随机多孔连续型绿化混凝土的研究

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　　摘 要：针对绿化混凝土中水泥水化产物呈碱性问题，通过优化混凝土配合比设计、降低胶凝材料用量、掺入粉煤灰等混合材、成型后用水冲洗养护等措施，来降低绿化混凝土的碱含量，为植被提供相对较低的碱环境。实验表明，随机多孔连续型绿化混凝土是多孔混凝土和耐碱性绿色植物共生的新型生态绿化混凝土，具有施工方便、造价低等特点，能适合于大面积、现场施工的绿化工程。
　　 关键词：绿化混凝土；配合比；生态绿化
　　 1、前言
　　 绿化混凝土是指能够适应绿色植物生长、进行绿色植被的混凝土及其制品。与普通混凝土相比，绿化混凝土具有以下优点：增加城市的绿色空间，调节人们的生活情绪，同时能够吸收噪音和粉尘，是一种与自然协调、具有环保意义的混凝土材料。绿化混凝土在日本得到了广泛的应用，从城市建筑物的局部绿化、沿岸、护岸工程等土木工程，均考虑了绿化措施。
　　 近年来，我国也开始重视混凝土结构物的绿化问题。由于绿化混凝土中碱环境不适合植物生长这一问题，我国还仅限于使用孔洞型绿化混凝土块体材料和孔洞型多层结构绿化混凝土块体材料，主要用于城市停车场的铺装。对于地面起伏较大的场所，上述块体材料则无能为力。
　　 本文尝试研制随机多孔连续型绿化混凝土，能适合于大面积、现场施工的绿化工程。针对绿化混凝土中水泥水化产物呈碱性问题，本课题拟采用优化混凝土配合比设计、降低胶凝材料用量、掺入粉煤灰等混合材、成型后用水或弱酸冲洗养护等措施，来降低绿化混凝土的碱含量，同时优选耐碱性植物，确保植物生长。
　　 2、实验原材料及实验方法
　　 2.1 实验材料
　　 水泥：采用当地42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。
　　表1 水泥的物理力学性能
　　
　　
　　
　　 2.2 实验方法
　　 绿化混凝土抗压强度实验采用150mm×150mm×150mm混凝土试块。实验时，按配合比准确称料，在绿化混凝土拌好后，观察用水量是否合适。采用锤击法制作绿化混凝土试件，分两层装料，用质量5kg的铁锤每层锤击10次。制模时特别注意不要缺角。
　　 3、实验数据分析
　　 3.1 集料级配与孔隙研究
　　 绿化混凝土能适合植物生长，就必须在混凝土结构上营造出能适合植物根系生长的适当的空隙、水分和充足的养料。因而，多孔连续型绿化混凝土一般为无砂混凝土，并采用间断级配的粗集料，这与普通混凝土的密实结构完全不同。
　　 结合国内外经验，本文选定绿化混凝土孔隙率为25%~33%、抗压强度5-10MPa、厚度约50mm。较大的孔隙率，植物生长环境比较好，但易产生直孔，影响混凝土的防护性能及抗压强度；若孔隙率小，混凝土防护性能和强度较好，但植物所需生长基料不易充填，植物的成活率低。
　　 因此，本文选择了20-40间断级配碎石和10-20间断级配碎石两种，进行混凝土配合比设计，并测试其性能，如表2和表3。
　　 表2 绿化混凝土配合比一览表（1）
　　
　　
　　
　　 严格控制混凝土集料粒径是保证绿化混凝土孔隙的首要条件。由表2和表3可见，在相同的胶凝用量和水灰比条件下，A2组为采用10-20间断级配碎石，集料粒径小，绿化混凝土强度虽然高，但孔隙小，不满足孔隙率选定为25%~33%这一条件。而A1组采用20-40间断级配碎石，空隙和强度都比较适中，只是胶凝材料用量有些偏大，需要进一步降低胶凝材料用量。
　　 3.2 绿化混凝土碱环境的改善实验研究
　　 由于填充在绿化混凝土孔隙内的基材与胶凝材料层直接接触，胶凝材料层释放出来的大量碱性物质，直接影响了基材的pH值，使绿化混凝土孔隙内pH值可高达13左右。而南方土壤的pH值一般在4.5~7.0之间，如此高的碱性致使基材不适合于植物生长。对绿化混凝土孔隙碱性水环境进行改造，使之成为低碱度绿化混凝土，是植物能否在其中顺利生长的关键。
　　 （1）采用42.5普通硅酸盐水泥，减少胶凝材料用量
　　 在保证绿化混凝土强度的前提下尽量减少胶凝材料用量，故采用42.5普通硅酸盐水泥，放弃32.5低强度等级水泥，从而在确保强度的情况下降低胶凝材料用量。
　　 （2）掺加减水剂、粘合剂
　　 在前期实验的基础上，采用掺加减水剂、粘合剂的方法，其中减水剂、粘合剂的掺量均为胶凝用量的0.5%。实验及结果见表4和表5。
　　表4 绿化混凝土实验配合比一览表（2）
　　
　　
　　
　　 由此可见，掺加一定量的减水剂，可以降低混凝土中的水灰比，从而达到提高绿化混凝土强度的目的。比如B2组为掺加0.5%减水剂组，3天的强度达到5.8MPa，比基准组A1不掺加减水剂组的4.2MPa，提高了38%；28天的强度达到7.9MPa，比基准组A1不掺加减水剂组的6.8MPa，提高了16%。粘合剂的效果也比较明显，其主要成分是甲基纤维素，可以增加混凝土间的粘接力，减少绿化混凝土表面水分的损失，尤其是绿化混凝土中孔隙大，主要靠水泥间的粘接力。另外，粘合剂能将未固化前的水泥等胶结材料均匀包裹于集料表面，避免了因水泥脱落形成的死孔，保证了绿化混凝土必要的孔隙率。
　　 （3）掺加粉煤灰
　　 在绿化混凝土中，碱环境主要是水泥水化产物氢氧化钙导致的。由于粉煤灰和富集在集料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物，而且可以减少氢氧化钙的含量，从而达到降低绿化混凝土碱度的目的。
　　 （4）配合比优化
　　 最后，本文对配合比进行了优化，具体见表6和表7。
　　表6 绿化混凝土实验配合比一览表（3）
　　序号 水泥 粉煤灰 20-40
　　碎石 水 减水剂
　　（胶凝用量） 粘合剂（胶凝用量） 备注
　　D1 0.75 0.25 3.33 0.30 0.5% 0.5% 胶凝用量300kg/m3
　　 表7 绿化混凝土性能表（3）
　　序号 孔隙率（%） 3d强度（MPa） 28d强度（MPa）
　　D1 28.4 5.2 7.9
　　 由此可见，采用225kg/m3水泥和75kg/m3粉煤灰后（总胶凝用量为300kg/m3），该绿化混凝土3d强度为5.2 MPa，28d强度为7.9 MPa，
　　 （5）成型后自然养护及水冲洗
　　 绿化混凝土成型后，经过一段时间自然放置，采用水喷淋（若有条件，也可以使用草酸溶液或硫酸亚铁溶液喷淋），可以降低碱性，达到中性化处理的目的。
　　 3.3 耐碱性植物的选择和植物栽培基质研究
　　 在植物的选择上，主要考虑耐旱性能、耐寒性能、耐碱性、生态群落性和抗病害性。初步考虑了高羊茅、狗牙根、日本结缕草等耐碱性植物，最后选择了适合在碱性环境生长，喜光，耐半阴，抗病性强，生态群落性好的高羊茅。
　　 植物生长基料提供了草种在发芽及生长前期根系进入土壤后一段时间所需的养分与水分。由于混凝土空隙周围存在弱碱性环境。植物栽培基质主要从重量轻、保水性能好、保肥能力好等方面考虑，能对整个绿化混凝土的长期稳定起着关键作用，本文选择了适宜植物生长的栽培基质，主要成分是植物纤维。
　　 3.4 实验室阶段绿化混凝土研究
　　 在绿化混凝土研究的基础上，进行了实验室草种种植。种植采用客土植草法，即首先是在4个边长400mm×400mm，厚60mm的园林框覆盖50mm左右厚的天然土壤，在天然土壤上覆盖50mm左右厚处理过的绿化混凝土。然后在绿化混凝土的孔隙中进行高羊茅草种播种和充填生长基料后，再铺设10mm厚的客土层，并保持湿润。
　　 7天之后高羊茅草种就陆续发芽，15天后高羊茅就有100mm高，并开始分支。45天后，高羊茅长势良好。说明高羊茅草种与绿化混凝土的适应性较好。
　　 3.5 室外场所绿化混凝土应用
　　 在实验室草种播种研究的基础上，进行绿化混凝土室外场所应用。在该室外场所表层土60mm厚范围内进行松土并设置排水沟，其余同实验室阶段。实验发现，室外场所与实验室阶段情况大体相似，高羊茅长势良好。并且期间是夏季高温环境，有时连续数几天都没有下雨，高羊茅叶子呈现一些黄色，但只要有雨水，它仍能保持绿色。
　　 4、结论
　　 （1）可以通过优化混凝土配合比设计、降低胶凝材料用量、掺入粉煤灰等混合材、成型后用水或弱酸冲洗养护等措施，来降低绿化混凝土的碱含量，为植被提供相对较低的碱环境。本研究通过实验，采用225kg/m3水泥和75kg/m3粉煤灰（总胶凝材料用量为300kg/m3），绿化混凝土3d强度为5.2MPa，28d强度为7.9MPa。
　　 （2）实验室阶段草种播种研究和室外场所应用表明，随机多孔连续型绿化混凝土是多孔混凝土和耐碱性绿色植物共生的新型生态绿化混凝土，具有施工方便，造价低等特点，能适合于大面积、现场施工的绿化工程，具有较高的实用价值和社会效应，适合进一步推广与应用等。
　　参考文献：
　　[1]冯辉荣，罗仁安．“沙琪玛骨架”绿化混凝土抗压与植草试验研究[J]．混凝土.2005（7）：49-53.
　　[2]丁旭东，杨宏星，赵成仕等．绿化混凝土的研究和应用[J]．新型建筑材料.2005（5）：30-32.
　　
　　 2010年浙江省大学生科研创新团队资助项目
　　
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