基于凈漿浸泡法的植生混凝土降堿處理試驗(yàn)研究*

鄧方園，于寶國，張鴻濤，楊福儉，陳代果,3

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010； 3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

0 引言

隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，普通混凝土帶來的一系列生態(tài)問題已不容忽視，為協(xié)調(diào)城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系，植生混凝土得到了廣泛應(yīng)用。植生混凝土是為構(gòu)建海綿城市引入的新型建筑材料，屬于生態(tài)環(huán)保混凝土[1]。植生混凝土結(jié)構(gòu)可分為植被層、表面覆土層、中間透水混凝土層[2]。已有學(xué)者對(duì)植生混凝土物理力學(xué)性能、護(hù)坡性能、降堿措施等進(jìn)行了研究，如汪健等[3]考慮了水灰比、振搗方式及外加劑的影響，分析了植生混凝土滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度及孔隙率變化規(guī)律，得出了適宜的制備方案；石云興等[4]提出制備植生混凝土?xí)r應(yīng)主要考慮骨料粒徑與級(jí)配、骨膠比、水膠比的影響，并盡量選用低堿性膠凝材料；馬秋娟等[5]對(duì)生態(tài)混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，膠結(jié)材料影響生態(tài)混凝土配合比、強(qiáng)度和孔隙特性，根系可利用孔隙中的少量營養(yǎng)物質(zhì)穿過生態(tài)混凝土；王玉軍等[6]對(duì)再生骨料植生混凝土植物生長特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，上置式與中置式相結(jié)合的種植模式有利于提高植物存活率，適量的硫酸亞鐵溶液降堿效果較好；秦文博等[7]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著水膠比、粉煤灰摻量的增加先增大后減小，且水膠比宜為0.26～0.3；章海明[8]對(duì)植生混凝土護(hù)坡性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用植生混凝土護(hù)坡后，邊坡抗沖刷性、穩(wěn)定性均有所提高，且植物生長情況良好；于鵬飛[9]通過模擬降雨試驗(yàn)，研究了2種護(hù)坡形式下植生混凝土截留表層土、反濾特性及吸附除雜能力，結(jié)果表明，在雨水沖刷下，植生混凝土可有效提高邊坡穩(wěn)定性；陳代果等[10]選取3種不同粒徑粗骨料、2種坡度及4種土體對(duì)植生混凝土護(hù)坡作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在植生混凝土表面設(shè)置覆土層時(shí)，可減少約85%的土壤損失；王鳳池等[11]研究了植生混凝土降堿技術(shù)，結(jié)果表明，草酸、硫酸亞鐵及超細(xì)礦粉均可有效降低混凝土pH值，而酸性溶液降堿效果不明顯；吳光軍等[12]研究了粉煤灰、硅灰及偏高嶺土對(duì)抗壓強(qiáng)度和pH值的影響規(guī)律，結(jié)果表明，單摻粉煤灰、硅灰及偏高嶺土植生混凝土28d抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)10MPa，90d孔隙液pH值降至11.6左右，滿足實(shí)際工程施工要求。

目前，雖對(duì)植生混凝土開展了相關(guān)研究，但仍存在較多的實(shí)際問題亟待解決。植物生長情況是評(píng)定植生混凝土性能最重要的指標(biāo)之一，由于混凝土在澆筑養(yǎng)護(hù)過程中因水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生了大量堿性物質(zhì)，導(dǎo)致孔隙內(nèi)部呈高堿性，不利于植物生長。因此，本文在保證前期植生混凝土物理力學(xué)性能一定的情況下，選取3種不同降堿方式對(duì)其進(jìn)行處理，通過分析不同時(shí)段混凝土pH值變化規(guī)律，評(píng)定降堿方式實(shí)際效果，為植物選取提供依據(jù)。

1 植生混凝土的制備

膠凝材料選用普通硅酸鹽水泥和低堿性硫鋁酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑16～20mm當(dāng)?shù)厮槭?，表觀密度為2 668.8kg/m3。礦物外摻料為硅灰，按水泥用量的5%添加。秸稈粉選取10目玉米秸稈粉末，按水泥用量的2%添加。減水劑和膠黏劑分別按水泥用量的1%，2%添加，拌合水為普通自來水，采用造殼法拌制，24h脫模后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，配合比如表1所示。

表1 植生混凝土配合比 kg·m-3

2 植生混凝土物理力學(xué)性能

對(duì)植生混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、孔隙率進(jìn)行測定，結(jié)果如表2所示?？箟簭?qiáng)度試件為邊長150mm立方體，測定步驟按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，孔隙率通過浸水法測定，透水系數(shù)按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定確定。

表2 植生混凝土物理力學(xué)性能

由表2可知，3種植生混凝土實(shí)測孔隙率均為30%左右，透水系數(shù)均>20mm/s，滿足規(guī)范要求。由于秸稈粉會(huì)引起植生混凝土抗壓強(qiáng)度降低，所以B1～B3組植生混凝土抗壓強(qiáng)度最低。采用低堿性膠凝材料制備的植生混凝土最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.17MPa，最小為4.19MPa。采用普通膠凝材料制備的植生混凝土最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.39MPa，最小為4.75MPa。采用低堿性膠凝材料制備的植生混凝土抗壓強(qiáng)度雖有所降低，但降低幅度較小，說明低堿性膠凝材料可替代普通膠凝材料。

3 降堿處理

3.1 酸堿度測定方法

固液萃取法是測定混凝土pH值常用方法，由于混凝土中未水化充分的水泥顆粒水化后會(huì)釋放堿性物質(zhì)，導(dǎo)致測定的pH值普遍高于實(shí)際值。為保證混凝土酸堿度測定準(zhǔn)確，本試驗(yàn)采用凈漿浸泡法，首先制作邊長20mm立方體凈漿試件，養(yǎng)護(hù)后密封在盛有2 500mL蒸餾水的廣口瓶中，通過測定浸泡后蒸餾水pH值反映混凝土孔隙間的酸堿度[13]。

3.2 降堿方式與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土內(nèi)部堿環(huán)境對(duì)植物生長起關(guān)鍵作用，高堿度不利于植物根系發(fā)展。因此，對(duì)混凝土內(nèi)部高堿性環(huán)境進(jìn)行降堿非常重要，通過有效的降堿處理，既可促進(jìn)植物生長，又能節(jié)約成本。

1)低堿性膠凝材料降堿

為從根本上降堿，采用低堿性硫鋁酸鹽水泥等量替代普通硅酸鹽水泥。測得由普通硅酸鹽水泥制備的植生混凝土pH初始值為12.5，呈高堿性，而由低堿性硫鋁酸鹽水泥制備的植生混凝土pH初始值為7.5，呈弱酸性。采用低堿性硫鋁酸鹽水泥制備邊長150mm立方體植生混凝土試件，24h成型脫模后分別測定養(yǎng)護(hù)7，14，28，40，60d后的pH值。

2)外摻秸稈粉降堿

我國秸稈粉產(chǎn)量大，直接焚燒會(huì)對(duì)空氣造成污染，可將秸稈粉作為外摻料制備混凝土。因此，在普通硅酸鹽水泥中混合一定量秸稈粉，研究摻加秸稈粉后混凝土pH值變化規(guī)律，從而了解秸稈粉應(yīng)用效果，為其進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。選用綿陽市某農(nóng)田自產(chǎn)玉米秸稈，粉碎后分篩出10目粉末，按水泥用量的2%添加。首先將水泥、硅灰、外摻料、秸稈粉與粗集料混合均勻，然后分次倒入水中拌制，拌制完成后裝入邊長150mm立方體模具中，24h成型脫模后分別測定養(yǎng)護(hù)7，14，28，40，60d后的pH值。

3)碳化降堿

碳化是混凝土常見的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于普通鋼筋混凝土構(gòu)件，應(yīng)盡量減小碳化程度，防止鋼筋加速銹蝕。對(duì)于未配置鋼筋的素混凝土構(gòu)件，碳化可提高部分性能?；诖?，首先制備4個(gè)邊長150mm立方體混凝土試件，養(yǎng)護(hù)完成后記錄pH初始值；然后放入NJ-HTX型碳化試驗(yàn)箱中，將試驗(yàn)箱內(nèi)的濕、溫度調(diào)節(jié)至標(biāo)準(zhǔn)值；最后打開閥門充入二氧化碳，將氣閥出口壓力調(diào)至0MPa，壓力表維持為0.01MPa，同時(shí)啟動(dòng)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度檢測和二氧化碳檢測功能。植生混凝土試件在試驗(yàn)箱中放置1，3，7，14d后分別測定pH值與抗壓強(qiáng)度。

4 降堿效果分析

1)低堿性膠凝材料降堿

采用低堿性膠凝材料降堿后植生混凝土pH值變化曲線如圖1所示。由圖1可知，對(duì)于由普通硅酸鹽水泥制備的植生混凝土，養(yǎng)護(hù)初期pH值已>13，隨著齡期的增加，pH值呈下降趨勢，7～14d齡期降幅稍大，隨后降幅減?。?0d齡期pH值較7d時(shí)下降約13%，但仍>11，可見隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土孔隙間的高堿性環(huán)境未得到有效改善，且經(jīng)長時(shí)間放置，混凝土表面出現(xiàn)嚴(yán)重的泛堿現(xiàn)象(見圖2)，大多數(shù)植物在該環(huán)境下無法正常生長。降堿后的植生混凝土養(yǎng)護(hù)初期pH值為7左右，接近中性狀態(tài)；隨著齡期的增加，混凝土pH值緩慢增大，28d齡期pH值較14d齡期僅增大約2.7%，60d齡期pH值達(dá)最大，為7.5，較7d齡期僅增大了4%，基本保持在中性狀態(tài)，且混凝土表面未出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，該環(huán)境適于植物生長。

圖1 植生混凝土pH值變化曲線(低堿性膠凝材料降堿)

圖2 混凝土表面泛堿

2)外摻秸稈粉降堿

摻加秸稈粉植生混凝土pH值變化曲線如圖3所示。由圖3可知，摻加秸稈粉后，植生混凝土pH值下降較明顯，尤其是在7～14d，40～60d齡期段，pH值降幅較大；養(yǎng)護(hù)初期混凝土pH值為12.7，60d齡期時(shí)降至最小值9.4，這是因?yàn)榻斩挿蹫槿跛嵝晕镔|(zhì)，其自身化學(xué)性質(zhì)可起中和堿性物質(zhì)的作用，且秸稈粉遇水體積變大，在膨脹過程中可吸附堿性物質(zhì)，從而降低混凝土pH值。由此可見，秸稈粉作為外摻料可有效改善孔隙間的高堿性環(huán)境，但最終pH值>9，屬于較高堿性環(huán)境，因此，應(yīng)盡量種植耐堿性植物。除此以外，需對(duì)秸稈粉摻量問題進(jìn)行深入研究，旨在找到較適宜的摻量，進(jìn)一步降低植生混凝土pH值。

圖3 植生混凝土pH值變化曲線(外摻秸稈粉降堿)

3)碳化降堿

碳化降堿后植生混凝土pH值變化曲線如圖4所示。由圖4可知，碳化1d后植生混凝土pH值為12.4，碳化3～7d時(shí)pH值下降較明顯，幅度約為9%，其他碳化時(shí)段降幅較?。惶蓟?4d時(shí)pH值降至最低，但仍為11左右，仍為高堿性環(huán)境，不宜種植植物。由此可見，碳化對(duì)植生混凝土降堿效果較差。

圖4 植生混凝土pH值變化曲線(碳化降堿)

采用普通硅酸鹽水泥制備的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度初始值為5.41MPa，碳化1d時(shí)抗壓強(qiáng)度為5.33MPa，降低了0.08MPa，變化較??；碳化3d時(shí)抗壓強(qiáng)度較初始強(qiáng)度提高了約10.4%，達(dá)5.97MPa；碳化7，14，28d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別為4.81，4.49，4.22MPa，可知隨著碳化時(shí)間的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢，碳化28d時(shí)達(dá)最小值，較初始強(qiáng)度下降約22%。造成上述現(xiàn)象的原因可能是混凝土表面水泥顆粒水化充分，生成大量氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，使初期抗壓強(qiáng)度暫時(shí)提高；隨著氫氧化鈣等產(chǎn)物與充入的二氧化碳不斷反應(yīng)，生成碳酸鹽等產(chǎn)物，此過程屬于化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，碳酸鹽等產(chǎn)物導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。碳化對(duì)植生混凝土內(nèi)部環(huán)境未起到明顯的改善作用，雖可在短時(shí)間內(nèi)提高混凝土抗壓強(qiáng)度，但隨著時(shí)間的推移，混凝土抗壓強(qiáng)度削弱明顯，無法精確把握碳化時(shí)間。因此，不建議采用碳化方式降堿，且應(yīng)采取措施避免植生混凝土發(fā)生碳化。

綜上所述，低堿性膠凝材料降堿效果較好，進(jìn)一步研究后可推廣應(yīng)用，外摻秸稈粉降堿效果次之，碳化降堿效果不理想。

5 結(jié)語

為解決植生混凝土內(nèi)部高堿性問題，本試驗(yàn)采用3種不同方式降堿，并對(duì)植生混凝土pH值變化規(guī)律進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論。

1)采用普通硅酸鹽水泥制備的植生混凝土孔隙間呈高堿性，且表面出現(xiàn)不同程度的泛堿現(xiàn)象，既不利于植物生長，又影響了美觀。

2)采用低堿性膠凝材料制備的植生混凝土60d齡期pH值呈中性，有利于植物生長，可知低堿性膠凝材料降堿效果較好，進(jìn)一步研究后可推廣應(yīng)用。

3)與低堿性膠凝材料降堿相比，外摻秸稈粉降堿效果稍差，但摻加一定量秸稈粉后，植生混凝土pH值下降明顯，60d齡期降為9.4，較初始值降低約26%。通過外摻秸稈粉降堿時(shí)，應(yīng)盡量種植耐堿性植物，需對(duì)秸稈粉摻量問題進(jìn)行深入研究。

4)碳化降堿效果較差，不利于改善植生混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境，碳化14d混凝土pH值仍為11左右，不利于植物生長。隨著碳化時(shí)間的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度基本呈下降趨勢。因此，不推薦使用碳化降堿方式。