会缓慢回升，由于碱性物质的不断中和反应，pH值回升速率由快到慢；降碱溶液5%浓度降碱效果较2%、1%好，维持在较低pH值的时间更长回升当pH值超过8.5时，可再次加入降碱物质，则长时间内pH值不超过8.5；但是在10d时间内，三种浓度的降碱溶液的孔隙液pH值大致相等，由于高浓度的降碱溶液容易出现“烧苗”现象，建议浓度不宜过高。

因此，先用5%浓度降碱溶液浸泡，迅速降低pH值，后期采用1%浓度的降碱溶液喷洒降碱，压制碱性的反弹。

2.3 复合降碱溶液对植被混凝土的性能的影响

降碱溶液选用NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4，按照1:1:1比例配制0、0.5%、1%、2%、3%的复合降碱溶液，测定孔隙液pH值的变化，分析其对标准试块抗压强度、总孔隙率、有效孔隙率和透水系数的影响，结果如图6～9所示。

图6 复合降碱溶液对pH值影响曲线Fig.6 Influences of compound alkali solution on pH

图7 复合降碱溶液对28 d抗压强度值影响曲线Fig.7 Influences of compound alkali solution on compressive strength for 28 days

图8 复合降碱溶液对总孔隙率、有效孔隙率影响曲线Fig.8 Influences of compound alkali solution on the total porosity and effective porosity

图9 复合降碱溶液对透水系数影响Fig.9 Influences of compound alkali solution on permeable coefficients

分析图6可知，不同浓度的复合降碱溶液1 d内使孔隙液的pH值降到7左右，并在10 d时间内保持pH值在7.0～8.5之间，3%浓度降碱溶液pH值最低，且pH值在7.0～8.5之间时间较长，回升速度较慢，浓度为1%、2%的降碱溶液对pH值影响曲线与3%效果相差不大，综合考虑成本和植被生长要求，选取浓度1%的降碱溶液。

分析图7可知，混凝土的强度随着复合降碱溶液的添加有一定程度的提高（约为6%～8%），可能原因为混凝土释放的氢氧化钙与降碱溶液化学反应生成难容的碳酸钙和磷酸钙，填充混凝土的孔隙，提高了混凝土的密实度。

根据图8、9，植被混凝土孔隙率和透水系数在不同浓度的复合降碱溶液下变动幅度较小，总孔隙率/有效孔隙率的比值随复合降碱溶液的浓度增长而降低，表明生成的难溶物质主要填充了微孔隙，对混凝土的大孔隙影响不大。

2.4 植被的优选和种植效果研究

根据北方地区的气候和土壤特点，针对适合在新型抗冻植被混凝土，通过查阅相关的资料[13,14]，最终优选出高羊茅、天鹅绒和匍茎翦股颖，进行种植试验。采用前述降碱方法，在植被混凝土中长出茂密旺盛的植被，无降碱措施的混凝土块上植被逐渐枯萎死亡，充分证明进行降碱的必要性及本研究的降碱技术的有效性。

3 结论

（1）不同浓度的NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4降碱溶液浸泡植被混凝土，1 d内均可将孔隙液pH值降到中性及以下，并可较长时间维持在满足植被生长的范围内。

（2）综合考虑成本和植被生长要求，选取按照1:1:1配制的浓度1%复合降碱溶液，可达到较好降碱效果，提高强度、降低施工成本。

（3）利用本研究的降碱技术，在植被混凝土中种植出了茂密旺盛的植被，验证了此降碱技术有效可行。

[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

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[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]廖文宇,石 现,黄泽峰,等.植生混凝土的降碱技术及种植效果研究[J].混凝土,2013(7):155-158

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[14]张光灿.水土保持植被[M].北京:中国林业出版社,2011

Research on the Optimization of Vegetation ConcreteAlkali Reduction andVegetationTechnology

XIE Qing-hua1,GAO Wen-tao2,QI Qiang2,ZHANG Kun-qiang2*
1.Zaozhuang Survey and Design Institute of Water Conservancy,Zaozhuang 277100,China 2.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China

Compound alkali reducing technology was put forward by studying the impact of the different concentrations of NH4HCO3,KH2PO4 and NH4H2PO4 of alkaline solution on PH value of vegetation concrete.The effects of compound alkali reducing solution on pH,strength and permeability coefficient of vegetation concrete were studied,the result showed this technique can rapidly reduce the pore solution PH value to the range of vegetation growth requirements for a long time and improved concrete strength to 6%-10%without reducing the permeability.According to the climate and soil characteristics in the North.the thriving vegetation in the Vegetation concrete was optimized.The technology can promote the popularization and application of the green ecological vegetation concrete with the simple technical process and low cost.

Vegetation concrete;pore fluid pH value;compound alkali solution;vegetative effect

TU528.01

:A

:1000-2324(2017)03-0429-04

2016-02-03

:2016-02-13

抗冻废弃矿物掺合料植被混凝土在生态河道绿色衬砌中的推广应用(SDSLTG201604)

谢清华(1967-),女,本科,工程师.研究方向:水利工程施工与设计.E-mail:sdzzlfl@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:zkq0129@163.com