植生型多孔混凝土物理性能及植生適應(yīng)性研究

田 礫，逄增銘，全洪珠，宋 華

(1.青島理工大學(xué)，藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，青島 266109)

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植生型多孔混凝土物理性能及植生適應(yīng)性研究

田 礫1，逄增銘1，全洪珠2，宋 華1

(1.青島理工大學(xué)，藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，青島 266109)

為了深入研究植生型多孔混凝土的性能影響因素及植生適應(yīng)性，本文制備了不同配合比的多孔混凝土，對其強(qiáng)度、孔隙率、pH值進(jìn)行測試。將制備的試塊進(jìn)行自然碳化以使堿度滿足植物生長的需求，在此基礎(chǔ)上試種高羊茅、狗牙根、堿茅及三種混合草種。結(jié)果表明：多孔混凝土強(qiáng)度隨目標(biāo)孔隙率提高而降低，目標(biāo)孔隙率越高，強(qiáng)度受水膠比影響越小，多孔混凝土實(shí)測孔隙率隨水膠比增大而提高。植生試驗(yàn)證明，經(jīng)過碳化降堿后的多孔混凝土雖然測試pH值較高但可以滿足所選6種草種的生長需求，其中，高羊茅成坪速度最快，藍(lán)蘭景三號綠化效果最好。

多孔混凝土； 抗壓強(qiáng)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，與普通混凝土相比缺少細(xì)骨料，植生型多孔混凝土是利用多孔混凝土中較大的連通孔隙填充植生材料，使植物能夠在其中生長的多孔混凝土，這種混凝土具有良好生態(tài)功能，可以應(yīng)用于房屋坡面結(jié)構(gòu)及河流護(hù)坡工程[1-3]。1995年，日本混凝土工業(yè)協(xié)會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、歐美等國家已有較為廣泛的工程應(yīng)用，近年來，國內(nèi)相關(guān)研究已有一定成果[4]， 但對其各項(xiàng)性能間的相互影響關(guān)系仍需進(jìn)一步研究，本文致力于對多孔混凝土強(qiáng)度、孔隙率、pH值等性能及植生性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為植生型多孔混凝土推廣應(yīng)用提供研究依據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，密度3.13 g/cm3，比表面積390 m3/kg；骨料采用粒徑10～25 mm的花崗巖碎石骨料，其堆積密度為1622 kg/m3，表觀密度為2671 kg/m3，空隙率為43.69%；減水劑采用萘系高效減水劑。

2.2 制備工藝

(1)攪拌工藝：采用兩次投料法。將骨料與水泥投入攪拌機(jī)中干拌30 s，待兩者混合均勻后，再加入水和外加劑攪拌90 s。通過目測觀察，采用該攪拌方法，漿體能均勻包裹骨料，拌合物表面有金屬光澤。

(2)成型工藝：采用振動成型制備的多孔混凝土易出現(xiàn)底部密實(shí)而頂部未密實(shí)的情況，為提高混凝土成型后強(qiáng)度，試驗(yàn)采用分層插搗成型的方法。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

相關(guān)文獻(xiàn)表明[5]，多孔混凝土最佳水膠比在0.25～0.35之間，同時，為滿足植物生長需要，植生型多孔混凝土應(yīng)具有一定的連通孔隙以確保透水透氣性能和蓄容能力，植生型多孔混凝土孔隙率宜保持在18%～35%之間[6]。

本試驗(yàn)選取的水膠比為0.25、0.27、0.30，三種目標(biāo)孔隙率選取分別為27%、30%、33%，研究水膠比、目標(biāo)孔隙率、齡期對多孔混凝土強(qiáng)度、實(shí)測孔隙率、pH值等因素的影響。原材料用量按照單位絕對體積法計(jì)算，即膠凝漿體體積+粗骨料體積+設(shè)計(jì)空隙體積=1，配合比見表1。

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

3 結(jié)果與討論

3.1 抗壓強(qiáng)度影響因素分析

3.1.1 齡期對抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 目標(biāo)孔隙率及水膠比不同時，植生砼齡期-抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between age and compressive strength with varing design porosity and water-binder ratio

圖1為不同水膠比的多孔混凝土，在孔隙率分別為27%、30%、33%時，抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化情況，其早期強(qiáng)度增長較快而后期發(fā)展緩慢。多孔混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律總體上與普通混凝土相似，但多孔混凝土7 d抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的39%，遠(yuǎn)低于普通混凝土，這是因?yàn)槠胀ɑ炷恋膹?qiáng)度增長主要受水泥水化反應(yīng)影響，而多孔混凝土在水泥硬化后，就成為水泥與粗骨料凝結(jié)成的骨架結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度不止受水泥水化反應(yīng)影響，也受粗骨料性能及骨料間粘結(jié)方式的影響，與普通混凝土相比，多孔混凝土骨料間依靠較少量水泥相互粘結(jié)，這種粘結(jié)方式導(dǎo)致多孔混凝土在水泥水化反應(yīng)早期，水泥強(qiáng)度較低時，粘結(jié)點(diǎn)更容易被破壞。

3.1.2 孔隙率對抗壓強(qiáng)度的影響

孔隙特征是影響植生型多孔混凝土性能和應(yīng)用的最重要因素之一[7]。對于試驗(yàn)中所采用的三種水膠比情況下，試塊抗壓強(qiáng)度隨目標(biāo)孔隙率變化情況如圖2所示，目標(biāo)孔隙率越大，則試塊抗壓強(qiáng)度越低。水膠比為0.27時，27%目標(biāo)孔隙率的混凝土91 d抗壓強(qiáng)度為18.6 MPa，目標(biāo)孔隙率提高至33%后，強(qiáng)度降低至9.7 MPa，降幅達(dá)到54%，為圖2中最小降幅，而最大降幅達(dá)到72%，目標(biāo)孔隙率增大導(dǎo)致強(qiáng)度降低有兩方面原因：①孔隙率增大，多孔混凝土內(nèi)部孔隙體積增大，其內(nèi)部密實(shí)程度相應(yīng)降低，抵抗破壞能力減弱②按照單位絕對體積法計(jì)算混凝土配合比，由公式：膠凝漿體體積+粗骨料體積+設(shè)計(jì)空隙體積=1可知，若控制單位體積骨料用量不變，則目標(biāo)孔隙率越大，膠凝材料所占體積就會越小，即水泥和水用量減小，在骨料由膠凝材料粘結(jié)成整體后，粘結(jié)縫隙成為薄弱部位。

圖2 不同水膠比及齡期時，植生砼目標(biāo)孔隙率-抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.2 Relationship between design porosity and compressive strength with varing water-binder ratio and age

3.1.3 水膠比對抗壓強(qiáng)度的影響

水膠比對普通混凝土強(qiáng)度有重要影響，而多孔混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土有較大差異，需進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖3為三種目標(biāo)孔隙率情況下，多孔混凝土各個齡期強(qiáng)度隨水膠比變化情況。對于三種目標(biāo)孔隙率的多孔混凝土，其早期強(qiáng)度受水膠比影響均較小，7 d抗壓強(qiáng)度隨水膠比變化曲線接近水平，變化幅度在5.1%～20.7%，而目標(biāo)孔隙率越大，水膠比對多孔混凝土抗壓強(qiáng)度的影響越不明顯，目標(biāo)孔隙率為33%時，三條變化曲線都接近水平。

根據(jù)圖3可知，隨水膠比增大，強(qiáng)度變化情況并無一致規(guī)律，水膠比對多孔混凝土強(qiáng)度的影響需結(jié)合更多因素進(jìn)行考量。工程應(yīng)用中，可通過目測攪拌后膠凝材料漿體與骨料的結(jié)合情況來判斷水膠比是否適宜，適宜水膠比情況下，膠凝漿體能均勻包裹粗骨料，呈一定金屬光澤，不干澀、不流漿。

3.2 孔隙率影響因素分析

多孔混凝土孔隙包括連通孔隙、半連通孔隙、封閉孔隙三種，其中連通孔隙對植物生長最有意義[8]。使用排水法測得試塊連通孔隙率與總孔隙率，結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過回歸分析，發(fā)現(xiàn)連通孔隙率與實(shí)測孔隙率之間存在良好線性關(guān)系，擬合曲線斜率為1.014接近于1，截距較小，為-1.5914，說明對于不同配比的多孔混凝土，連通孔隙在總孔隙中占比較高，保持在94%～97%之間，適宜植物生長。

圖3 不同目標(biāo)孔隙率及齡期時，植生砼水膠比-抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.3 Relationship between water-binder ratio and compressive strength with varing porosity and age

一般情況下，多孔混凝土實(shí)測孔隙率與目標(biāo)孔隙率之間存在差值，而經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)孔隙率相同的情況下，改變水膠比會影響多孔混凝土的實(shí)測孔隙率，如圖5所示，水膠比越高，試塊的孔隙狀態(tài)越接近理想狀態(tài)，即實(shí)測孔隙率接近目標(biāo)孔隙率，水膠比為0.30時，目標(biāo)孔隙率為33%的多孔混凝土，實(shí)測孔隙率可以達(dá)到31.77%，這是因?yàn)閷τ谙嗤繕?biāo)孔隙率的多孔混凝土，其膠凝材料所占體積相同，若提高水膠比，則水分蒸發(fā)后會留下更多孔隙。

圖4 植生砼總孔隙率與連通孔隙率關(guān)系擬合曲線Fig.4 Fit curve of the relationship between total porosity and connective porosity

圖5 水膠比-實(shí)測孔隙率Fig.5 Relationship between water-binder ration and measured porosity

3.3 自然碳化降堿效果分析

圖6 碳化天數(shù)-pH值Fig.6 Relationship between carbonization time and pH value

水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生Ca(OH)2使得混凝土呈強(qiáng)堿性不適宜植物生長，因此，需調(diào)節(jié)多孔混凝土pH值使其既能滿足植生需求又不妨礙混凝土長期性能[9]?？紤]到工程應(yīng)用的成本，同時為避免直接加入酸性物質(zhì)影響混凝土性能及土壤自然屬性，在對比多種植生混凝土降堿方法后，決定使用自然碳化的方法降低pH值。

pH值測試使用固液萃取法[10]，對于水膠比為0.27的多孔混凝土，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試塊目標(biāo)孔隙率越大，其膠凝材料用量越小，初期pH值更低，同時，孔隙率大的試塊與空氣接觸面積大，水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng)充分，受碳化作用影響更明顯，33%目標(biāo)孔隙率的試塊pH值降幅為6.3%，27%、30%目標(biāo)孔隙率的試塊pH值降幅分別為4.0%和4.5%。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，即使是33%目標(biāo)孔隙率的試塊，經(jīng)過91 d自然碳化后，其pH值仍高達(dá)11.98，但經(jīng)種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其植生性能并未受影響，將酚酞試劑噴淋在試塊表面，觀察到試劑未變色，以此推測可能原因是試塊表面的膠凝材料受碳化作用形成致密的碳酸鹽保護(hù)層，阻止了堿性物質(zhì)進(jìn)一步析出，而將試塊破碎、研磨，其內(nèi)部堿性就會呈現(xiàn)在試驗(yàn)結(jié)果中。

4 植物生長適應(yīng)性試驗(yàn)研究

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、土壤條件及植物的抗逆性、管理成本等因素，選擇以下6種草種進(jìn)行植物生長適應(yīng)性試驗(yàn)：①狗牙根②高羊茅③堿茅④藍(lán)蘭景三號混合草種⑤自配混合草種1⑥自配混合草種2，其中混合草種1是由草地早熟禾、高羊茅、黑麥草按照質(zhì)量比為5∶3∶2的比例混合而成，混合草種2是由草地早熟禾、紫羊茅、細(xì)弱剪股穎按照質(zhì)量比為5∶4∶1的比例混合而成，藍(lán)蘭景三號為商品草種。

以天然土壤、有機(jī)肥料、植物纖維、珍珠巖等配合成植生基質(zhì)，把植生基質(zhì)與水按質(zhì)量比1∶2的比例配制成漿體，將多孔混凝土試塊浸入漿體中，使植生材料滲透到混凝土空隙內(nèi)。將試塊取出后，在其表面覆蓋40 mm的植生基質(zhì)，將草種均勻播撒在上面，最后覆蓋一層10 mm厚的細(xì)土。

通過種植發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)制備的多孔混凝土均有良好的植生適應(yīng)性，能滿足所選草種的生長需求，各草種63 d生長情況見圖7，從左到右依次為：混1、混2、藍(lán)蘭景、狗牙根、高羊茅、堿茅。圖8為植株生長高度隨生長時間變化情況，大多數(shù)植物發(fā)芽時間為3～7 d，其中高羊茅(包括混合草種中的高羊茅)發(fā)芽時間最短，第三天即開始發(fā)芽，且高羊茅成坪速度最快，35 d基本成坪，植株平均高度達(dá)到20.5 cm。觀察所有草種63 d生長狀況，發(fā)現(xiàn)藍(lán)蘭景三號與高羊茅草種植生適應(yīng)性最佳，均有較高植株密度，覆蓋度良好，其中高羊茅草種生長速度更快，能滿足快速成坪的需要，而藍(lán)蘭景三號草種高度均勻，顏色翠綠，有更好的綠化觀賞效果。

圖7 草種生長狀況Fig.7 Plant growth status

圖8 植株生長高度Fig.8 Plant height

5 結(jié) 論

(1)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律總體上與普通混凝土相似，但7 d抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的40%左右，與普通混凝土并不完全相同。目標(biāo)孔隙率由27%提高至33%，則多孔混凝土抗壓強(qiáng)度降低54%～72%，目標(biāo)孔隙率對多孔混凝土強(qiáng)度有顯著影響。目標(biāo)孔隙率越高，水膠比對強(qiáng)度的影響越不明顯;

(2)對于不同配比的多孔混凝土，連通孔隙在總孔隙中占比始終穩(wěn)定在94%～97%之間。對于相同目標(biāo)孔隙率的多孔混凝土，實(shí)測孔隙率隨水膠比增大而增大;

(3)自然碳化降堿效果受多孔混凝土孔隙水平影響，經(jīng)過自然碳化后的多孔混凝土pH值測試結(jié)果仍偏高但植生效果良好;

(4)藍(lán)蘭景三號和狗牙根兩種草種在多孔混凝土上種植能獲得良好的效果，前者成坪后更具觀賞性，后者成坪速度更快。

[1] 楊 加，周錫玲，張 軍，等．環(huán)保型植生多孔混凝土試驗(yàn)研究楊[J]．混凝土與水泥制品，2011,(10)：18-22．

[2] 楊 加，周錫玲，歐正蜂,等．植生型多孔混凝土性能影響因素的試驗(yàn)研究[J]．粉煤灰綜合利用，2012,(1)：31-35．

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[10] 張朝輝．多孔植被混凝土研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2006．

·信 息·

“等靜壓下鐵電材料極化測試系統(tǒng)”項(xiàng)目通過驗(yàn)收

10月28日，中國科學(xué)院條件保障與財(cái)務(wù)局組織專家對中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所鐵電壓電陶瓷與器件研究課題組承擔(dān)的中科院科研裝備研制項(xiàng)目“等靜壓下鐵電材料極化測試系統(tǒng)”進(jìn)行了驗(yàn)收。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員程建功任驗(yàn)收專家組組長，中國工程物理研究院流體物理研究所、中科院上海技術(shù)物理研究所、東華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和華東師范大學(xué)等院校專家參加驗(yàn)收，驗(yàn)收會由中科院條財(cái)局裝備項(xiàng)目管理主管陳代謝主持。

上海硅酸鹽所副所長楊建華對各位專家表示熱烈歡迎及衷心感謝。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王根水匯報(bào)了項(xiàng)目所取得的成果，此項(xiàng)目旨在通過建立鐵電陶瓷在不同壓力(等靜壓)和不同溫度耦合作用下的電極化(鐵電極化、退極化、介電極化等性能)測試系統(tǒng)，為開展我國高脈沖功率電源研制提供技術(shù)支撐。項(xiàng)目組通過集成創(chuàng)新，成功研制了等靜壓下鐵電材料極化測試系統(tǒng)。

驗(yàn)收專家組現(xiàn)場查看了研制裝備的運(yùn)行情況和現(xiàn)場技術(shù)測試，并聽取了各項(xiàng)工作匯報(bào)，審閱了項(xiàng)目文件，一致認(rèn)為項(xiàng)目組圓滿完成了項(xiàng)目實(shí)施方案規(guī)定的研制任務(wù)，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，經(jīng)費(fèi)使用符合中科院項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)管理辦法，同意項(xiàng)目通過驗(yàn)收。并希望通過進(jìn)一步深化研究取得更大進(jìn)展。陳代謝提出希望此系統(tǒng)在滿足相關(guān)科學(xué)研究的同時，能提高成果轉(zhuǎn)化并推廣應(yīng)用，帶動學(xué)科發(fā)展。

(來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)

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

國家自然科學(xué)基金(51508291);青島市建設(shè)事業(yè)科技發(fā)展專項(xiàng)(JK2014-5，JK2014-20)

田 礫(1972-)，女，博士，教授.主要從事纖維增強(qiáng)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