苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土植生試驗(yàn)及應(yīng)用研究

陳建國(guó) ，李若愚 ，佘曉彬 ，吳光軍 ，蘭志春 ，杜念 ，黃卓杰 ，閆志勇

(1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530023；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210000；3.南昌大學(xué)，江西 南昌 330031；4.廣西建工集團(tuán)海河水利建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000)

植生混凝土是一種能夠適應(yīng)綠色植物生長(zhǎng)的新型環(huán)保材料。為滿足植物生長(zhǎng)要求，其結(jié)構(gòu)孔隙率要求25%以上，堿環(huán)境pH 值必須控制在8～10[1-2]。植生混凝土在綠化環(huán)境、降低環(huán)境負(fù)荷、保持水土及維護(hù)生物多樣性等方面具有積極作用。

適宜植物生長(zhǎng)的pH 值范圍為3.5～10，但普通混凝土的孔隙溶液pH 值為12～13[3-5]，所以降低植生混凝土內(nèi)部孔隙溶液pH 值的技術(shù)尤為關(guān)鍵。植生混凝土基體是植被生長(zhǎng)的骨架，降堿的同時(shí)若影響了強(qiáng)度，則降低了混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，影響實(shí)際應(yīng)用。摻入一定量的苯丙乳液可以影響水泥的水化反應(yīng)，能有效降低其孔隙溶液pH 值，而且能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

本文采用5%苯丙乳液替代硫鋁酸鹽水泥制備再生骨料植生混凝土。在優(yōu)選種植土壤和種植模式的基礎(chǔ)上，選取狗牙根、堿茅草、紫花苜蓿和寬葉雀稗4 種植物為植生對(duì)象，研究植物在植生混凝土中的植被覆蓋率、株高、根系以及葉片相對(duì)含水量等指標(biāo)，分析混凝土植生性能，并篩選適合在植生混凝土上長(zhǎng)期生長(zhǎng)的植物。通過(guò)工程實(shí)例對(duì)苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土的植生效果進(jìn)行驗(yàn)證及評(píng)價(jià)。

1 苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土的基本性能

1.1 原材料

水泥：L·SAC42.5 低堿度硫鋁酸鹽水泥，密度2790 kg/cm3，比表面積436 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量32%，28 d 抗壓、抗折強(qiáng)度分別為 47.0、7.5 MPa。

再生粗骨料：由建筑垃圾拆除物破碎而成，粒徑20～40 mm，表觀密度2350 kg/m3，堆積密度1362 kg/m3，壓碎指標(biāo)17.3%。

苯丙乳液：乳白色液體，密度 1006 kg/m3，pH 值 6.2，黏度330 mPa·s。

拌合用水：自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以再生骨料為粗骨料，摻加5%苯丙乳液作為膠凝材料等體積替代低堿度硫鋁酸鹽水泥，設(shè)定目標(biāo)孔隙率為30%，水灰比為0.3，苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土的配合比(kg/m3)為：m(水泥)∶m(苯丙乳液)∶m(再生骨料)∶m(水)=193∶10∶1335∶58。

1.3 實(shí)驗(yàn)室制備工藝

(1)攪拌工藝

植生混凝土是無(wú)砂多孔的混凝土，若使用與普通混凝土相同的一次性給料法進(jìn)行制備，很容易產(chǎn)生“滾珠”現(xiàn)象，如圖1(a)所示，骨料表面的漿體覆蓋不均勻，甚至可能產(chǎn)生漿體結(jié)塊的現(xiàn)象。采用預(yù)裹漿法攪拌植生混凝土，先加入部分膠凝材料和水以及所有粗骨料進(jìn)行攪拌，使膠凝材料包裹于粗骨料表面，然后再加入剩余的水和膠凝材料，使得漿體能均勻地包裹在粗骨料的表面，如圖1(b)所示。

圖1 2 種攪拌工藝對(duì)比

(2)試件成型方法

苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土成型的關(guān)鍵是骨料通過(guò)膠凝漿體緊密粘結(jié)。由于機(jī)械振搗的頻率和力度大，使得包裹在骨料表面的漿體脫落，并沉集于試模底部，影響混凝土的透水性能和植生性能，如圖2 所示。因此，采用插搗成型和靜力壓制結(jié)合的成型方式，將植生混凝土拌合物分3 層裝入試模進(jìn)行插搗，每層插搗25 次，待裝模插搗完成后，以人工靜力加壓的方式將試模上表面調(diào)平，成型好的植生混凝土試塊見(jiàn)圖3。

圖2 漿體沉底成型的現(xiàn)象

圖3 成型好的植生混凝土試塊

(3)降堿處理

用普通硅酸鹽水泥制備的再生骨料植生混凝土孔隙溶液pH 值高達(dá)12.9，即使替換成堿度相對(duì)較低的硫鋁酸鹽水泥，pH 值仍在11.2 以上，不能滿足植物生長(zhǎng)的pH 值要求。

現(xiàn)階段，大多數(shù)研究集中在利用礦物摻合料來(lái)達(dá)到降堿目的。相關(guān)研究指出，具有高硅含量的礦物摻合物在水泥水化中消耗Ca(OH)2相是有效的。但摻入礦物摻和料降低混凝土pH 值的效果十分有限[6-7]，使混凝土的pH 值低于11 更是一種不實(shí)際的方法[8]。這與Coumes C 等[9]的研究結(jié)果相類似。盡管礦物摻合料的火山灰反應(yīng)在水泥水化中消耗了Ca(OH)2，但Na、K 等堿性離子逐漸與鈣硅酸鹽水化物結(jié)合C-S-H 凝膠，提高了混凝土中的pH 值。

目前，由聚合物改性的水泥漿和混凝土已在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明[10-11]，苯丙乳液能延緩C2S 的水化反應(yīng)，進(jìn)而延遲硫鋁酸鹽水泥水化。同時(shí)在水化過(guò)程中，摻雜了苯丙乳液的改性水泥漿體形成的Al(OH)3，隨著苯丙乳液摻量的增加而減少，使水泥的酸堿度降低。經(jīng)苯丙乳液改性后的再生骨料植生混凝土可以極大限度地降低孔隙溶液pH 值，提高混凝土植生性能。

1.4 物理力學(xué)性能

苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土的力學(xué)性能、透水性能及內(nèi)部孔隙pH 值等物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土的物理力學(xué)性能

表1 結(jié)果表明，苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土具有一定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；經(jīng)植生工藝處理后，其較大的孔隙率能為植物提供生長(zhǎng)空間并使根系彼此交差；較高的透水系數(shù)使植物便于和周圍環(huán)境進(jìn)行養(yǎng)分交換，其內(nèi)部孔隙溶液的pH 值滿足植物生長(zhǎng)的要求。

2 植生試驗(yàn)

2.1 土壤的配制

選用廣西當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的紅壤、黃壤、磚紅壤以及藝高園藝牌通用營(yíng)養(yǎng)土(見(jiàn)圖4)，對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的組成、含量以及土壤的pH 值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 土壤樣品

表2 土壤微量元素的含量及pH 值

由表2 可見(jiàn)，50%營(yíng)養(yǎng)土+50%紅壤中所含氮、磷、鉀等對(duì)植物生長(zhǎng)有利的元素含量要遠(yuǎn)高于其它3 種天然土。除黃壤外，其余土壤都呈現(xiàn)弱酸性。另外，營(yíng)養(yǎng)土的組成包含赤玉土、蛭石、綠沸石(見(jiàn)圖5)。其中赤玉土的營(yíng)養(yǎng)成分高，適宜植物的直接種植，綠沸石和蛭石有一定的吸水作用，能夠凈化改善土壤，防止植物爛根。

圖5 營(yíng)養(yǎng)土中的主要成分

土壤是植物生長(zhǎng)的根本，為植物提供必需的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。只有對(duì)土壤進(jìn)行合理的配制，才能達(dá)到植生混凝土中植物生長(zhǎng)的持久性，獲得良好的生態(tài)效益。

經(jīng)苯丙乳液改性的再生骨料植生混凝土pH 值為9～10，用于植生的土壤應(yīng)適當(dāng)偏酸性，滿足對(duì)堿性的中和能力，以此改善根系生長(zhǎng)環(huán)境。植生混凝土內(nèi)部含有較多孔隙，水分很容易透過(guò)孔隙被蒸發(fā)。而且廣西地區(qū)降水量的季節(jié)變化不均，干濕季分明。因此，土壤要能充分利用降水，盡可能的吸收并保持水分，為植物生長(zhǎng)提供充足的水分，提高植物的抗旱能力。另外，土壤不僅能夠按一定比例提供植物生長(zhǎng)所必須的肥力，而且要優(yōu)先選用資源豐富、價(jià)格合理的天然材料。在充分保證植物根系的生長(zhǎng)及發(fā)育的同時(shí)，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

基于以上對(duì)土壤的要求，綜合考慮，選擇50%紅壤+50%營(yíng)養(yǎng)土的混合土作為植生混凝土的土壤層基質(zhì)，以此來(lái)保證植生混凝土中植物的良好生長(zhǎng)。

2.2 種植模式的比選

依據(jù)植物和混凝土塊的相對(duì)位置不同，植生混凝土的植物種植模式有4 種：上置式、中置式、下置式、植草式。為滿足植物根系能夠更好地穿透混凝土，試驗(yàn)所用的混凝土試塊尺寸為長(zhǎng)×寬×高=15 cm×15 cm×6 cm。

上置式是把植物種子播種在植生混凝土的上層覆土中。其工序?yàn)椋涸跔I(yíng)養(yǎng)土表面放置混凝土塊，然后在混凝土塊表面覆蓋0.5 cm 厚的濕營(yíng)養(yǎng)土，再在土表面撒堿茅草種子，最后在表面覆蓋0.5 cm 厚的濕營(yíng)養(yǎng)土，如圖6(a)所示。

中置式是將種子和營(yíng)養(yǎng)土漿拌勻后灌入混凝土孔隙中。其工序?yàn)椋涸跔I(yíng)養(yǎng)土表面放置混凝土塊，然后在混凝土的孔中放入堿茅草種子，保證每個(gè)孔中至少有10 余粒種子。再在混凝土塊表面蓋0.5 cm 厚的濕營(yíng)養(yǎng)土，蓋住孔隙，保持水分，如圖6(b)所示。

下置式是將種子種植在植生混凝土下部的土壤中，待植物生長(zhǎng)穿透孔隙。其工序?yàn)椋涸跔I(yíng)養(yǎng)土表面鋪一層堿茅草種子，然后放上混凝土塊，如圖6(c)所示。

植草式是將已經(jīng)長(zhǎng)出的植物以草皮的方式種植到植生混凝土的上層覆土中。其工序?yàn)椋涸跔I(yíng)養(yǎng)土表面放置混凝土塊，然后在混凝土塊上鋪0.5 cm 厚的濕營(yíng)養(yǎng)土，再將用堿茅草種子萌發(fā)的草皮(6 cm 高)放在上面。完成種植后，每天澆水，保證混凝土塊上面和下面的土壤達(dá)到水分飽和，如圖6(d)所示。

圖6 植生混凝土的4 種不同植物種植模式

當(dāng)堿茅草生長(zhǎng)至15 d 時(shí)，對(duì)4 種種植模式下植被的植生狀況進(jìn)行直觀對(duì)比，如圖7 所示。生長(zhǎng)至30 d 時(shí)，只對(duì)混凝土下部的土壤澆水，觀察植被扎根情況。當(dāng)堿茅草生長(zhǎng)至33 d時(shí)，對(duì)4 種種植模式下植被的植生狀況進(jìn)行直觀對(duì)比，如圖8所示。

圖7 4 種種植模式下植被15 d 時(shí)生長(zhǎng)情況對(duì)比

圖8 4 種種植模式下植被33 d 時(shí)生長(zhǎng)情況對(duì)比

由圖7 可見(jiàn)，當(dāng)堿茅草生長(zhǎng)至15 d 時(shí)，上置式中，植物生長(zhǎng)快，成活率高，幾乎所有種子已經(jīng)萌發(fā)，高度達(dá)8～10 cm；中置式中，植物生長(zhǎng)較快，已經(jīng)萌發(fā)約200 株幼苗，幼苗高度2～5 cm；下置式中，莖葉的生長(zhǎng)受植生混凝土層的制約，所以綠化效果稍慢，約有10 株幼苗從孔隙中長(zhǎng)出，并且從混凝土塊周圍也萌發(fā)出約60 株幼苗；植草式中，植被的高度達(dá)10～15 cm，實(shí)現(xiàn)綠化效果快。

由圖8 可見(jiàn)，當(dāng)堿茅草生長(zhǎng)至33 d 時(shí)，上置式中的植物開(kāi)始出現(xiàn)缺水萎蔫狀態(tài)，但仍存活；而植草式中的植物已經(jīng)全部萎蔫倒伏。仔細(xì)檢查根系，發(fā)現(xiàn)上置式中有部分根系到達(dá)混凝土塊下面，植草式中沒(méi)有根系到達(dá)混凝土塊；中置式和下置式中，植物生活正常，但高度未增加，也未見(jiàn)新萌發(fā)的幼苗。

以上結(jié)果表明，在上置式、中置式、植草式種植模式中，植物生長(zhǎng)快，綠化效果好。另外，上置式、中置式和下置式的根系能夠到達(dá)混凝土塊下面，植草式的根系不能生長(zhǎng)至混凝土下面，導(dǎo)致植物缺水萎蔫。綜合考慮后，選擇上置式作為植生混凝土的種植模式，受混凝土內(nèi)部環(huán)境影響小，綠化效果顯著，也有部分根系能夠延伸到試塊底部，接觸周圍的土壤。唐瑞[12]經(jīng)試驗(yàn)也得出相似結(jié)論，在上置式中，60 d 植物生長(zhǎng)情況均好于中置式和下置式。

2.3 植生結(jié)果及分析

本試驗(yàn)選取狗牙根、堿茅草、紫花苜蓿和寬葉雀稗4 種常見(jiàn)的河岸帶植物為對(duì)象，配制50%營(yíng)養(yǎng)土+50%紅壤的混合土作為植生混凝土的土壤層基質(zhì)，試驗(yàn)所用的混凝土試塊尺寸為15 cm×15 cm×6 cm，混凝土上覆蓋3 cm 高的混合土，然后在混凝土下面放3 cm 高的營(yíng)養(yǎng)土。在一定的養(yǎng)護(hù)和管理?xiàng)l件下，植物的生長(zhǎng)情況如圖9、圖10 所示，15 d、30 d 時(shí)植被覆蓋率、植物株高、根系以及葉片相對(duì)含水量等指標(biāo)如表3 所示。

圖9 植物播種后15 d 時(shí)的長(zhǎng)勢(shì)

圖10 植物播種后30 d 時(shí)的長(zhǎng)勢(shì)

表3 指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表3 可見(jiàn)，在上置式種植模式下，初期混合土層濕潤(rùn)，植物生長(zhǎng)良好，植物根系能逐漸生長(zhǎng)，穿過(guò)表層土壤并進(jìn)入混凝土內(nèi)部。所以，采用低堿度硫鋁酸鹽水泥和苯丙乳液改性的降堿手段，對(duì)混凝土內(nèi)部堿環(huán)境有一定的改良效果，有利于植物根系生長(zhǎng)，促進(jìn)了植株繁茂。30 d 時(shí)，由于狗牙根、堿茅草、紫花苜蓿耐堿性差，再加上少量甚至沒(méi)有根系穿透混凝土到達(dá)其下方的營(yíng)養(yǎng)土基質(zhì)層，導(dǎo)致這3 種植物逐漸開(kāi)始枯萎發(fā)黃，直至全部死亡。但是，寬葉雀稗的根系已經(jīng)能夠穿透6 cm 厚的試塊直至下方的營(yíng)養(yǎng)層，長(zhǎng)勢(shì)茂盛。60 d 時(shí)，因?yàn)榛旌贤寥乐械牧自睾勘容^豐富，寬葉雀稗葉片的顏色從最初的淺綠色變成了深綠色，且株高達(dá)到15 cm。所以，寬葉雀稗能夠適應(yīng)廣西當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和植生混凝土的特殊生存環(huán)境。寬葉雀稗草層茂密，根系發(fā)達(dá)，可作為植生混凝土的植生植被。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

工程應(yīng)用依托于廣西柳州紅花水利樞紐二線船閘工程。為滿足固堤護(hù)岸、美化環(huán)境的需求，在船閘主體段的左右兩側(cè)均采用植生混凝土護(hù)岸。該護(hù)岸采用C25 混凝土框格梁+現(xiàn)澆植生混凝土結(jié)構(gòu)。在施工段澆筑0.30 m 厚的植生混凝土，植生混凝土制備所用原材料及配合比與室內(nèi)試驗(yàn)大致相同，在其表面鋪設(shè)100 mm 厚腐植土，然后播撒寬葉雀稗草籽。具體施工情況見(jiàn)圖11。

圖11 施工情況

植物播種2 個(gè)月后，植生混凝土坡面上的植物覆蓋率已達(dá)到97%～100%，生長(zhǎng)旺盛。除去7～9 月份高溫引起部分植物葉子發(fā)黃外，護(hù)岸全年呈青綠狀態(tài)，環(huán)境優(yōu)美，具體情況見(jiàn)圖12。寬葉雀稗生長(zhǎng)良好，表明植物根系有效的扎根進(jìn)入了混凝土下的土壤層，吸收所需的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并起到了固土護(hù)岸的作用。

圖12 植物生長(zhǎng)情況

4 結(jié) 論

(1)摻加5%苯丙乳液作為膠凝材料等體積替代低堿度硫鋁酸鹽水泥制備苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土，能有效降低混凝土內(nèi)部孔隙溶液的pH 值，適宜植物生長(zhǎng)，且植生性能表現(xiàn)優(yōu)異。

(2)明確了植生混凝土試塊實(shí)驗(yàn)室制備工藝。采用預(yù)裹漿法對(duì)原材料進(jìn)行攪拌，可以得到漿體均勻穩(wěn)定地包裹于集料表面的植生混凝土試塊；采用插搗成型和靜力壓制結(jié)合的方式成型試塊，可以避免膠凝材料沉積于試模的底部，造成混凝土堵塞。

(3)選用50%紅壤+50%營(yíng)養(yǎng)土配制的混合土具有良好的肥力和堿性中和能力，取得了良好的植生效果，滿足生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。采用上置式種植模式的植生混凝土，15 d、30 d堿茅草生長(zhǎng)情況總體優(yōu)于中置式、下置式和植草式。

(4)相較于狗牙根、堿茅草、紫花苜蓿，寬葉雀稗較為適應(yīng)廣西當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和植生混凝土的特殊生存環(huán)境。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程驗(yàn)證，寬葉雀稗可作為苯丙乳液改性再生骨料植生混凝土的植生植被。