生态多孔混凝土结构特性与性能匹配研究进展

熊优优，杨 雁，崔天祥

(中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004)

在我国经济蓬勃发展的21世纪，建筑业成为经济飞速发展的典型行业。而由于“热岛效应”等环境问题，对混凝土材料提出了新的要求——“绿色”。既可以较好保留普通混凝土基本性能，又能够维持水土、美化环境的生态多孔混凝土因而得到了重视与研究。

但多孔结构在满足“绿色”的同时对混凝土性能的保持及提高存在着一定影响。因此，充分分析生态多孔混凝土的宏观与微观结构特性，研究其结构特性与各项性能之间的影响关系，提出改善措施，对于提高生态混凝土使用寿命，更好地结合混凝土技术与自然环境，使混凝土材料向生态化发展有着重要意义。

1 生态多孔混凝土的概念

生态混凝土(Eco—concrete/Environmentally Friendly Concrete)的概念最早由日本混凝土协会与生态混凝土研究委员会在1995年提出。按照功能分类，可将其分为环境友好型和生物相容型。

生态多孔混凝土(Ecological Porous Concrete，简称EPC)则更强调其特殊的多孔结构，与普通混凝土相比，EPC有许多连通的孔隙，使得水与空气能够很好地通过或存在。这种特性能够让植物与混凝土材料结合共存，从而有效改善环境负荷，与自然环境和谐相处。

2 生态多孔混凝土的结构特性与性能匹配矛盾

孔结构特征主要包括孔隙率、孔形貌、孔大小及其分布。EPC最为显著的特征就是孔隙率大、内部有许多连通孔隙，拥有良好的透水性能以及吸附力，这些特征在改善生态环境的同时，也给我们的研究与应用带来了一些难题。

追求高孔隙比的同时强度自然会有所下降；孔隙率增大，透水性能增强，则不可避免影响混凝土自身的耐侵蚀性能；多孔结构使得混凝土内部可能存在大量水分，继而影响到抗冻以及收缩性能；混凝土孔隙内部的碱性环境与植物生长之间的矛盾也是需要注意的问题。

3 生态多孔混凝土结构与性能匹配研究现状

3.1 孔结构与强度

目前，首要问题是孔结构与强度之间的矛盾，高强度与高孔隙率二者往往不可兼得。普通混凝土的孔隙率只有4%左右，而EPC则达到20%以上，密实度远远低于普通混凝土，因此强度会有所降低。

武汉理工大学吴磊[1]研究表明，生态植草混凝土的强度主要依赖于骨料与骨料之间的接触面积、骨料与水泥凝胶粘合层的粘合力以及水泥凝胶厚度。文献[2-3]指出EPC材料内部的片状骨料是强度的薄弱环节，且大孔隙周围的骨料边缘与骨料和砂浆基质薄弱交界处多出现应力集中。

重庆交通大学郭桂香[4]研究表明，多孔混凝土的强度影响因素主次为：孔隙率>骨料粒径>水灰比>减水剂掺量。文献[5-6]分析发现，生态混凝土的抗压强度与孔隙率之间有很好的相关性;孔隙率的增加，应力集中以及面积减小会导致强度降低，抗压强度随之减小。也有研究指出，掺合料的加入能改善多孔混凝土的透水性和孔结构，但抗压强度也会有所降低[7]。

青岛农业大学全洪珠等[8]制备不同水胶比、目标孔隙率的多孔生态混凝土，测试其物理力学性能。试验发现，目标孔隙率越高，强度受水胶比影响越小；目标孔隙率相同的，水胶比越高，实际孔隙越多。

黄凯健等[9]研究发现，考虑粗集料包裹层厚度的配合比设计方法配置的混凝土能大大缩减实际孔隙率与目标孔隙率的偏差，且提高一定强度。

刘小康[10]等分析发现骨料级配结构与多孔混凝土性能有着良好的相关性；中南大学张贤超[11]也在透水混凝土的研究中提出适宜的骨料粒径和级配能使多孔混凝土形成良好的骨架结构，掺入少量细骨料能改善混凝土强度。

山东农业大学王玉军[12]研究植生型再生砖骨料混凝土的力学性能和透水性能发现，浆体水灰比、目标孔隙率、再生砖骨料粒径都对其性能有不同程度的影响，目标孔隙率对两者都有显著影响，且两个性能之间此消彼长，呈反比例关系。

从上述研究可以发现，孔隙率与骨料粒径、骨料级配及形态都会影响EPC的强度。不同孔隙率及骨料级配方式对EPC的内部结构有着决定性影响，而孔结构又直接影响到其强度。

3.2 孔结构与抗冻性

EPC的工程应用范围决定了它的服役环境，冬季雨雪天气将对其耐久性能产生重要影响。有研究指出，孔隙率及水胶比大小是影响大孔生态混凝土抗冻性能的主要因素[13]。

文献[14-15]指出，快速冻融过程中透水性生态混凝土试件的整体孔隙率提高，裂缝一般出现在硬化水泥浆体和骨料的界面结合处，继而出现裂缝使得试件破坏;受冻时，毛细孔壁同时承受静水、渗透压力，连通孔隙加剧破坏，内部结构不断受到损伤，使其抗冻融循环次数远低于普通混凝土。

江苏大学颜庭成等[16]开展冻融试验，发现水冻水融和气冻水融的破坏机理相同，但冻融循环周期不同，这与冻胀过程中产生破坏力有关，冻胀力的产生则受整个混凝土的孔结构影响。

EPC内部存在许多连续互通的孔隙通道，又因其应用环境使得孔隙通道内长期存在着一定水分，在承受冻融循环作用时，混凝土内外同时发生破坏，破坏程度远高于普通混凝土。

3.3 孔结构与抗硫酸盐侵蚀性

普通混凝土的破坏由表及里，而EPC内部存在大量连通孔隙，抗侵蚀性能远低于普通混凝土。用于人工海岸、土壤高盐、卤水酸雨地区的EPC服役环境更为恶劣，经常受到干湿交替及硫酸盐侵蚀作用，严重影响其耐久性能。

青岛理工大学李秋义等[17]研究表明，硫酸盐侵蚀作用在内外同时发生，孔隙率越大，抗硫酸盐侵蚀系数越低，抗硫酸盐侵蚀性能越差。主要原因在于：大孔生态混凝土特殊骨架孔隙结构，其结构内部多是点点接触受力，小部分面面接触受力，孔隙率越大，内部接触点面积就越小，抗侵蚀性能也越差[18]。

东南大学潘文佳等[19]研究发现，相同孔隙率下，骨料粒径越小，多孔混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能越好；文献[20]对生态混凝土的耐化学性-浸出和硫酸盐侵蚀的实验方法做出了总结，后续的研究可以借鉴。

3.4 孔结构与植被相容性

EPC内部的植被种子随龄期的延长，不断发育、生长，当植被逐渐成熟，植物根茎尺寸过大时，将对EPC的孔隙结构造成严重威胁。且植被的生存状况取决于EPC内部是否具有足够的孔隙，充足的孔隙才能让植被良好生长。

中南林业科技大学张贵[21]分析研究了EPC的孔隙结构特征，提出“透砂系数”以表征孔隙结构与植被根系的结构相容性，并评价其植生性能；等效孔径也可作为EPC植生性能的主要评价指标。

3.5 孔结构与植生降碱技术

EPC孔结构的稳定需要胶凝材料来维持，而水泥作为胶凝材料，其水化作用会产生大量的氢氧化钙，使得混凝土呈强碱性，这种碱性环境并不利于植被的生长。降碱处理一直是EPC技术应用的瓶颈之一[22]。加之多孔结构特性,使其结构稳定性对外界环境的变化更为敏感，植被更容易受到腐蚀。

胡勇有等[23]认为EPC平均孔径太小，其间填充的营养成分有限，且填充的营养物质受水泥浆碱度释放的影响较大，均不利于植物生长，而平均孔径大又易使其保水性降低。

文献[24]通过试验发现，仅从水泥种类或改性材料的改变、掺入并不能很好地对绿色生态混凝土进行降碱。南京工业大学奚新国[25]从形成高孔隙率和降低材料孔隙液相碱度两个方面,设计不同类型多孔混凝土,试验证明可行，能达到设计要求。

由以上研究可以发现，达到孔结构与酸碱度平衡，需要从多方面入手，才能有效改善EPC的植生性能。

4 生态多孔混凝土结构与性能匹配对策

4.1 孔结构

对普通混凝土而言，骨料种类确定后其强度也基本确定了，所以对于EPC而言，优选骨料压碎指标值较小的骨料也就能够较好提高其强度[26]。

选择合适的孔隙率、骨料种类、粒径与级配，确定稳定的孔结构；再采用高等级水泥，确定适合的水灰比，掺入一定的外加剂和掺合料，提高胶凝材料的粘结力，从而有效提高EPC强度。

4.2 外加剂

透水混凝土中加入适当的引气剂AEA[27]和乙烯-乙酸乙烯酯乳胶能提高其强度和冻融耐久性。

普通硅酸盐水泥掺入ɑ-半水硫酸钙，模拟碳化和添加降碱外加剂，均有降低胶凝材料PH值的效果[28]。

4.3 掺合料

掺入硅粉和粉煤灰[29]能够有效提高硬化水泥浆体的密实度，提高EPC强度，且冻融环境下掺入粉煤灰提高效果优于硅灰。

聚丙烯腈纤维能够改善生态多孔混凝土的抗冻性能，掺量为1%时抗冻性能改善效果最好，且不会影响其他基本性能[30]。

EPC多孔结构与性能的匹配，除了从孔隙结构本身来优化构建外，还可以对特种水泥与各种掺合料、外加剂进行研究与开发，以提高强度，改善耐久性，保证良好的植生性能。

5 结论与展望

较之国外，我国对EPC的研究起步较晚，近年来虽然进行了许多研究，但在设计、应用、验收评定方面都还没有形成统一的标准和体系。且对于其结构特性与性能之间的匹配研究还不是很深入、全面，今后的研究工作还需要解决以下问题：

(1)对EPC的结构缺乏系统的宏微观研究，还未全面总结其特征，可研究构建优化的孔结构模型,提供理论支持。

(2)从孔隙率、骨料、水灰比入手研究其各项性能较多，没有从EPC的具体结构形式来分析其性能的影响变化。

(3)对于EPC耐久性能的研究，大多集中于抗冻、抗侵蚀性能，而EPC还常用于透水路面，缺乏抗折耐磨性能、开裂现象的研究。

(4)不同植被对不同环境的适应性不同，植物生长与孔结构匹配还缺乏研究，调节改善EPC强度及耐久性的同时，还需兼顾植生性能。

EPC对于“海绵城市”的建设十分重要，承担着保护环境、维护生态的绿化工作。结合结构特性与性能，研究出最佳匹配机制，能够推动EPC技术的发展与应用，对于改善城市生态环境有着举足轻重的作用，应用推广前景巨大。