攀援藤用于城市混凝土橋梁綠化的可行性研究

董 鑫，鄭柳青，嚴(yán)佳玉，吳文清

(東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

垂直綠化可以彰顯城市形象與內(nèi)涵，煥發(fā)城市活力，攀援藤綠化即是一種經(jīng)濟(jì)美觀的垂直綠化方式。近年來(lái)，南京市雖然總體綠化指標(biāo)居于國(guó)內(nèi)城市前列，但是主城區(qū)綠地率相對(duì)偏低，小型綠地斑塊面積只占南京主城綠化總面積的5.71%[1]。為提高城區(qū)綠化率，應(yīng)考慮將園林中的垂直綠化應(yīng)用于市區(qū)綠化改造。發(fā)展垂直綠化的主要材料為攀援藤，其中，以爬山虎最為典型。用攀援藤綠化美觀建筑物墻體的示例很多；部分綠化公司也已經(jīng)嘗試將這種綠化應(yīng)用于橋梁墩柱，稱為垂直綠化。目前，攀援藤用于建筑物外觀墻面的綠化種植對(duì)于結(jié)構(gòu)本身耐久性的影響尚缺乏充分的研究，同時(shí)，對(duì)于如何處理實(shí)際使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題也缺乏應(yīng)有的理論依據(jù)。如南京鹽倉(cāng)橋廣場(chǎng)高架橋由于養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成懸掛藤條過(guò)長(zhǎng)而干擾到駕駛員的行車視線；南京應(yīng)天高架橋墩表面攀援藤過(guò)于茂盛而干擾到對(duì)墩柱裂縫的觀測(cè)。

因此，攀援藤應(yīng)用于城區(qū)橋梁的垂直綠化，在兼顧經(jīng)濟(jì)與美觀性能的同時(shí)，還應(yīng)比園林綠化額外考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是攀援類植物是否會(huì)影響建筑物的力學(xué)性能；二是攀援類植物能否滿足建筑物對(duì)視覺(jué)環(huán)境的要求。

為探究將攀援藤綠化應(yīng)用于橋梁垂直綠化的可行性，本文使用回彈儀法、模擬分析法研究攀援藤的吸盤(pán)分泌物對(duì)橋墩力學(xué)性能的影響；同時(shí)，從使用性角度分析藤本綠化能否滿足橋梁對(duì)視覺(jué)環(huán)境的要求，從而提出有效的城市混凝土橋梁攀援藤垂直綠化方案。

1 對(duì)橋梁墩柱保護(hù)層的力學(xué)性能影響分析

相關(guān)研究表明[2]，攀援藤適宜在酸性環(huán)境下生長(zhǎng)，因此，攀援藤吸盤(pán)會(huì)分泌酸性多糖液體，為其生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)弱酸性的環(huán)境，這種長(zhǎng)期的弱酸性環(huán)境可能會(huì)對(duì)混凝土表面造成腐蝕破環(huán)，從而影響混凝土保護(hù)層的力學(xué)性能及其耐久性。為探究攀援藤對(duì)其附著墻體耐久性能的影響，本文分別采用傳統(tǒng)的回彈儀測(cè)試法、實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕試驗(yàn)等方法進(jìn)行多角度分析。

1.1 回彈儀測(cè)試法

1.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了檢測(cè)現(xiàn)有被攀援藤附著的橋墩墩柱保護(hù)層是否已經(jīng)受到其酸性腐蝕的影響，需要采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)量橋墩表面的抗壓強(qiáng)度。

本文選取了南京地區(qū)4座典型橋梁，進(jìn)行墩柱混凝土強(qiáng)度的回彈測(cè)試。測(cè)量回彈值時(shí)，選取橋墩四周側(cè)面為受測(cè)面，回彈儀的軸線始終垂直于混凝土檢測(cè)面，并緩慢施壓、準(zhǔn)確讀數(shù)、快速?gòu)?fù)位。每一測(cè)區(qū)讀取16個(gè)回彈值，每一測(cè)點(diǎn)的回彈值讀數(shù)應(yīng)精確至1。計(jì)算測(cè)區(qū)平均回彈值時(shí)，從該測(cè)區(qū)的16個(gè)回彈值中剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，其余的10個(gè)回彈值取平均數(shù)作為測(cè)區(qū)平均回彈值，結(jié)果如表1所示。

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用概率與統(tǒng)計(jì)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：首先，使用“無(wú)附著”的一組樣本估計(jì)總體回彈均值，總體回彈均值應(yīng)當(dāng)取標(biāo)準(zhǔn)值=平均值-1.65均方差，即按照95%的保證率來(lái)計(jì)算。

表1 橋梁墩柱回彈測(cè)試數(shù)據(jù)

假設(shè)H0：“有附著橋墩面”強(qiáng)度不小于“無(wú)附著橋墩面強(qiáng)度”，即攀援藤附著不會(huì)對(duì)橋墩面本身強(qiáng)度產(chǎn)生減弱的影響。

H1:“有附著橋墩面”強(qiáng)度小于“無(wú)附著橋墩面強(qiáng)度”，即攀援藤附著會(huì)對(duì)橋墩面本身強(qiáng)度產(chǎn)生減弱的影響。

然后，根據(jù)上述總體均值對(duì)“有附著”的一組樣本值進(jìn)行t假設(shè)檢驗(yàn)(用t分布理論來(lái)推導(dǎo)差異發(fā)生的概率)，判斷是否有95%的可信度支持假設(shè)H0。結(jié)合文獻(xiàn)[3]相關(guān)研究成果可知，當(dāng)t<-1.833 1時(shí)，才落在假設(shè)的拒絕域H1；而從最后一行t值可以看出，四組數(shù)據(jù)均滿足t>-1.833 1，證明在出現(xiàn)第一類錯(cuò)誤的概率不超過(guò)5%的前提下接受假設(shè)H0。

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得知“有附著橋墩面”的強(qiáng)度不小于“無(wú)附著橋墩面”的強(qiáng)度，即攀援藤附著不會(huì)對(duì)橋墩面本身強(qiáng)度產(chǎn)生減弱的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕分析

真實(shí)情況下，植物的酸性分泌液對(duì)墩柱表層混凝土的腐蝕進(jìn)程是緩慢的。為探究交通建筑物在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)的強(qiáng)度損失，研究采取模擬加速腐蝕實(shí)驗(yàn)。通過(guò)腐蝕深度建立模擬腐蝕液pH值、腐蝕時(shí)間段與實(shí)際分泌物pH值、實(shí)際腐蝕時(shí)間段之間的轉(zhuǎn)化聯(lián)系，從而由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)際的腐蝕發(fā)展規(guī)律。

1.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

為模擬酸腐蝕橋墩表面混凝土并使其強(qiáng)度下降的過(guò)程，考慮到混凝土的適用性和代表性，選用城市公路橋橋墩常用的C30混凝土為研究對(duì)象，其配合比為：水泥∶水∶砂∶石=1∶0.4∶2.5∶3，試塊內(nèi)配置R235光圓鋼筋，如圖1所示。按照標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)要求，采用150 mm×150 mm×150 mm的試件規(guī)格，制作27個(gè)試塊。試件制備成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天。

實(shí)驗(yàn)中配置pH=2的硫酸溶液作為酸性腐蝕環(huán)境，將試塊腐蝕分為1個(gè)對(duì)照組與8個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其中各組試塊個(gè)數(shù)為3塊，分別腐蝕0、5、10、15、20、25、30、35、40天。腐蝕完成后，待表面干燥，對(duì)試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定腐蝕后抗壓強(qiáng)度。

(a) 1-1截面正視剖面

(b) 2-2截面俯視剖面

(c) 3-3截面正視剖面

圖1腐蝕用混凝土試件設(shè)計(jì)(單位：mm)

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定，每組3塊試塊的抗壓強(qiáng)度取平均值作為代表值，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過(guò)pH=2的硫酸腐蝕后，侵蝕初期階段生成的鈣礬石或石膏晶體起到了填充混凝土內(nèi)部孔隙的作用，使得混凝土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間先略上升，而后下降，但總體抗壓強(qiáng)度值仍高于初始強(qiáng)度值,且抗壓強(qiáng)度變化的幅值并未超過(guò)試塊初始抗壓強(qiáng)度的20%，說(shuō)明酸腐蝕對(duì)其影響較小。酸性環(huán)境下混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律的時(shí)變方程常用一元二次方程來(lái)表征，最終強(qiáng)度應(yīng)隨時(shí)間變化而減小。[4]

圖2 標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系曲線

二次多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)可得混凝土試塊抗壓強(qiáng)度P(MPa)為：

P=44.23+0.335 3t-0.006 837t2

(1)

其相關(guān)系數(shù)為：

Adjusted R-square=0.600 9

(2)

該曲線圖可對(duì)不同腐蝕時(shí)間下標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

由此可知，在橋梁設(shè)計(jì)的100年使用年限內(nèi)，混凝土可以承受pH在5.4～6.2之間(遠(yuǎn)大于3.26)的攀援藤吸盤(pán)分泌物的腐蝕。

以上兩種方法的研究結(jié)果均可以證明：在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，將攀援藤應(yīng)用于城區(qū)橋梁的垂直綠化不會(huì)影響交通建筑物的力學(xué)性能。

2 對(duì)橋梁視覺(jué)環(huán)境的影響分析

在園林中，綠化的原則是“目的性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性”，而將垂直綠化應(yīng)用于城市交通建筑，則應(yīng)額外考慮其“安全性”。一切交通活動(dòng)都發(fā)生在人、車、路及其環(huán)境這一系統(tǒng)中。駕駛員在行車過(guò)程中，總會(huì)有意或無(wú)意地根據(jù)路邊的環(huán)境信息判斷隨后發(fā)生的行車動(dòng)作。不合理的行車環(huán)境會(huì)干擾駕駛員的注意力，對(duì)行車安全構(gòu)成威脅，因此，橋梁的垂直綠化應(yīng)當(dāng)考慮其對(duì)視覺(jué)環(huán)境造成的影響。

2.1 遮擋交通標(biāo)識(shí)

由于園林部門對(duì)道路橋梁綠化養(yǎng)護(hù)和管理不到位，城市綠化遮擋交通標(biāo)識(shí)的現(xiàn)象在我國(guó)道路行車環(huán)境中普遍存在，城市立交、高架橋和人行天橋的攀援藤生長(zhǎng)過(guò)旺，枝條下垂會(huì)遮擋橋下的限高標(biāo)識(shí)，造成安全隱患。如福州浦上大橋的爬山虎垂落很低(如圖3所示)，以至于遮擋住了 “4 m”的限高標(biāo)識(shí)，一旦出現(xiàn)超高貨車撞擊橋梁的現(xiàn)象，后果不堪設(shè)想。因此，園林部門應(yīng)對(duì)橋梁上的攀援藤綠化進(jìn)行定期檢查，建立橋梁攀援藤綠化生長(zhǎng)狀況檔案，以便及時(shí)修剪。

圖3 福州浦上大橋的爬山虎

2.2 影響橋下凈空、遮擋視線

攀援藤生長(zhǎng)過(guò)旺而未及時(shí)修剪時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的枝條還會(huì)侵占橋下道路凈空，遮擋駕駛員視線。所謂道路凈空，是指為保障各種車輛的正常通行，路面上一定高度和范圍內(nèi)不允許有任何障礙物侵入的空間界限。橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)橋梁下穿道路的凈空均有要求。一般小車駕駛員的視線高度約為100～120 mm，貨車駕駛員的視線高度約為180～200 mm[7]，如果橋底有下垂藤條，駕駛員的視線盲區(qū)范圍會(huì)擴(kuò)大，對(duì)行車安全極為不利。

2.3 搭配不當(dāng)造成視覺(jué)污染

根據(jù)人體生理學(xué)知識(shí)，過(guò)于復(fù)雜花哨的綠化(如圖4所示)會(huì)分散駕駛員的注意力[8]，降低其對(duì)路面信息的判別能力，從而帶來(lái)交通事故隱患。因此，在攀援藤綠化的設(shè)計(jì)風(fēng)格上應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單明了，采用統(tǒng)一的色彩和造型，不僅有利于行車安全，而且可以形成整體大氣的視感。

圖4 過(guò)于花哨的橋墩綠化

3 攀援藤綠化措施建議

攀援藤綠化與其他綠化形式相比，適應(yīng)性更強(qiáng)，種植與管理更經(jīng)濟(jì)，是一種性價(jià)比較高的垂直綠化方式。根據(jù)本文研究結(jié)果，無(wú)需考慮攀援藤吸盤(pán)產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對(duì)墩柱保護(hù)層的不利影響，而應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注攀援藤對(duì)橋梁周圍的視覺(jué)環(huán)境帶來(lái)的不利影響。因不同橋型對(duì)橋梁視覺(jué)效果的要求不同，故考慮攀援藤綠化方案時(shí)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)橋型予以區(qū)分，以下按照橋型分類給出幾點(diǎn)建議：

(1) 立交橋：攀援藤綠化應(yīng)當(dāng)采用統(tǒng)一色彩和造型，避免選用葉片過(guò)大、生長(zhǎng)過(guò)快的品種，以免干擾駕駛員視線。

(2) 人行天橋：該類橋梁是慢行系統(tǒng)的重要組成部分，使用者是行人，其綠化主要布置在護(hù)欄兩側(cè)，應(yīng)選色彩搭配和諧的植物組合，纏繞藤比攀援藤更利于布設(shè)與養(yǎng)護(hù)。

(3) 高架橋：該類橋梁負(fù)擔(dān)著較大的交通量，綠化主要布設(shè)于立柱和橋陰部分。應(yīng)選取適應(yīng)性強(qiáng)、抗污染并耐陰的藤類植物。因該橋型對(duì)觀賞性要求較低，故可以使用纏繞類或攀援類直接種植的辦法，并實(shí)施滿布的方案。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)及時(shí)修剪以防影響對(duì)梁下裂縫的觀測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)對(duì)力學(xué)性能的分析可知，攀援植物對(duì)橋梁墩柱的表層混凝土強(qiáng)度特性和材料的耐久性基本沒(méi)有影響，在橋墩上進(jìn)行綠化是可行的。

(2) 城市立交、高架橋和人行天橋的攀援藤生長(zhǎng)過(guò)旺，枝條下垂會(huì)遮擋橋下的限高標(biāo)識(shí)，易造成安全隱患，綠化養(yǎng)護(hù)中需要特別注意。

(3) 應(yīng)從環(huán)境對(duì)駕駛員的視覺(jué)影響角度來(lái)考慮城市交通土建的垂直綠化設(shè)計(jì)。