生態(tài)多孔混凝土與不同植被品種的化學(xué)相容性研究

胡雄偉，尹健，桑正輝，高婷，張貴

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410018)

生態(tài)多孔混凝土是一種可實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)、及時(shí)調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、美化景觀環(huán)境、最大限度地綜合利用自然資源、實(shí)現(xiàn)人類與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生、為人類構(gòu)造舒適環(huán)境的一種新型混凝土材料，其材料組成特點(diǎn)：?jiǎn)我涣酱止橇希瑹o(wú)砂或少量砂，低塑性的水泥基膠凝材料組成的一種多孔性材料；其性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：透氣、透水、強(qiáng)度較低、孔隙率高等[1-2]。混凝土組成材料之一的水泥在水化時(shí)，產(chǎn)生占水泥石體積20%~25%的Ca(OH)2，使得混凝土呈強(qiáng)堿性，pH值高達(dá)12~13[3]，而植物根系的生長(zhǎng)需要適宜的土壤pH，大多數(shù)植物在pH為5.5~6.5的土壤環(huán)境中生長(zhǎng)最優(yōu)，在pH大于9.0或小于2.5的情況下都難以生長(zhǎng)。土壤的pH值過(guò)高或過(guò)低，一些營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)變得難溶,有效性降低,從而不能被根系很好的吸收。堿性過(guò)高的土壤會(huì)損壞植物的須根使其失去吸收水分的功能造成植物缺水，同時(shí)造成須根的燒傷減少了對(duì)土壤中礦物質(zhì)的吸收，造成植物枯萎直至死亡[4]。因此解決生態(tài)多孔混凝土與不同植被品種的化學(xué)相容性問(wèn)題成為推廣應(yīng)用綠色生態(tài)混凝土技術(shù)的關(guān)鍵?；诓牧蠈W(xué)、生物學(xué)和土壤學(xué)等基本原理，為了使不同植被品種的生長(zhǎng)特性與生態(tài)多孔混凝土內(nèi)部堿度達(dá)到彼此協(xié)調(diào)，本研究探討了4種不同植被品種在不同堿性環(huán)境下生態(tài)多孔混凝土內(nèi)的生長(zhǎng)特性，以植被的發(fā)芽率、形態(tài)特性和生長(zhǎng)量等植物生理指標(biāo)為依據(jù)，研究了4種植被品種在生態(tài)多孔混凝土內(nèi)生長(zhǎng)的堿度臨界環(huán)境條件，以期探明生態(tài)多孔混凝土的堿度臨界環(huán)境條件與不同植被品種生長(zhǎng)特性的化學(xué)相容性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及性能

水泥：湖南恒宇建材有限公司生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa，其各項(xiàng)性能見(jiàn)表1。

粗骨料：長(zhǎng)沙順開石灰石礦業(yè)有限公司產(chǎn)的碎石，粒徑范圍：19~26.5 mm單一粒徑，其基本性能試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Various performance indexes of cement

表2 粗骨料基本性能試驗(yàn)指標(biāo)Table 2 Basic performance test index of Coarse aggregate

酸性材料：硫酸亞鐵為化學(xué)分析純?cè)噭?，其性能參?shù)見(jiàn)表3所示。

表3 酸性材料參數(shù)Table 3 Parameters of acid materials

1.2 生態(tài)多孔混凝土擬定配合比

生態(tài)多孔混凝土配合比見(jiàn)表 4，固定水灰比為0.30。

表4 生態(tài)多孔混凝土配合比Table 4 Mixture ratio of eco-porous concrete kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

攪拌工藝：根據(jù)表4的配合比配制生態(tài)多孔混凝土試件，試件成型方法采用“裹漿法”[5-6]，即先將膠凝材料和 70%的水一起加入攪拌機(jī)攪拌 1 min后，再加入粗骨料繼續(xù)攪拌1 min，最后將剩余的30%的拌合水加入，繼續(xù)攪拌1 min，共攪拌3分鐘，攪拌完成后，分3層裝模，每1層采用插搗法振實(shí)。成型好600 mm×600 mm×50 mm試件并養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

降堿方法：根據(jù)已有的降堿技術(shù)和已有的研究成果，采用不同濃度硫酸亞鐵(FeSO4)溶液浸泡生態(tài)多孔混凝土可實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部降堿[7-8]的目的，降堿方法如圖1所示。基于FeSO4含量與試塊內(nèi)部pH值呈線性相關(guān)性，見(jiàn)式(1)。

式中：x為所需FeSO4量，g/kg；y為試塊pH值。

根據(jù)式(1)通過(guò)調(diào)整 FeSO4的含量可實(shí)現(xiàn)生態(tài)多孔混凝土內(nèi)部堿度控制在6.5，7.5，8.5，9.5，10.5和11.5左右，每個(gè)堿度范圍內(nèi)選定4個(gè)生態(tài)多孔混凝土試件，播撒4種草種，共24個(gè)樣本，此次試驗(yàn)采用不同pH值，意在模擬不同堿環(huán)境對(duì)生態(tài)多孔混凝土植被生長(zhǎng)特性影響。具體實(shí)施為：①將生態(tài)多孔混凝土試件在不同濃度的硫酸亞鐵(FeSO4)溶液浸泡24 h后，再在自來(lái)水中浸泡24 h，取出試塊并烘干測(cè)定其pH值，符合要求即可播種試驗(yàn)，若偏高或偏低，重復(fù)上述操作即可。②對(duì)各堿度范圍內(nèi)的4個(gè)試塊分別種植狗牙根、高羊茅、黑麥草、早熟禾種子。在進(jìn)行施工播種時(shí)，種植材料的重量百分比為：普通土壤 42%，泥炭土7%，保水劑6%，肥料1.2%，水 42.8%，減水劑1%[9]。在灌營(yíng)養(yǎng)土的過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)土要盡可能磨細(xì)，拌合水之后順著

孔隙流入，采用上置式、中置式和下置式播種[10]，自播種后，對(duì)植物種子的發(fā)芽率、生長(zhǎng)狀況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)。

圖1 生態(tài)多孔混凝土降堿Fig. 1 Alkali reduction of ecological porous concrete

評(píng)價(jià)指標(biāo)：對(duì)4種植被的株高生長(zhǎng)量(指在植物播種16 d后的高度與成熟后的高度差，用鋼卷尺測(cè)量)、發(fā)芽率(指種子發(fā)芽數(shù)占種子總數(shù)的百分比)和植物受害狀況(根據(jù)不同的堿脅迫危害程度可劃分為以下 5 個(gè)受害等級(jí))進(jìn)行考量。5 個(gè)受害等級(jí)見(jiàn)表5。

表5 植被生長(zhǎng)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Vegetation growth characteristics evaluation index

2 結(jié)果分析討論

2.1 生態(tài)多孔混凝土孔隙內(nèi)部酸堿度對(duì)植物發(fā)芽率的影響

在播種草籽前，配制營(yíng)養(yǎng)土并充分磨細(xì)，緩慢注入生態(tài)多孔混凝土空隙內(nèi)并高出混凝土表面 1 cm，然后再播撒種子，每天噴水養(yǎng)護(hù)后用塑料薄膜覆蓋，1 d觀測(cè)1次，如圖2所示。不同堿性環(huán)境條件下4種植被種子的發(fā)芽率見(jiàn)表6。

由表6可知，在草種發(fā)芽階段，播撒草種4 d后，草種均開始發(fā)芽，狗牙根、黑麥草和早熟禾發(fā)芽率無(wú)顯著性差異，高羊茅發(fā)芽率明顯優(yōu)于其他 3種草種；到8 d和12 d時(shí)，各品種的發(fā)芽率發(fā)生了較小的差異，狗牙根和黑麥草在pH為6.5~9.5的堿性環(huán)境中，其發(fā)芽率并未受到影響，而在pH達(dá)到10.5時(shí)，受到輕微堿脅迫，發(fā)芽率緩慢降低。而高羊茅和早熟禾在pH為9.5以下時(shí)其發(fā)芽率逐漸降低，草種完全發(fā)芽所需時(shí)間為16 d。狗牙根在pH為6.5~9.5范圍內(nèi)時(shí)，其發(fā)芽率無(wú)顯著變化，在pH為10.5以上時(shí)，狗牙根發(fā)芽率下降明顯，分別降低了5.5%和30.1%。高羊茅在pH值上升至9.5時(shí)，發(fā)芽率明顯降低，降低了7.8%。黑麥草在pH為8.5時(shí)受到堿脅迫的影響，發(fā)芽率顯著降低。早熟禾在pH為9.5時(shí)發(fā)芽率逐漸降低。圖2為不同齡期生態(tài)多孔混凝土孔隙中土壤的pH值變化情況，結(jié)果表明：生態(tài)多孔混凝土孔隙中填充的土壤在第4 d齡期時(shí)呈弱酸性，pH值為5.5，營(yíng)養(yǎng)土未受到多孔混凝土溶出堿性液的影響。但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，多孔混凝土中堿類物質(zhì)的溢出使?fàn)I養(yǎng)土的pH值逐漸增大直至達(dá)到平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的堿脅迫作用，從而顯著影響草種的發(fā)芽率。

表6 草種在不同酸堿度下發(fā)芽率Table 6 Grass seed germination rate under different pH value

由以上分析可知，在植被發(fā)芽初期，多孔混凝土孔隙內(nèi)的酸堿度對(duì)植物發(fā)芽率的影響并不顯著，這是因?yàn)槎嗫谆炷羶?nèi)堿性物質(zhì)尚未擴(kuò)散，土壤pH值不受影響，仍處于弱酸性狀態(tài)，有利于植物的生長(zhǎng)。從4種草種對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)能力可以看出，高羊茅在發(fā)芽階段明顯偏好弱酸性環(huán)境[11-12]。隨著時(shí)間的增加，土壤堿度逐漸上升，狗牙根在pH為10.5時(shí)發(fā)芽率明顯高于其他3種草種，表明其在堿性土壤環(huán)境中的適應(yīng)能力較強(qiáng)。

圖2 生態(tài)多孔混凝土孔隙內(nèi)土壤pH值變化Fig. 2 Ecological soil pH change within porous concrete gap

表7 草種在不同pH值下受害等級(jí)Table 7 Grass seed under different pH level being victimized

2.2 生態(tài)多孔混凝土孔隙內(nèi)酸堿度對(duì)植物形態(tài)特性的影響

植株在逆境脅迫下形態(tài)特征的變化是植物適應(yīng)能力最直觀、最明顯的體現(xiàn)，因此形態(tài)特征可作為植物生長(zhǎng)環(huán)境堿度臨界條件的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)植生試驗(yàn)對(duì)植被品種受害情況進(jìn)行研究，其結(jié)果記錄如表7所示。

由表7可知，在草種完全發(fā)芽后(16 d)，堿脅迫對(duì)各草種的形態(tài)指標(biāo)產(chǎn)生了明顯影響，如圖3所示。草種種植16 d時(shí)，狗牙根在pH為10.5的堿環(huán)境下，開始出現(xiàn)少數(shù)葉片、葉尖、葉緣失綠變黃的現(xiàn)象，高羊茅、黑麥草和早熟禾分別在pH為7.5，8.5和9.5時(shí)就已出現(xiàn)此現(xiàn)象。隨著時(shí)間增長(zhǎng)至 30 d 時(shí)，各草種的受害情況越來(lái)越明顯。黑麥草、高羊茅和早熟禾分別在pH為8.5和9.5時(shí)葉片變黃數(shù)逐漸增多，且隨著堿環(huán)境程度的加深，pH10.5堿脅迫下的高羊茅、黑麥草和早熟禾大部分已出現(xiàn)葉片焦枯，葉片質(zhì)薄卷曲，植株萎蔫現(xiàn)象；pH10.5堿脅迫下的黑麥草、早熟禾、高羊茅葉片受害程度明顯大于狗牙根。除黑麥草在pH8.5堿脅迫下葉片焦枯程度達(dá)到一半以上外，其余3種草種在此堿脅迫下的受害程度均較輕。當(dāng)pH值達(dá)到11.5時(shí)，堿脅迫已經(jīng)嚴(yán)重影響到各植株的生長(zhǎng)，植株均出現(xiàn)葉片質(zhì)薄卷曲，植株萎蔫現(xiàn)象。狗牙根和早熟禾在 pH為 6.5的環(huán)境處理下，早期出現(xiàn)部分葉尖、葉緣變黃現(xiàn)象。

圖3 生態(tài)多孔混凝土植物生長(zhǎng)情況Fig. 3 Ecological porous concrete plant growth

2.3 生態(tài)多孔混凝土孔隙內(nèi)酸堿度對(duì)植物生長(zhǎng)量的影響

從圖4不同pH值下生態(tài)多孔混凝土中4種草種的株高生長(zhǎng)量可以看出，4種草種均在pH 7.5環(huán)境下生長(zhǎng)量最大。隨著堿度的上升，狗牙根、高羊茅、黑麥草、早熟禾的生長(zhǎng)量分別在pH10.5，pH9.5，pH8.5和 pH9.5堿脅迫下出現(xiàn)顯著變化，相較于pH7.5時(shí)分別下降了33.3%，40%，25%和33%。在pH6.5時(shí)，狗牙根、黑麥草和早熟禾生長(zhǎng)量明顯低于pH7.5時(shí)的生長(zhǎng)量，而高羊茅無(wú)顯著差異。從4種草種對(duì)堿環(huán)境的適應(yīng)能力可以看出，狗牙根的耐堿性最強(qiáng)，黑麥草耐堿性最差。

圖4 生態(tài)多孔混凝土孔隙內(nèi)pH值對(duì)草種株高生長(zhǎng)量的影響Fig. 4 Ecological porous concrete pore within the influence of pH value on the grass plant height increment

3 結(jié)論

1) 生態(tài)多孔混凝土孔隙內(nèi)部 pH值控制在6.5~7.5時(shí)，狗牙根、高羊茅、黑麥草和早熟禾4種草種的生長(zhǎng)及生理指標(biāo)狀況達(dá)到最佳。

2) 生態(tài)多孔混凝土內(nèi)部pH為11.5左右時(shí)，4種草種的生長(zhǎng)狀況均受到嚴(yán)重影響。狗牙根草種在生態(tài)多孔混凝土內(nèi)部的pH為10.5左右時(shí)仍能正常生長(zhǎng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗堿能力；高羊茅和早熟禾抗堿能力較好，其生長(zhǎng)環(huán)境堿度臨界值為 9.5；而黑麥草抗堿能力較差，其生長(zhǎng)環(huán)境堿度臨界值為8.5。

3) 探明了狗牙根、高羊茅、黑麥草和早熟禾4種植被與生態(tài)多孔混凝土化學(xué)相容性的堿度臨界條件，為不同堿性環(huán)境條件下優(yōu)選不同植被品種提供了可靠的理論依據(jù)。

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