浅谈植生混凝土的研究与应用

浅谈植生混凝土的研究与应用 浅谈植生混凝土的研究与应用 江淮水利科技?2007年第3期 浅谈植生混凝土的研究与应用 詹镇峰李从波1 (广州大学工程材料研究所广东广州510006) 张梅z (?广东省水利水电科学研究院广东广州510610) 摘要由于植生混凝土的特殊功能,已成为保护环境,解决水土流失,水质净化,退化 生态环境的修复和重建的理想材 料.本文作者在收集国内现有的研究成果基础上,系统地介绍了植生混凝土的概念, 技术特点,研究状况以及存在的问题, 以供同行参考. 关键词植生混凝土研究应用 随着混凝土的可持续发展,人们不仅利用混凝土的结构性 能,也逐渐追求它的其它功能如生态陛,智能性等,具有生态效 应的植生混凝土便应运而生.由于植生混凝土的特殊功能,已成 为保护环境,解~g-I-_流失,水质净化,退化生态环境的修复和 重建的理想材料,在日本,欧洲等国家得到了较为广泛的应用. 随着国民经济持续发展,我国已进入工程建设的高峰 期,工程建设尤其是水利,交通等大型工程,不可避免地会 破坏原有区域的生态环境.鉴于目前的生态状况,国内已有 不少的研究机构对植生混凝土进行了研究,力图推广植生混 凝土在工程中的应用,改善已逐渐恶化的生态环境.本文作 者在收集现有的国内外研究成果基础上,系统地介绍了植生 混凝土的概念,技术特点,研究状况以及存在的技术问题, 以供同行参考,促进该项技术在我国的进一步发展. 1植生混凝土种类与构造 植生混凝土也称植被混凝土或绿化混凝土,从构造上来 看,可分为孔洞型,多孔连续型,孔洞型多层结构等三种形 式.孔洞型绿化混凝土实体部分与传统混凝土相同,只是在 混凝土块体上设计一定比例的孔洞,为绿色植物生长提供空 间,其明显的一个缺陷是绿化面积小.孔洞型多层结构绿化 混凝土为:上层为多孔洞混凝土板,底层为凹槽型,上层与 底层复合,中间形成一定空间的培土层.这种绿化混凝土多 数是应用于城市楼房的阳台,院墙顶部等不与土壤直接相连 的部位,可增加城市的绿化空间,美化环境.严格上来讲, 以上两种并不是真正意义上的植生混凝土. 本文所提及的植生混凝土是多孔连续型混凝土,它是以 多孔混凝土为基本构架,内部存在着一定比例的连通孔隙, 为混凝土表面的绿色植物提供根部生长,吸取养分的空间. 其基本构造主要由多孔混凝土骨架,保水填充材料,表面土 等组成,见下图所示,它适合于大面积,现场施工的绿化工 程,尤其是大型工程的景观修复等. 4 植生混凝土结构示意图 1一植物;2一泥土;3一多孔砼;4一肥料及保水材料 2植生混凝土的技术特点 植生混凝土具有保护环境,改善生态条件,基本保持原 有防护作用等功能.植生混凝土的功能来源于其结构特点, 连通的孔隙为植物生长提供空间,并可储存植物生长养分和 水分,同时,植生混凝土具有一定的强度,用于护坡,护堤 时,可防止水土流失,具备原有防护功能. 3植生混凝土的研究状况 植生混凝土的研究大致可分为三大内容:(1J多孔混凝土 构架的制作;(2)多孔混凝土内部碱环境的改造以及植物生长 基质的配制;(3)植生混凝土的应用技术.从收集的文献来 看,研究集中在(1)和(2). 3.1多孔混凝土 多孔混凝土也称无砂混凝土(Non.fineconcmm),其材料构成 为水泥淇它胶结料),粗骨料,水以及外加剂(或添加少量聚合 物).粗骨料可以是普通碎石,也可以是废弃混凝土块或陶粒. 制作用于植生的多孔混凝土要解决的问题有两个:一是 多孔混凝土的抗压强度和孔隙率分别要达到什么量的要求; 二是多孔混凝土的配合比如何设计和成型 收稿日期:2007—4—6 作者简介:詹镇峰(1964.一).男,高级工程师,主要从事建筑材料的研究及检测试验 工作. 24浅谈植生混凝土的研究与应用?詹镇峰李从波张梅 混凝土的孑L隙率与抗压强度是矛盾体,孑L隙率大,有利 植物生长,但强度降低.如何确定混凝土的孑L隙率和强度 值,满足工程需要,日本生态混凝土护岸工法规定,对以植 生为主的护岸,28d多孑L混凝土的抗压强度要求在10MPa以 上,孑L隙率在21%,30%之间;对于承受流水严重冲刷的植生 型护岸,28d多孑L混凝土的抗压强度要求在18MPa以上,孑L隙 率在18%,21%之间.但高建明8)等人认为连续孑L隙率低于20% 时,植物根系难以穿透多孑L混凝土的空隙深人到土壤中,因 此,实际工程中,应根据工程所处的环境条件,合理选择多 孑L混凝土的强度和孔隙率. 多孑L混凝土的配合比设计与成型工艺不同于普通混凝 土,目前国内仍没有相应的试验规程可执行.刘海峰等人借 鉴日本有关植生型多孑L混凝土的配合比设计思路,提出:粗 集料在紧密堆积情况下,经胶结料浆体填充均匀包裹后粘结 在一起,凝固后就形成了连续多孑L结构,余下的孑L隙空间即 是目标设计的孑L隙.即:胶结料浆体体积+粗骨料体积+目 标孑L隙体积:1m3. ++Vvo:1 式中 —— 胶结料浆体体积(1/m3); —— 碎石紧密堆积孑L隙率(%); —— 设计目标孑L隙率(%). 由公式(1)便可算出在设定目标孑L隙率下的水泥浆体积, 然后根据水灰比的大小计算出胶结料的用量. 多孑L混凝土搅拌工艺对强度和空隙率的大小有一定的影 响,蒋正武(4)等人比较了两种搅拌工艺对孑L隙率和强度的影 响,两种搅拌工艺分别是:(1)一次加料法,即将称量好的胶 结料,骨料,~t,JJn剂等放人搅拌机中搅拌,然后再加水搅 拌;(2)水泥裹石法,即先将骨料用部分水湿润表面,再加胶 结料搅拌,最后再加水搅拌.结果表明水泥裹石法可明显提 高强度,孑L隙率略有所下降,认为是值得推广的搅拌工艺. 普通混凝土为达到一定的密实度,一般采用振动成型工 艺,显然该工艺不适合于多孑L混凝土,多孑L混凝土的成型方 法宜采用压实法,现场施工时采用碾压工艺. 3.2植生混凝土 植生混凝土是在多孑L混凝土的基础上,进行构件的设 计,碱环境的改造,植物生长基质的配制和充填,使之能适 合植物的生长. 3.2.1构件设计 应用植生混凝土可以是预制构件或现场施工,预制构件形 状可以根据工程状况自行设计,但必须满足构件最小厚度要 求,董建伟(1)提出最小厚度为:在无土或贫瘠土地上铺设 时,建议按公式t=100/(kXb)估算厚度,式中:t为植生混凝 土的厚度(mm),b为孑L隙率,k为充填系数,一般为0.8,0.9左 右.公式的含义为:孑L隙内至少充灌相当于100mm,l~的土壤. 3.2.2碱环境改造 多孑L混凝土孑L隙内碱环境的改造是该项技术的核心之 一 ,在日本,用于植生混凝土的胶凝材料是低碱度高炉B,C 型水泥资源,用该类型的水泥配制出的多孑L混凝土,其表面 pH值在8,9左右,适合植物生长而我国缺乏低碱度水泥资 源,一般采用普通硅酸盐水泥配制多孑L混凝土,孑L隙问的水 环境未经改造,其pH值高达12.5—13.5,影响植物生长,这也 是该项技术的瓶径之一. 混凝土孑L隙内碱的来源有三条途径(2):(1)水泥水化时产 生的氢氧化钙,氢氧化钙在水泥固相中约占20%,25%;(2)生 产水泥的原料粘土和燃料煤引人的Na+,l(+,碱度通常折合为 Na2O计算,一般占水泥重量的0.6%,1,0%左右;(3)外加剂引 人的碱.显然对碱度贡献最大的是氢氧化钙 混凝土孑L隙内碱环境的改造应遵循以下原则:(1)不影响混 凝土结构稳定性;(2)满足植物生长条件;(3)充分而合理地利用 混凝土中的各种元素;(4)保持孑L隙内水环境的动态平衡 改善孑L隙内的碱环境可归纳为化学方法和物理方法,化 学方法是利用掺人某些物质与氢氧化钙反应,降低碱度.具 体的掺人物有:(1)矿物~'t'JJnN(粉煤灰,矿渣,硅粉等),利 用矿物~t'JJn剂与氢氧化钙的二次反应,消耗氢氧化钙,降低 碱度.高建明等人用掺矿物外JJnN来降低混凝土内部的pH 值,其中以掺硅粉的效果为最佳,28d时,pH值可降到10以 下;(2)喷洒或浸人FeSO溶液.FeSO4与Ca(OH)2反应生成 Fe(OH)或Fe(OH),最后氧化成FeO3,达到降低pH值的目 的.物理方法是采用延长自然养护时间或在混凝土上喷洒一 层成膜剂,防止混凝土表层~~JOH一影响植物的生长.如丁旭 东等人研制出以石蜡乳液为主要成分的植生混凝土表面成膜 剂,可喷于养护u,~l'n7短的多孑L混凝土,使之在混凝土表面, 孑L隙表面形成均匀的石蜡保护层. 3.2.3植物生长基的配制 植物生长基是指在多孑L混凝土孑L隙内填充的材料,是植 物的根系赖以附生的载体,为植物生长提供养分和水分配 制植物生长基质应具备良好的物理化学和生物学特性,具备 质轻,通透性好,保肥保水能力强,酸碱度适宜,材料易 得,无毒害成分及有害微生物等. 植物生长基可以认为是人造土壤,包括t草碳土,蛭 石,珍珠岩或木屑等基本材料和保水剂,肥料生长基的配 制可因植物种类不同而不同,生长基的填充方式可以足压力 灌浆的形式或浸渍方式. 4植生混凝土的应用 植生混凝土的应用对象主要是河道的护岸和公路边坡的 护砌,据文献(5)介绍,截止N2om年,在日本全国河道护岸 的施工面积211000m2中,采用绿化混凝土的约为40000m,约 占19%.而在我国有关应用的报道甚少,仅有上海,天津,吉 林,安徽等地试验性应用. (1)2003年上海引进日本绿化混凝土技术,在嘉定区西江 的河道整治工程中选择了500m长的河道进行试验,该工程护 浅谈植生混凝土的研究与应用?詹镇峰李从波张梅 坡坡度为1:2.50,在高程1.80—3.20mfl~斜坡范围内铺设绿化 混凝土预制块,并设置了素混凝土格埂,以加强整体性.绿 化混凝土预制块的厚度有25mm和16mm两种,绿化混凝土上 的客土厚度为2,3cm.在常水位以上的区域播种白三叶,狗牙 根和结缕草,在常水位以下栽种千屈菜和黄昌蒲,喷播后 7,1Od,草发芽变绿,两个月后,水生植物开花.施工一年 后,绿化混凝土的表面长出了大量的野生杂草,长势喜人. (2)2001年5月,吉林水利实业公司在吉林省梅海河口市城 区防洪堤迎水面进行了绿化混凝土护砌实验.实验规模长 909m宽5.4m,计4908.6m,采用六角形构件.对边距52cm, 厚度lOcm.播种两个月后,植草的草叶最长为6,8cm,草根穿 透混凝土板,同时,经过一场雪后,绿化混凝土上的草仍能 生存,其抗冻性能好于地面直播草. 此外,天津,合肥等地也有试验性应用工程. 5存在的问题 从目前的研究与应用状况来看,我国在植生混凝土方面 的技术仍处于实验性阶段.如进一步推广应用,还必须解决 以下各个环节的技术问题,形成成套技术. (1)解决好多孔混凝土的制作技术.其中包括:多孔混凝 土的配合比设计,成型设备,工艺; (2)提出多孔混凝土适合植物生长的孔隙率和等效孔径的 范围; (3)多孔混凝土内部孔隙碱环境的改造技术,植物生 长土的配制和充填工艺; (4)根据植生混凝土的应用对象,提出多孔混凝土的最小 厚度或构件型式; (5)进一步对植生混凝土后期植物生长状况的观察和多孔 混凝土的耐久性问题; (6)出台相应的技术规程和应用规范 参考文献 1.董建伟等.多孔连续型绿化混凝土主要特性协f究.叶|酬水利.2003.6 2.董建伟.随机多孔型绿化混凝土孔隙内盐碱性水:境及改造..林水 利.2003.1o 3.董建伟等.随机多孔型绿化混凝土主婴,f环境计q造特t林水 利,2003.8 4蒋JF武等.若}=因素对多孔透水混凝土镝B的彤ll建筑料报, 2005.10 5.卫明.绿化混凝土的丛本特性发j道f:的脯川.j海水务. 2005.2l 6.孙永军.环保型绿色植被混凝土的I:发'j应川.水利水IIz技术,2004.1 7.丁旭东等.绿化混凝土的研究和膻H】.新型建筑材料,2005.5 8.高建明等.植生型多孔混凝士能的bt:-~.江苏大学学E1然科学版), 2005 9.樊建超等.植物相容型生态混凝土的制备试验与研究.福建林业科 技,2005 l0.孙道胜等.尤砂大孔绿化混凝土制备的初步研究.安徽址筑[业:院 (Et然科学版)2004 l1.刘海峰.环境友好型植物生长多孔混凝土的研究Lj臆用.f坝I:7:6't论 文J.南京:东1韵大学2Oo4 曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲曲抽扼赫赫L她t?m,??r她,r, (上接第6页)滑坡现象.当堤基复盖层厚度处于临界状态时 (5-6m),堤外水塘会削弱复盖层的铺盖防渗作用,堤内水塘 就可能出现塘底冒沙现象.若进一步导致堤基中的粉细沙层 的水平移动,将引起堤身塌陷而溃决,故填塘固基是加固堤 基普遍采用的措施. 3存在的问题及建议 尚待研究的问题是填塘范围究竟多大比较合适?填塘土料 是否需要适当选择?安徽省长江各堤段加固设计中确定的填塘范 围都比较大,并不一至.例如芜当江堤加固工程初步i殳汁中规定 以下原则:对于呈二元结构的堤基,凡堤内侧距堤脚80m范围内 的渊塘,一律填平至附近地面以上0.5m(为予留沉降量),对于单 一 粘土性土堤基,填塘宽度减少为50m.距离堤外坡脚15~30m以 内的堤外渊塘亦根据塘底复盖层厚度和堤身高度确定是否回填. 塘底复盖层厚度大于3m且堤身高度不大,堤段的外塘则不必回 填.这一规定对外塘塘底复盖层的土类以及堤身高度的划分并不 明确.而且对填塘土料也无明确要求.填塘工程量高达400万 m3 ,为堤身加高培厚工程量的1.92倍.安庆地区水利局在1998年 汛后陆续编报并获得省水利厅批准的枞阳江堤局部堤段填塘固基 的应急设计文件四个,填塘范围扩大到堤后150~200m,(水力冲 填江沙)填方量达185万rn3,为相应堤段加高培厚土方量fl~48倍, 批准投资高~2555万元.堤内填塘范围愈大愈安全似乎已成为防 汛人员的共识.对于水力冲填江沙来说,这是正确的,但如此巨 大的投资是否必要?就值得研究了.若堤内填塘的土料是粘粒含 量较多的重粉质壤土或粘土,其效果可能适得其反,因为原来堤 后的水塘都是堤基渗透水的出逸点.若用粘粒含量较多的土填 塘,渗水通道被堵塞,堤内坡脚附近部位复盖层底的承压水头必 然增加,该部位渗水冒沙的危险性就会增加, 笔者认为堤外填塘范围取30m比较适台,至于塘底复盖层 厚度超过3.Om的是否需要填没,要根据塘底复盖层的土质确 定,如果该土层粘性较大而且该水塘不影响江堤外坡的稳定, 可以不填,若是沙性较大(砂壤土或粉土等)还是应该填平,外 塘的填塘土最好用重粉质壤土或粘土,若缺乏这种土料,可以 用附近地表的土作填塘材料.堤内填塘的范围取堤脚后50ml:g 较合适,也就是在护堤地以外20m范围的水塘一律填平.填塘 土料最好采用粗颗粒透水材料,例如沙砾石和采石场的石碴 等,尽可能保持其原有的透水性,减小不利的副作用.这样既 能保证江堤的安全,也可以节省大量的填塘土方和投资.