生態(tài)混凝土綠色護(hù)坡的植生性與耐久性

王家慶 ,吳健生 ,黃凱健 ,王佳梁

（1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037；2.中煤科工集團南京設(shè)計研究院有限公司，南京 210018）

與傳統(tǒng)護(hù)坡混凝土不同，在強度達(dá)到一定要求的同時，生態(tài)混凝土護(hù)坡材料也能滿足植物生長需求，對于工程中生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土多為骨架—孔隙結(jié)構(gòu)，是選擇特定粒徑的粗骨料，通過漿體膠結(jié)及骨料嵌擠而形成的[1]。大孔隙混凝土材料為水分、土壤、空氣及植物根系提供了連通區(qū)域[2-3]。綜合結(jié)構(gòu)性能和生態(tài)效益，其具有如下特點：生態(tài)混凝土存在較多單獨或連通的孔隙，促進(jìn)了地表水與地下水的轉(zhuǎn)換與循環(huán)，能有效緩解城市地下水水位下降的問題[4-5]；生態(tài)混凝土具有植生性，其大孔隙結(jié)構(gòu)為植被生長提供了必要條件，既可作為垂直綠化墻體及人工浮島的載體，也可用于道路中的邊坡治理，且植物根系具有加筋固坡的作用[6-7]；鋪設(shè)生態(tài)混凝土為動植物提供了棲息地，特別是以微生物為主體的動植物群，保護(hù)了工程用地的生物多樣性。

然而，混凝土材料內(nèi)部較高的堿度會影響植物生長，近年來，針對生態(tài)混凝土植生性影響因素的研究受到廣泛關(guān)注。蔣昌波等[8]通過植生試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)花草種植在骨料粒徑為150～300 mm 的生態(tài)混凝土中時，其抗沖刷性及耐旱性良好，耐淹性與自然土壤中生長的植被基本持平。李化建等[9]、馮乃謙等[10]指出，水灰比與粗集料粒徑級配是影響生態(tài)混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的主要因素，粗集料粒徑越大，孔隙平均孔徑越大，越適宜植物生長。Xu 等[3]研究指出，水泥含量對生態(tài)混凝土中植物種子的萌發(fā)及生長有較大影響，幼苗的存活率隨水泥含量的增加而顯著降低。為提高生態(tài)混凝土的植生性，學(xué)者們提出了多種降堿手段及方法，包括添加外加劑、運用酸堿中和原理、碳化處理及物理降堿等。廖文宇等[11]發(fā)現(xiàn)，外加劑能降低堿度，且較為方便、簡單，同時指出，碳化對植生混凝土具有降堿和提升強度的作用。XRD 分析結(jié)果表明：外加劑具有降低植生混凝土內(nèi)部堿性的作用，且外加劑含量為5%～6%時亦能提高植生混凝土的強度。楊永民等[12]指出，降低多孔混凝土中孔隙的平均孔徑有利于降低混凝土孔隙水環(huán)境的堿性；適當(dāng)增大高效減水劑的摻量或在水泥中摻入一定量的礦物摻合料可降低多孔混凝土孔隙水環(huán)境的pH 值；同時，采用蠟封法可起到固封孔隙液的作用。Gong 等[13]指出，改變膠凝材料的種類可以提高生態(tài)混凝土的植生性，比如硫鋁酸鹽水泥；利用硫鋁酸鹽水泥制備出強度12 MPa以上、孔隙溶液pH 值為8 左右的多孔混凝土。唐瑞等[14]選用粒徑為16～20、20～25、25～30 mm 的粗骨料，分別以普通硅酸鹽水泥、低堿硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥—秸稈粉3 種膠凝材料制備了生態(tài)混凝土，并研究了這3 種膠凝材料的植生性。結(jié)果表明，低堿硫鋁酸鹽水泥制備的生態(tài)混凝土植生性優(yōu)異；在普通硅酸鹽水泥中摻加秸稈粉對堿性物質(zhì)有一定的吸附、中和作用，使內(nèi)部孔隙環(huán)境基本滿足植物生長要求。陳景等[15]研究表明，在28 ℃時，28 d齡期硅酸鹽水泥中86%～97%的堿已經(jīng)釋放出來，經(jīng)長時間暴露后，硅酸鹽水泥硬化漿體中僅保留15%左右的堿，采用FeSO4溶液與Ca(OH)2發(fā)生中和反應(yīng)可降低生態(tài)混凝土的pH 值。高婷[16]研究了草酸浸泡、草酸噴涂、永凝液噴涂和快速碳化等單一降堿方法對生態(tài)混凝土強度及堿度的影響，結(jié)果表明，上述方法可將pH 值降低1～2 左右。

在研究降堿手段的同時，不同草種對生態(tài)混凝土的適應(yīng)性也有待進(jìn)一步探索。商建行[17]研究發(fā)現(xiàn)，草種的生長性能受到孔隙率及水膠比的影響，百喜草在孔隙率為39.45%、平均孔徑達(dá)6.4 mm 的生態(tài)混凝土中生長發(fā)育情況最好；在孔隙率為20%和25%的試件中，狗牙根的覆蓋率隨著水膠比的增大而提升；而在孔隙率為30%時，其覆蓋率隨水膠比的增大表現(xiàn)為先提升后下降的趨勢。聶麗華[18]指出，冷季型和暖季型草種為目前主要應(yīng)用的草種；冷季型草大多原產(chǎn)于歐洲或亞洲的冷涼氣候區(qū)，其生長性狀表現(xiàn)為發(fā)育迅速、成坪快、可播種繁殖，但不耐高溫、需水量大；暖季型草大多產(chǎn)自中國、日本及歐洲，省工，具有較強的適應(yīng)性、耐踐踏性。沈曉丹[19]從輕質(zhì)高強及低堿度的角度出發(fā)，選用頁巖陶粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)粗集料，配制出了透水性良好、強度較高的生態(tài)混凝土，并實現(xiàn)了在屋頂綠化中的工程應(yīng)用。

生態(tài)混凝土的結(jié)構(gòu)不同于普通混凝土，其耐久性破壞通常于結(jié)構(gòu)內(nèi)外同時發(fā)生，且破壞程度遠(yuǎn)大于普通混凝土結(jié)構(gòu)。吳智仁等[20]研究了護(hù)堤植生型生態(tài)混凝土的耐久性能，發(fā)現(xiàn)耐久性指標(biāo)的影響因素既包括內(nèi)因，也包括外因，并指出了多種尺度下耐久性損傷研究的必要性。冷發(fā)光等[21]參照ASTM C1012 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了混凝土抗硫酸鹽腐蝕干濕循環(huán)試驗。汲博生[22]通過對大孔生態(tài)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究發(fā)現(xiàn)，膠凝材料的用量、孔隙率及水灰比均會對大孔生態(tài)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能產(chǎn)生影響，抗硫酸鹽侵蝕能力隨膠凝材料的增加而增強；當(dāng)孔隙率相同時，抗硫酸鹽侵蝕能力隨水灰比的增大而減弱；當(dāng)膠凝材料用量相同時，抗硫酸鹽侵蝕能力隨孔隙率的增大而減弱。在大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土的耐久性能研究中，現(xiàn)階段所開展的大多為常規(guī)的耐久性能檢測，未來還應(yīng)與植生試驗相結(jié)合，研究植生性能對其耐久性能的影響。

綜上所述，目前生態(tài)混凝土的研究存在有待進(jìn)一步解決的問題：普通硅酸鹽水泥制備的生態(tài)混凝土中孔隙液堿性過高，不適合植物生長，既能保證生態(tài)混凝土強度形成、又能提供適宜植生性的有效降堿方法有待被提出；不同草種對不同環(huán)境的適應(yīng)性及耐踐踏性不同，其與混凝土的匹配性還缺乏研究；大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土植生性與耐久性能之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

筆者主要研究大孔隙護(hù)坡用生態(tài)混凝土的植生性能與耐久性能；探究降堿方法對生態(tài)混凝土內(nèi)部堿環(huán)境的影響，提出復(fù)合降堿方法，合理改善混凝土內(nèi)部堿環(huán)境；記錄并分析植物生長狀況，評價生態(tài)混凝土的植生性能，確定與大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土更加匹配的草種；研究大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，分析快速碳化對其性能的影響，并探究植物生長前后生態(tài)混凝土性能的變化規(guī)律。生態(tài)混凝土復(fù)合降堿方法與草種匹配調(diào)控技術(shù)的提出有利于大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土植生性能的提升，可推動“綠色可持續(xù)型”生態(tài)混凝土材料在護(hù)坡工程中的實際應(yīng)用。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土的強度遠(yuǎn)低于普通混凝土，其強度主要來自集料間的嵌擠作用及膠凝材料產(chǎn)生的黏結(jié)作用。水泥強度高有利于提高生態(tài)混凝土的強度。采用強度等級為42.5 的P·II硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分及含量、物理力學(xué)性能見表1、表2。

表1 水泥的化學(xué)成分及含量Table 1 Chemical compositions and their contents of cement %

表2 水泥的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement

粉煤灰：粉煤灰是一種固體廢料，主要來源于燃煤火電廠的排放。從排放的煙氣中回收的細(xì)灰屬于工業(yè)廢渣，具有低火山灰活性。粉煤灰部分代替水泥，以減少水泥用量，可以降低膠凝材料的水化熱及混凝土自身的堿度。試驗所用粉煤灰為I 級粉煤灰，其物理、化學(xué)成分如表3、表4 所示。

表3 粉煤灰的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of fly ash

表4 粉煤灰的化學(xué)成分Table 4 Chemical compositions of fly ash %

硅灰：硅灰主要來源于冶金廠對金屬硅及硅鐵合金的冶煉，是對冶煉產(chǎn)生的煙塵進(jìn)行回收而得到的廢灰，屬于礦物摻合料的一種。采用南京某公司生產(chǎn)的硅灰，通過比表面積儀測定其比表面積為21 500 m2/kg，表觀密度為2 150 kg/m3，其物理性質(zhì)和化學(xué)成分分別如表5、表6 所示。

表5 硅灰的物理性質(zhì)Table 5 Physical properties of silica fume

表6 硅灰的化學(xué)成分Table 6 Chemical compositions of silica fume %

化學(xué)試劑及減水劑：生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)部水環(huán)境呈堿性，主要是由于水泥水化產(chǎn)生了可溶性堿。FeSO4可以與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，形成難溶于水的沉淀。試驗采用噴灑FeSO4溶液的處理方法進(jìn)行降堿，F(xiàn)eSO4是化學(xué)分析純試劑，其性能參數(shù)如表7 所示。試驗采用高性能聚羧酸減水劑改善拌合物的工作性能，減水劑品名為Sika ViscoCrete 325C。

表7 硫酸亞鐵相關(guān)信息Table 7 Performance parameters of ferrous sulfate

粗集料：在大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土制備試驗中，粗骨料的粒徑大小、形狀及級配都會對成型試件的性能產(chǎn)生直接影響，包括孔隙率、透水系數(shù)、孔徑形態(tài)等。依據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）[23]、《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTGE 42—2005）[24]等相關(guān)規(guī)范，綜合考慮大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土與骨料級配粒徑的關(guān)系，試驗全部采用粒徑為19～26.5 mm 的玄武巖碎石集料。由表8 可知，該粗集料的壓碎值為6.2%，含泥量與針片狀含量僅為0.3%、0.6%，符合規(guī)范要求。

表8 粗集料的技術(shù)指標(biāo)Table 8 Technical index of coarse aggregate

1.2 試驗方案及測試方法

1.2.1 試驗方案 復(fù)合降堿方法及試件配合比設(shè)計：前期試驗發(fā)現(xiàn)，內(nèi)摻粉煤灰與硅灰均可以實現(xiàn)大孔隙生態(tài)混凝土堿度的降低；采用硫酸亞鐵溶液進(jìn)行降堿具有可行性，因此，采用復(fù)合降堿（摻合料+FeSO4溶液噴灑）處理措施，對比分析不同情況下pH 值及強度的變化規(guī)律。在配合比設(shè)計過程中，主要考慮兩點因素：1）在滿足強度的前提下，有效孔隙率應(yīng)控制在20%～30%，孔隙率過大會直接影響試件強度，過小則不利于透水性能及植物生長空間，故選用該范圍的上、下限作為兩種目標(biāo)孔隙率。2）水泥用量要少，摻合料摻加量盡可能大，將生態(tài)混凝土試件內(nèi)部pH 值控制在8～10 之間，既保證植物具有可以生長的堿度較低環(huán)境，又保證水化產(chǎn)物的形成和強度發(fā)展。故基于以往的研究基礎(chǔ)，選擇較大摻量的摻合料替代水泥，即硅灰摻量為5%、10%，粉煤灰摻量為30%、40%。

試件配合比設(shè)計如表9 所示。表中組號A 代表目標(biāo)孔隙率為20%的試件，組號B 代表目標(biāo)孔隙率為30%的試件，數(shù)字1 代表對照組（無摻合料），數(shù)字2、3 分別代表摻入5%、10%的硅灰，數(shù)字4、5 分別代表摻入30%、40%的粉煤灰，共10 種不同的配合比。有效孔隙率均接近目標(biāo)孔隙率，滿足試驗要求。除對照組外，其余所有試件均在拆模1 d 后持續(xù)噴灑0.5 mol/L 的FeSO4溶液，該濃度是前期研究發(fā)現(xiàn)的硫酸亞鐵最佳降堿濃度。

表9 試件配合比設(shè)計Table 9 Mixture design of specimens

表10 草種類型及其植物特性Table 10 Types and plant characteristics of grass seeds

生態(tài)混凝土的成型及養(yǎng)護(hù)：生態(tài)混凝土采用“裹漿法”攪拌成型，具體步驟為：1）加入全部粗集料和70%的水，攪拌60 s；2）加入50%的膠凝材料，繼續(xù)攪拌60 s；3）最后加入剩余的膠凝材料和水，再攪拌120 s，攪拌成型后，分3 次加入試模，每一次均需插搗，以防止集料嵌擠不均勻，影響試件的強度及孔隙率。24 h 后拆模，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期。將制備成型的大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度（20±3）℃，相對濕度90%以上）直至測試規(guī)定的養(yǎng)護(hù)齡期。每類試驗均制備3個平行試件。

1.2.2 測試方案 抗壓強度：參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）[25]進(jìn)行抗壓強度測試，試驗采用TYE-2000C 型壓力試驗機，加載速率為0.5～0.8 MPa/s。當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時，停止調(diào)整試驗機油門，直至試件破壞，然后回油。記錄破壞荷載P，kN，試件抗壓強度為P/A，MPa，其中A為受壓面積，mm2。試驗采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件（非標(biāo)準(zhǔn)試塊），根據(jù)規(guī)范，乘以系數(shù) 0.95 所得數(shù)值即為標(biāo)準(zhǔn)試塊7、28 d 的抗壓強度。

孔隙率：大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土孔隙包括連通孔隙、閉口孔隙及半開半閉孔隙。為了滿足植被根莖的生長，需確?？紫兜男纬?。試驗采用排水法，參照日本《透水性混凝土河川護(hù)堤施工手則》[26]測定多孔生態(tài)混凝土的總孔隙率和連通孔隙率，具體步驟：1）將成型好的試件放入烘箱中烘至恒重，然后稱取其在室內(nèi)一般環(huán)境中的質(zhì)量W1；2）將該試件放入靜水天平中浸泡24 h，使其材料處于飽水狀態(tài)，然后稱取其在水中的質(zhì)量W2；3）在水中稱取完成并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室24 h 后，再稱取其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的質(zhì)量W3；4）最后，用排水法測量試件的體積V。則大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土的總孔隙率和連通孔隙率分別為式（1）、式（2）中的P1、P2。

溶出液pH 值：利用堿度釋放原理[27]，采用“溶出法”進(jìn)行pH 值測試，步驟為：選擇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的聚丙烯容器，放入需要測量的試件，定量加入2 L水，保證水面高度高于生態(tài)混凝土試件的上表面，并以塑料膜進(jìn)行密封，防止碳化。24 h 后，采用筆式酸堿計（8685A）測量水溶液的pH 值。

抗硫酸鹽侵蝕性能：參照美國ASTM C1012 標(biāo)準(zhǔn)[28]，進(jìn)行生態(tài)混凝土抗硫酸鹽腐蝕干濕循環(huán)試驗。具體試驗方法：將尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室28 d 后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。循環(huán)制度：室溫條件下，采用0.3、0.5 mol/L 的FeSO4溶液將試件浸泡16 h，取出晾干1 h，采用這兩個濃度對硫酸亞鐵溶液噴灑降堿方法進(jìn)行模擬并對生態(tài)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能受溶液濃度變化的影響進(jìn)行評價；之后，將試件放入80 ℃烘箱中烘干6 h，冷卻1 h 后稱重，測定抗壓強度。一個循環(huán)周期為24 h，強度損失達(dá)到25%為試驗終止判斷依據(jù)，記錄循環(huán)次數(shù)，同時，觀察混凝土表面的破損情況。最后，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同侵蝕齡期試件表面及內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合降堿工藝對堿度和強度的影響

由表11 可以看出，復(fù)合降堿措施在實現(xiàn)降堿的同時也會對大孔隙生態(tài)混凝土的強度產(chǎn)生不利影響，存在強度低于5 MPa 的情況。在孔隙率不同的情況下，孔隙率20%的試件強度高于孔隙率30%的試件。通過A4、A5、B4、B5 組對比分析可得，在“粉煤灰+噴灑FeSO4溶液”的組合條件下，試件強度損失較大。當(dāng)孔隙率為20%時，A4 組的28、56 d強度分別為5.3、5.5 MPa，A5 組分別為5.4、5.7 MPa，兩組強度均略高于5 MPa。而當(dāng)孔隙率提高到30%時，不論是B4 組還是B5 組，28 d 強度均低于5 MPa，盡管后期強度稍有提升，但依然在5 MPa左右。相較于以上結(jié)果，“硅灰+噴灑FeSO4溶液”的組合條件則更加有利一些。根據(jù)A2、A3、B2、B3組的數(shù)據(jù)可知，兩種孔隙率的試件在28、56 d 的強度均在6 MPa 上下，強度提高值為1 MPa 左右。

表11 復(fù)合降堿措施對試件強度和 pH 值的影響Table 11 Effect of combined alkali reducing methods on strength and pH value of specimens

由圖1、圖2 可以發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合降堿措施可以對大孔隙生態(tài)混凝土試件進(jìn)行有效降堿。在不同孔隙率的情況下，與對照組相比，試件pH 值均能夠降低1～2 左右。當(dāng)孔隙率為20%時，pH 值整體呈下降趨勢，其中“粉煤灰”組試件的堿度總體來說更低，28 d 時A4、A5 組的pH 值分別為10.6、10.2，相較于對照組，分別下降了1.2、1.6；而“硅灰”組雖然下降速率更高，但其試件內(nèi)部堿度起點高，所以在到 達(dá)28 d 時A2、A3 組的pH 值分 別為10.5、10.9，與對照組相比，也分別下降了1.3、0.9。當(dāng)孔隙率達(dá)到30%時，pH 值變化規(guī)律無明顯變動，“硅灰”組總體堿度更高，B2、B3 組28 d 的pH 值分別為10.3、10.2，比對照組降低了1.2、1.3；“粉煤灰”組依舊保持著堿度上的優(yōu)勢，B4、B5 組28 d 的pH 值分別降至10.2、9.9，與對照組相比，分別降低了1.3、1.6。

圖1 20%孔隙率試件的pH 值變化Fig.1 pH value change of specimen with 20% porosity

圖2 30%孔隙率試件的pH 值變化Fig.2 pH value change of specimen with 30% porosity

綜上所述，所提出的復(fù)合降堿措施具有可行性，既能實現(xiàn)降堿效果，也能滿足試件最低強度要求。通過與對照組數(shù)據(jù)對比可知，增大試件的孔隙率、減少水泥的用量可以實現(xiàn)一定的降堿效果。其中，“硅灰”組具有更好的效果，強度可大于6 MPa，pH 值可達(dá)到10.5 左右；而“粉煤灰”組雖然堿度可以達(dá)到更低的狀態(tài)，但強度損失更大，甚至不滿足最低強度要求。

2.2 抗硫酸鹽侵蝕能力

2.2.1 硫酸亞鐵濃度對強度的影響 探究不同孔隙率下溶液濃度對試件強度的影響。對孔隙率分別為20%、30%的對照組試件在不同濃度的硫酸亞鐵溶液噴灑下的抗壓強度進(jìn)行測試。試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同濃度硫酸亞鐵溶液噴灑下的強度變化測試結(jié)果Fig.3 Test results of strength change under different concentrations of ferrous sulfate solution spraying

由圖3 可知，不同孔隙率下，強度變化趨勢均為由低到高逐漸遞增，但孔隙率30%的試件總體強度更低。當(dāng)孔隙率為20%時，未降堿處理的試件表現(xiàn)出較高的強度，28 d 可達(dá)10.2 MPa；另外，噴灑兩種不同濃度的溶液進(jìn)行降堿處理的試件表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，濃度高時強度更低；當(dāng)硫酸亞鐵溶液濃度為0.3 mol/L 時，試件強度由7 d 的7.5 MPa 增至28 d 的8.3 MPa；當(dāng)濃度提高到0.5 mol/L 時，試件強度由7.1 MPa 增至7.6 MPa；兩種濃度下，與對照組相比，28 d 強度分別減少了1.9、2.6 MPa。當(dāng)孔隙率提高至30%時，對照組的7、28 d 強度分別為7.8、8.5 MPa；當(dāng)噴灑濃度為0.3 mol/L 的溶液時，強度繼續(xù)下降，7、28 d 強度分別達(dá)到6.8、7.5 MPa，與對照組相比，下降了1 MPa；當(dāng)選擇0.5 mol/L 的溶液時，試件強度最低，7 d 強度為6.5 MPa，28 d 強度僅有7.1 MPa，相較于對照組，28 d 強度減小了1.4 MPa。采用噴灑硫酸亞鐵溶液進(jìn)行降堿的處理方式會導(dǎo)致混凝土試件強度損失，溶液濃度越大，強度損失越多，28 d 強度損失量在2 MPa 左右。這是由于Fe2+不僅會不斷消耗Ca(OH)2，降低強度的同時，也會造成混凝土內(nèi)部堿度下降，而在低于最低堿度值時水泥水化產(chǎn)物會發(fā)生分解，進(jìn)一步導(dǎo)致強度的喪失。因為長期噴灑硫酸亞鐵溶液，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+附著在試件表面，導(dǎo)致表面存在不同程度的鐵銹。

2.2.2 干濕循環(huán)對強度及質(zhì)量的影響 由圖4 可知，選用硫酸亞鐵溶液對大孔隙生態(tài)混凝土試件進(jìn)行干濕循環(huán)處理對不同孔隙率試件的抗壓強度均有較大影響。當(dāng)孔隙率為20%時，15 次循環(huán)后，試件的抗壓強度產(chǎn)生一定的下降，由10.5 MPa 降至9.1 MPa；繼續(xù)循環(huán)至30 次以后，試件強度受到更大的損失，跌至6.8 MPa，共下降了3.7 MPa。當(dāng)孔隙率為 30%時，強度變化更明顯，循環(huán)30 次后，由8.3 MPa 降至4.1 MPa，總共下降了4.2 MPa，且不滿足最低強度為5 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)。在兩種孔隙率下，強度損失率分別達(dá)到了35%和51%。

圖4 干濕循環(huán)對試件強度的影響Fig.4 Influence of drying-wetting cycles on strength of specimens

由圖5 可知，當(dāng)采用硫酸亞鐵溶液進(jìn)行干濕循環(huán)時，由于Fe2+的存在，導(dǎo)致試件質(zhì)量隨著時間不斷增加。進(jìn)行烘干時，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+，并以鐵銹的形式附著在試件表面，導(dǎo)致質(zhì)量增加，試件表面呈紅褐色（圖6）?？紫堵?0% 的試件質(zhì)量由1 935.8 g 增至1 963.2 g，孔隙率30%的試件質(zhì)量由1 666.2 g 增至1 694.3 g，分別增加了27.4、28.1 g。

圖5 干濕循環(huán)對試件質(zhì)量的影響Fig.5 Influence of drying-wetting cycles on mass of specimens

圖6 不同侵蝕齡期下試件的外觀變化Fig.6 Appearance changes of specimens with different erosion ages

2.2.3 微觀侵蝕機理分析 觀察不同侵蝕齡期的試件表面微觀結(jié)構(gòu)可知，采用硫酸亞鐵溶液進(jìn)行干濕循環(huán)后，試件表面覆蓋著一層疏松層（主要為鐵銹），緊緊地依附在層片狀氫氧化鈣的四周。對比圖7（a）、（b）可發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕齡期的增長，侵蝕作用加深，因侵蝕產(chǎn)物的結(jié)晶膨脹而導(dǎo)致混凝土表層疏松層面積增大，宏觀上表現(xiàn)為混凝土試件表面不光潔、掉角，且質(zhì)量呈遞增趨勢。疏松層的出現(xiàn)表明硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象不僅發(fā)生在內(nèi)部孔隙中，也直接對生態(tài)混凝土的表面產(chǎn)生了侵蝕作用。由圖7（c）、（d）可見，試件中存在致密區(qū)域，也存在結(jié)構(gòu)相對疏松的區(qū)域。大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土內(nèi)部大量連通孔隙的存在為的進(jìn)入提供了通道，也為鈣礬石等侵蝕產(chǎn)物提供了生長空間，這也是大孔隙生態(tài)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力較弱的重要原因。當(dāng)侵蝕齡期達(dá)15 d 時，可見少量針片狀鈣礬石晶體生長于試件內(nèi)部水化C-S-H 凝膠體系中。

圖7 不同侵蝕齡期下表面微觀結(jié)構(gòu)及孔隙內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Surface microstructure and pore microstructure at different erosion ages

鈣礬石晶體具有膨脹性和高度的方向性，沿著孔隙邊緣呈放射狀增長。侵蝕前期，少量鈣礬石晶體的產(chǎn)生起到了填充內(nèi)部孔隙的作用，增大了界面的密實度。但隨著侵蝕齡期的增長，鈣礬石晶體不斷地聚集生長，其聚集性和膨脹性愈發(fā)明顯。從圖7（d）可以看出，在30 d 侵蝕齡期時可見大量鈣礬石晶體，且部分晶體由針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L柱狀，孔隙內(nèi)的有效生長空間急劇減少。由于鈣礬石晶體的膨脹性，隨著孔隙內(nèi)生長空間的不斷縮小，晶體之間、晶體與周圍水化產(chǎn)物之間互相擠壓，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，致使內(nèi)部孔隙周圍產(chǎn)生大量微裂縫，最終降低了大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土的整體結(jié)構(gòu)強度。

2.3 植物生長性能

2.3.1 生長高度及生長速度 植物發(fā)芽以后能否順利生長發(fā)育至關(guān)重要，在相應(yīng)的時間段達(dá)到相應(yīng)的生長高度體現(xiàn)了植物對生長環(huán)境的適應(yīng)性，生長速度快、密度大的草種與試件的匹配度更高。在不同條件下，5 種草種的葉片高度及生長速度如表12所示。其中，A 組以大孔隙生態(tài)混凝土試件為生長載體，記為試驗組；B 組以土壤為生長載體，記為對照組。由表12 可知，當(dāng)5 種草種在不同溫度下生長時，總體表現(xiàn)為溫度越高，植物生長速度越快，生長高度越高。當(dāng)生長溫度為5～10 ℃時，A、B 兩組的狗牙根與早熟禾出芽率極低，且生長緩慢，28 d 生長高度仍低于5 cm。A、B 兩組的高羊茅、黑麥草、披堿草發(fā)芽后均可順利生長發(fā)育，A 組高羊茅、黑麥草、披堿草28 d 平均生長高度分別為14、16.5、13 cm，B 組分別為16.5、19、16 cm。由于B 組為自然土壤培育的草種，故整體生長速度快于A 組，A、B組28 d 平均生長高度分別相差2.5、2.5、3 cm。比較20～25 ℃下的植物發(fā)育情況可以發(fā)現(xiàn)，溫度過低會抑制植物的正常生長。

表12 草種生長高度測試結(jié)果Table 12 Test results of growth height of grass seed

由圖8、圖9 可知，在不同的生長溫度下，黑麥草和高羊茅的生長速度均表現(xiàn)為先增大后降低。播種后的7～14 d 屬于植物的快速生長階段，生長速度在此階段達(dá)到頂峰。隨后的14～28 d 內(nèi)，生長速度有所下降，但依舊保持著良好勢頭。在5～10 ℃的生長溫度下，B 組作為對照組，由于具有天然土壤培育的優(yōu)勢，高羊茅與黑麥草的生長速度均快于A組，其中,在初始階段，二者發(fā)芽時間相同，均為6 d，生長高度僅為1 d 的生長量，生長速度相差無幾；黑麥草在7～14 d 內(nèi)的生長速度達(dá)到1.93 cm/d，高羊茅的生長速度也達(dá)到1.78 cm/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他階段的生長速度；之后的14～28 d 內(nèi)，生長速度都開始下降，高羊茅的生長速度為1.0 cm/d，比黑麥草高0.43 cm/d。重點關(guān)注A 組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高羊茅與黑麥草以混凝土試件為生長載體時，生長速度在各個階段都有所下降；在0～7 d 內(nèi)，黑麥草的生長速度基本與B 組草種持平，為0.21 cm/d；高羊茅的生長速度最低，為0.14 cm/d，兩者的值相差0.07 cm/d；在7～14 d 內(nèi)，兩草種處于快速生長階段，生長速度均超過1.0 cm/d，相差0.14 cm/d；在最后的14～28 d內(nèi)，黑麥草與高羊茅分別為0.85、0.71 cm/d，僅相差0.14 cm/d?？梢钥闯?，黑麥草與高羊茅生長速度相差不大，黑麥草略占優(yōu)勢。當(dāng)生長溫度升高到20～25 ℃時，從圖9 中可以看出，各組生長速度的趨勢基本相同，但組內(nèi)差距更加均衡。對于對照組（B組），初始階段高羊茅與黑麥草的生長速度相較于低溫時略有提升，均為0.28 cm/d，提升了0.07 cm/d。在7～14 d 階段內(nèi)，黑麥草生長速度創(chuàng)新高，達(dá)到2.07 cm/d；高羊茅也升高為1.78 cm/d。到最后一個階段，黑麥草生長速度依然下降最多，跌至1.14 cm/d；高羊茅緩慢下降至1.35 cm/d。在這3 個階段，二者生長速度分別相差0、0.29、0.21 cm/d。再分析A 組，總體來看，黑麥草依舊保持著速度上的優(yōu)勢。二者起步相同，在第2 階段，黑麥草的生長速度比高羊茅快0.14 cm/d；到第3 階段時，兩草種生長速度都有所下降，黑麥草降至1.14 cm/d，高羊茅降至0.92 cm/d，黑麥草依然保持0.22 cm/d 的領(lǐng)先。對比可知，以混凝土試件作為生長載體時，植物生長環(huán)境堿度過高，抑制了植物的生長。高羊茅與黑麥草能夠較好地適應(yīng)該環(huán)境，順利完成生長發(fā)育。

圖8 植物在5～10 ℃下的生長速度Fig.8 Growth rate of plants at 5～10 ℃

圖9 植物在20～25 ℃下的生長速度Fig.9 Growth rate of plants at 20～25 ℃

對比圖9 和圖10 的試驗結(jié)果可知，當(dāng)選用降堿后的試件作為植物生長載體時發(fā)現(xiàn)，同為30%孔隙率的試件降堿后植物生長速度得到全面提升，說明堿度的降低有利于草種植生性能的提高。從圖10中可以看出，在采取相同的降堿措施后，孔隙率不同也會對植物的生長速度產(chǎn)生影響，孔隙率較大的試件植物生長速度更快。但是，即便在不同的孔隙率下，黑麥草也一直保持著生長優(yōu)勢。當(dāng)孔隙率為20% 時，在初始階段，黑麥草的生長速度為0.35 cm/d，高羊茅為0.28 cm/d；在7～14 d，黑麥草與高羊茅生長速度均為1.57 cm/d；在14～28 d，生長速度也會同之前一樣開始降低，黑麥草降至1.14 cm/d，高羊茅降至0.85 cm/d。當(dāng)孔隙率為30%時，二者生長速度均有提升，黑麥草在3 個時間段內(nèi)分別提升了0.07、0.14、0 cm/d，狗牙根分別提升了0.09、0.09、0.36 cm/d。與不同溫度下 的A 組相比，B 組黑麥草與高羊茅均展現(xiàn)出良好的生長態(tài)勢（圖11）。綜上，對試件采取降堿措施處理可以提前草種發(fā)芽的時間、提高植被地上高度；增大試件孔隙率也會使植被的發(fā)育環(huán)境有所改善。

圖10 孔隙率及降堿方式對生長速度的影響(20～25 ℃)Fig.10 Effect of porosity and alkali reducing methods on growth rate (at 20～25 ℃)

圖11 黑麥草與高羊茅在降堿處理后的大孔隙生態(tài)混凝土試件中28 d 的生長狀況Fig.11 Growth status of Lolium perenne and Festuca arundinacea in macroporous eco-concrete after alkali reducing treatment at 28 days

2.3.2 植生后混凝土性能變化 大孔隙生態(tài)混凝土實現(xiàn)植生的同時，植物根系在混凝土內(nèi)部的生長發(fā)育也會對試件本身的性能造成一定影響。選擇植物生長良好的組，測量其植生28 d（即試件成型56 d）后強度和孔隙率的變化。試驗結(jié)果如圖12所示。

圖12 植生前后抗壓強度及孔隙率的變化規(guī)律Fig.12 The changes of compressive strength and porosity before and after planting

由圖12 可知，在種植黑麥草與高羊茅前后，大孔隙生態(tài)混凝土試件強度變化不大，約0～0.2 MPa的差距。當(dāng)孔隙率為20%時，“高羊茅”試件在種植前后強度均為9.5 MPa，“黑麥草”試件強度均為9.4 MPa。當(dāng)孔隙率為30%時，“高羊茅”與“黑麥草”試件在種植前后強度均保持不變，“高羊茅”試件的強度分別為8.7、8.6 MPa，“黑麥草”強度則為8.4、8.6 MPa，在植生前后兩組試件的強度差距很小。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，兩種植物的生長發(fā)育對試件強度的影響很弱。究其原因，黑麥草與高羊茅在生態(tài)混凝土內(nèi)部的生長環(huán)境受限，后期營養(yǎng)不足，根系發(fā)育受到一定限制，根系的強度無法對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞。大孔隙生態(tài)混凝土的孔隙率在植生前后存在一定變化。試件制備成型后，實際孔隙率與目標(biāo)孔隙率存在一定差距。經(jīng)實測，“20%”組的實際孔隙率分別為19.8%、20.2%，“30%”組分別為30.5%、29.7%。種植高羊茅以后，“20%”和“30%”組的孔隙率分別降至18.5%、28.1%；種植黑麥草以后則分別降至18.7%、28.3%。植生試驗對試件的孔隙率存在影響，植生后孔隙率降低,主要是因為外界因素的影響，而非混凝土本身結(jié)構(gòu)的變化。對植生后的試件進(jìn)行測量時，孔隙內(nèi)有營養(yǎng)土、根系殘余，無法將其全部清理干凈，且高羊茅與黑麥草的根系還不足以改變試件內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，所以這兩種植物生長對試件孔隙率的影響可忽略。

3 結(jié)論

在滿足強度要求的基礎(chǔ)上，大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土較適宜植物的生長發(fā)育，能實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的改善。提出了復(fù)合降堿方法并選取合適草種進(jìn)行植生試驗，測試植生性能；結(jié)合硫酸亞鐵溶液降堿工藝，探求其抗硫酸鹽侵蝕的性能，并通過植生前后試件性能的變化對混凝土的耐久性能進(jìn)行評價。主要結(jié)論如下：

1）摻合料的摻入能夠改善混凝土性能，其中40%粉煤灰和10%硅灰為最佳摻量，28 d 的pH 值可降至10.5 左右。復(fù)合降堿方法最優(yōu)組合為“內(nèi)摻10%硅灰+噴灑0.5 mol/L 的硫酸亞鐵溶液”，最低pH 值達(dá)到10.2，且試件抗壓強度可保持在6.2 MPa。

2）在干濕循環(huán)條件下，大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土?xí)l(fā)生硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象，抗壓強度損失較多，是耐久性能中的薄弱點。綜合分析認(rèn)為，大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土不適宜在硫酸鹽侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)推廣使用；由于高羊茅與黑麥草的生長發(fā)育對大孔隙護(hù)坡生態(tài)混凝土性能的影響很小，建議在實際工程中主要考慮其植生效果的優(yōu)劣來選用。

3）試件的孔隙率越大，堿度越低，植被的生長狀況越好；當(dāng)試件孔隙率選擇為30%，并采取合理的降堿工藝時，植被的生長效果最優(yōu)。經(jīng)過植生試驗，生長狀況好壞排序為：黑麥草>高羊茅>披堿草>狗牙根>早熟禾。高羊茅、黑麥草與大孔隙生態(tài)混凝土更匹配，且適用于粗放管理。