植被混凝土降堿植生技術(shù)優(yōu)化研究

謝清華,高文濤,齊 強(qiáng),張坤強(qiáng)*

1.棗莊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 棗莊 277100 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

植被混凝土降堿植生技術(shù)優(yōu)化研究

謝清華1,高文濤2,齊 強(qiáng)2,張坤強(qiáng)2*

1.棗莊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東 棗莊 277100 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

本文通過(guò)研究不同濃度的NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4降堿溶液對(duì)植被混凝土的pH值影響，提出復(fù)合降堿技術(shù)，并研究復(fù)合降堿溶液對(duì)植被混凝土pH、強(qiáng)度、透水系數(shù)等性能的影響，結(jié)果證明該技術(shù)可將孔隙液的pH值快速降低至植被生長(zhǎng)需求的范圍并維持較長(zhǎng)時(shí)間，提高混凝土強(qiáng)度6%～10%，不降低透水性能；針對(duì)北方地區(qū)的氣候和土壤特點(diǎn)，優(yōu)選出植被混凝土中長(zhǎng)勢(shì)旺盛的植被。此技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，成本低，可促進(jìn)綠色生態(tài)植被混凝土的推廣應(yīng)用。

植被混凝土;孔隙液pH值;復(fù)合降堿溶液;植生效果

植被混凝土以一定厚度的大孔隙透水混凝土板為骨架，孔隙內(nèi)填充混有植被種子的植生基材，種子發(fā)芽生長(zhǎng)，根系逐漸穿過(guò)多孔混凝土，扎入下層土，牢牢地將多孔混凝土板固定在大地上，使植被、混凝土和下層土連為一個(gè)整體，從而起到固土護(hù)坡的作用，可廣泛應(yīng)用于道路、河道、水庫(kù)邊坡，破損山體修復(fù)和城市空地的硬化等領(lǐng)域[1,2]。

植被混凝土的膠凝材料普遍采用普通硅酸鹽水泥，水泥水化反應(yīng)釋放堿性物質(zhì)使植被混凝土孔隙液的pH值達(dá)到12左右，降低幅度和速度都較小[2]。研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)30 d以上的混凝土，在無(wú)降堿措施的條件下，孔隙液pH值可長(zhǎng)期維持在11左右[3]，植被無(wú)法在如此高的堿度環(huán)境中正常生長(zhǎng)。

目前降堿的方法主要有采用低堿性的膠凝材料（如礦渣、粉煤灰硅酸鹽水泥）和蠟封或膠封的方法兩種，低堿性的膠凝材料降堿后孔隙液的pH值仍較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在10左右，并對(duì)材料的強(qiáng)度有所降低[3]；蠟封或膠封的方法降堿效果較好，但造價(jià)高，工藝復(fù)雜，孔隙易堵塞，透水性能差，實(shí)際的工程應(yīng)用存在困難較大等[4]。

為解決北方寒冷地區(qū)植被混凝土綠色襯砌的技術(shù)難題，簡(jiǎn)化降堿工藝，提高降堿效果，優(yōu)選植被亟待進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料的選取

1.1.1 制備混凝土試塊所用原材料 中聯(lián)P?O 42.5普通硅酸鹽水泥；普通石灰?guī)r碎石，粒徑10～30 mm；普通自來(lái)水；聚羧酸高效減水劑，F(xiàn)DN-A高效減水劑，減水率為18～28%；可再分散801膠粉；聚丙烯腈纖維，長(zhǎng)度6～12 mm；塑鋼纖維，長(zhǎng)度10～20 mm，直徑0.8～1.5 mm。

1.1.2 降堿物質(zhì)的選擇 降堿物質(zhì)的選擇要遵循降堿效果好且持久穩(wěn)定、有利于植被生長(zhǎng)和增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的原則選取[5-7]，重點(diǎn)研究無(wú)機(jī)化學(xué)肥料氮、磷、鉀肥的鹽溶液，結(jié)合電離水解的相關(guān)知識(shí)，選擇NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4三種化肥配制降堿溶液，研究其降堿效果。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件的制備和養(yǎng)護(hù) 參閱相關(guān)文獻(xiàn)[8,9]，按照前期研究成功的新型抗凍植被混凝土的配合比準(zhǔn)備和稱量相關(guān)材料，將碎石沖洗干凈，曬干；先加入骨料和70%的拌和水，攪拌1 min，再加入60%膠凝材料，攪拌1 min，最后加入剩余的40%膠凝材料和30%的拌和水，攪拌2 min；將新拌混凝土分三層裝入不透水方形的模具（用于測(cè)孔隙液的pH值）和標(biāo)準(zhǔn)模具，每層插搗20次，模具裝滿后在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)15 s，施加0.1～0.15 MPa的壓力；2 d后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。

1.2.2 植被混凝土孔隙液pH值測(cè)定方法 在一個(gè)邊長(zhǎng)150 mm的立方體不透水模具中（也可以視情況自定尺寸）分層插搗密實(shí)，填滿混凝土，在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)15 s，抹平表面，養(yǎng)護(hù)7 d，將配制好的植生基材加入其孔隙中，再加入不同濃度降堿溶液至剛好沒(méi)過(guò)混凝土的表面，每隔1 d提取孔隙液測(cè)pH值，即為最接近實(shí)際工況下孔隙液的pH值。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)定方法 按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求[10]，采用150 mm立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，在標(biāo)定好的壓力機(jī)上進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。受壓時(shí)，受壓面用高強(qiáng)石膏找平，加荷速度0.3 MPa/s，由于植被混凝土多孔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致表面凹凸不平，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以每組由原來(lái)的3塊提高到6塊，盡可能較小誤差。

1.2.4 孔隙率和透水系數(shù)的測(cè)定方法 挑選外形完好、表面平整的試件，采用文獻(xiàn)[11]總孔隙率和有效孔隙率的測(cè)定方法和和計(jì)算公式。

根據(jù)達(dá)西定律，即在一定的水頭下，單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)混凝土的水量與混凝土透水面積成正比，與混凝土透水厚度成反比，圖1為自制的多孔混凝土透水系數(shù)測(cè)定裝置。

圖1 透水系數(shù)測(cè)定裝置Fig.1 The device of measurement on permeable coefficient

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基準(zhǔn)組植被混凝土孔隙液pH值變化規(guī)律

根據(jù)測(cè)定方法，基準(zhǔn)組植被混凝土孔隙液28 d的pH值變化曲線如圖2。

圖2 基準(zhǔn)組植被混凝土孔隙液pH值變化曲線Fig.1 pH value curves of benchmark set of vegetation concrete pore fluid

分析曲線可知，由于試驗(yàn)初期大量的堿性物質(zhì)快速溶解到孔隙液中，孔隙液pH值較大幅度的提高，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，二氧化碳和部分堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，降低了堿性物含量，pH值逐漸降低。植被混凝土孔隙液的pH值變化規(guī)律為先增后降，且降速隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸變緩。

由圖可知，自然狀態(tài)下孔隙液28 d以后，pH值大致穩(wěn)定在11左右，且降速放緩，植被無(wú)法在該pH值水平下正常生長(zhǎng)。

2.2 不同降堿物質(zhì)取不同濃度時(shí)的降堿效果

針對(duì)NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4，每種降堿物質(zhì)取1%、2%、5%三個(gè)水平，分別測(cè)定其孔隙液的pH值，根據(jù)植被生長(zhǎng)的pH值為（5.5～8.5），各組的pH值超過(guò)8.5時(shí)停止測(cè)量（圖3～5）。

圖3 NH4HCO3對(duì)pH值影響曲線Fig.3 Influences of NH4HCO3on pH

圖4 KH2PO4對(duì)pH值影響曲線Fig.4 Influences of KH2PO4on pH

圖5 NH4H2PO4對(duì)pH值影響曲線Fig.5 Influences of NH4H2PO4on pH

分析圖3、4、5可發(fā)現(xiàn)不同濃度的三類降堿溶液浸泡植被混凝土?xí)r，均能實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)內(nèi)將植被混凝土孔隙液的pH值降到最低，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)，孔隙液的pH值會(huì)緩慢回升，由于堿性物質(zhì)的不斷中和反應(yīng)，pH值回升速率由快到慢；降堿溶液5%濃度降堿效果較2%、1%好，維持在較低pH值的時(shí)間更長(zhǎng)回升當(dāng)pH值超過(guò)8.5時(shí)，可再次加入降堿物質(zhì)，則長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)pH值不超過(guò)8.5；但是在10d時(shí)間內(nèi)，三種濃度的降堿溶液的孔隙液pH值大致相等，由于高濃度的降堿溶液容易出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象，建議濃度不宜過(guò)高。

因此，先用5%濃度降堿溶液浸泡，迅速降低pH值，后期采用1%濃度的降堿溶液噴灑降堿，壓制堿性的反彈。

2.3 復(fù)合降堿溶液對(duì)植被混凝土的性能的影響

降堿溶液選用NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4，按照1:1:1比例配制0、0.5%、1%、2%、3%的復(fù)合降堿溶液，測(cè)定孔隙液pH值的變化，分析其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度、總孔隙率、有效孔隙率和透水系數(shù)的影響，結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 復(fù)合降堿溶液對(duì)pH值影響曲線Fig.6 Influences of compound alkali solution on pH

圖7 復(fù)合降堿溶液對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度值影響曲線Fig.7 Influences of compound alkali solution on compressive strength for 28 days

圖8 復(fù)合降堿溶液對(duì)總孔隙率、有效孔隙率影響曲線Fig.8 Influences of compound alkali solution on the total porosity and effective porosity

圖9 復(fù)合降堿溶液對(duì)透水系數(shù)影響Fig.9 Influences of compound alkali solution on permeable coefficients

分析圖6可知，不同濃度的復(fù)合降堿溶液1 d內(nèi)使孔隙液的pH值降到7左右，并在10 d時(shí)間內(nèi)保持pH值在7.0～8.5之間，3%濃度降堿溶液pH值最低，且pH值在7.0～8.5之間時(shí)間較長(zhǎng)，回升速度較慢，濃度為1%、2%的降堿溶液對(duì)pH值影響曲線與3%效果相差不大，綜合考慮成本和植被生長(zhǎng)要求，選取濃度1%的降堿溶液。

分析圖7可知，混凝土的強(qiáng)度隨著復(fù)合降堿溶液的添加有一定程度的提高（約為6%～8%），可能原因?yàn)榛炷玲尫诺臍溲趸}與降堿溶液化學(xué)反應(yīng)生成難容的碳酸鈣和磷酸鈣，填充混凝土的孔隙，提高了混凝土的密實(shí)度。

根據(jù)圖8、9，植被混凝土孔隙率和透水系數(shù)在不同濃度的復(fù)合降堿溶液下變動(dòng)幅度較小，總孔隙率/有效孔隙率的比值隨復(fù)合降堿溶液的濃度增長(zhǎng)而降低，表明生成的難溶物質(zhì)主要填充了微孔隙，對(duì)混凝土的大孔隙影響不大。

2.4 植被的優(yōu)選和種植效果研究

根據(jù)北方地區(qū)的氣候和土壤特點(diǎn)，針對(duì)適合在新型抗凍植被混凝土，通過(guò)查閱相關(guān)的資料[13,14]，最終優(yōu)選出高羊茅、天鵝絨和匍莖翦股穎，進(jìn)行種植試驗(yàn)。采用前述降堿方法，在植被混凝土中長(zhǎng)出茂密旺盛的植被，無(wú)降堿措施的混凝土塊上植被逐漸枯萎死亡，充分證明進(jìn)行降堿的必要性及本研究的降堿技術(shù)的有效性。

3 結(jié)論

（1）不同濃度的NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4降堿溶液浸泡植被混凝土，1 d內(nèi)均可將孔隙液pH值降到中性及以下，并可較長(zhǎng)時(shí)間維持在滿足植被生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

（2）綜合考慮成本和植被生長(zhǎng)要求，選取按照1:1:1配制的濃度1%復(fù)合降堿溶液，可達(dá)到較好降堿效果，提高強(qiáng)度、降低施工成本。

（3）利用本研究的降堿技術(shù)，在植被混凝土中種植出了茂密旺盛的植被，驗(yàn)證了此降堿技術(shù)有效可行。

[1]王桂玲,王龍志,張海霞,等.植生混凝土的含義、技術(shù)指標(biāo)及研究重點(diǎn)[J].混凝土,2013(1):105-109

[2]高文濤.新型抗凍植被混凝土關(guān)鍵技術(shù)及性能研究[D].泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2016

[3]胡春明,胡勇有,虢清偉,等.植生型生態(tài)混凝土孔隙堿性水環(huán)境改善的研究[J].混凝土與水泥制品,2006(3):8-10

[4]廖文宇,石 現(xiàn),黃澤峰,等.植生混凝土的降堿技術(shù)及種植效果研究[J].混凝土,2013(7):155-158

[5]牛海波,許文年,夏振堯,等.植被混凝土肥力水平變化研究[J].中國(guó)水土保持,2010(2):36-39

[6]潘瑞熾.植被生理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003

[7]桑以琳.土壤學(xué)與農(nóng)作學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005

[8]黃劍鵬,胡勇有.植生型多孔混凝土的制備與性能研究[J].混凝土,2011(2):101-104

[9]Park SB,Tia M.An experiment study on the water-purification properties of porous concrete[J]Cement and Concrete Reaserch,2004(34):177-181

[10]戎君名,陸建雯,姚 燕,等.GB/T 50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003

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

[12]陳志山.大孔混凝土的透水性及其測(cè)定方法[J].混凝土與水泥制品,2001(2):19-20

[13]劉 偉,.寒區(qū)植被混凝土組成材料的選取及性能[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2014(2):28-33

[14]張光燦.水土保持植被[M].北京:中國(guó)林業(yè)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

抗凍廢棄礦物摻合料植被混凝土在生態(tài)河道綠色襯砌中的推廣應(yīng)用(SDSLTG201604)

謝清華(1967-),女,本科,工程師.研究方向:水利工程施工與設(shè)計(jì).E-mail:sdzzlfl@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zkq0129@163.com