植生型多孔混凝土的研究綜述

馮永存 宋少民

（北京建筑大學(xué) 綠色建筑與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的不斷加快，大量的建筑物拔地而起，這些建筑物在為我們的生活帶來方便的同時(shí)，也對我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境造成了一定影響?，F(xiàn)在城市地面被大量混凝土覆蓋，不透水區(qū)域增多，城鎮(zhèn)綠色植被面積顯著降低，熱島效應(yīng)加劇，也增大了城市內(nèi)澇的可能性；混凝土質(zhì)地脆硬，顏色種類單調(diào)，以灰色為主基調(diào)，視覺效果缺乏生機(jī)，使人產(chǎn)生粗、硬、冷、暗的感覺，人們長期生活在充斥了鋼筋混凝土的環(huán)境中，對于人類的身體健康造成較大影響。

在我國積極的倡導(dǎo)綠色生活，節(jié)能環(huán)保的生活理念下，人們現(xiàn)在不僅僅停留在過去只看重混凝土的結(jié)構(gòu)性能，也逐漸開始向環(huán)境友好、智能節(jié)約等功能的混凝土方向發(fā)展。經(jīng)過研究人員的不懈努力，現(xiàn)在已經(jīng)研究出了具有環(huán)境調(diào)節(jié)功能的植生混凝土，這是一種新型的綠色環(huán)?；炷粒染哂谢炷恋墓δ?，又實(shí)現(xiàn)了生態(tài)化的需求，為人類構(gòu)造了舒適環(huán)境的生態(tài)混凝土，社會(huì)效益和生態(tài)效益十分突出，對社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前植生混凝土在日本、歐洲等國已得到了較為廣泛的應(yīng)用，在我國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，技術(shù)逐步趨于成熟，并已開始應(yīng)用于工程實(shí)踐。

對多孔植生混凝土的研究，涉及材料、環(huán)境科學(xué)和植物學(xué)等學(xué)科，要實(shí)現(xiàn)多孔植生混凝土的廣泛應(yīng)用，必須對多孔植生混凝土配比組成設(shè)計(jì)、孔隙分布、強(qiáng)度、孔隙內(nèi)堿度、孔隙填充材料、植物種類等進(jìn)行系統(tǒng)研究。筆者閱讀并收集了現(xiàn)有國內(nèi)外研究成果，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地介紹植生混凝土的概念、技術(shù)特點(diǎn)、研究狀況以及存在的技術(shù)問題，以供參考，旨在推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。

1 植生混凝土的定義與構(gòu)造

1.1 植生混凝土定義

植生混凝土是指以一定孔徑、一定孔隙率的特制混凝土為骨架，在混凝土孔隙內(nèi)充填植物生長所需的物質(zhì)，植物根系生長于孔隙內(nèi)或穿透混凝土生長于下層土壤中的一類混凝土或混凝土制品[1]。此類混凝土制品是植物與填充于植生混凝土孔隙內(nèi)的植物生長基有機(jī)結(jié)合而成的新型混凝土。

1.2 植生混凝土構(gòu)造

植生混凝土從構(gòu)造上來看，可分為孔洞型、多孔連續(xù)型、孔洞型多層結(jié)構(gòu)等3種形式[2]。孔洞型植生混凝土是：在普通混凝土板上預(yù)留大孔洞，為綠色植物生長提供空間，并在其內(nèi)填充適于植物生長的土壤。從形式看，它只是將植物與混凝土塊進(jìn)行簡單的拼湊，綠化面積小，不能單獨(dú)的定義一種新型混凝土?？锥葱投鄬咏Y(jié)構(gòu)植生混凝土是：上層為多孔洞混凝土板，底層為凹槽，上層與底層復(fù)合，中間形成一定空間的培土層。這種植生混凝土多應(yīng)用于城市樓房的陽臺(tái)等，不與土壤直接接觸的部位，在一定程度上，可增加城市的綠化面積，美化環(huán)境。嚴(yán)格上來講，以上兩種構(gòu)造形式并不是傳統(tǒng)意義的植生混凝土。

多孔連續(xù)型混凝土，它是以無砂多孔混凝土為基本骨架，內(nèi)部有一定比例的連通孔隙，為混凝土表面的植物根部生長、提供空間。其基本構(gòu)造主要由多孔混凝土骨架、保水填充材料、表層土等組成，這也是當(dāng)前所研究的植生混凝土構(gòu)造，見圖1所示。

圖1 植生混凝土結(jié)構(gòu)示意

2 植生混凝土的研究狀況

2.1 物理性能

2.1.1 孔隙率及透水性

無砂多孔生態(tài)混凝土的植生性及透水性都源自于其內(nèi)部的孔隙。這些孔隙包括連通孔隙、半連通孔隙以及封閉孔隙三部分，三者之和為全孔隙。3種孔隙中的連通孔隙和半連通孔隙是混凝土具有透水性的主要原因，植物根系可以通過多孔混凝土中的連通孔隙扎入土體，汲取土體中的養(yǎng)分。因此，在多孔混凝土的設(shè)計(jì)研究中，全孔隙率是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。彭波[3]等研究得出植生混凝土連通孔隙率隨全孔隙率的增大而增大，且兩者之間存在良好的二次線性關(guān)系，這對于今后植生混凝土孔隙研究提供了一定指導(dǎo)意見。

目前國內(nèi)常用的孔隙率測定方法為量體積法和膠帶密蠟封法[4]。量體積法不宜用于表面不平整、形狀不規(guī)則、不宜切割的試件。膠帶密貼蠟封法步驟繁瑣，操作較為麻煩。當(dāng)前國內(nèi)在孔隙率研究方面，主要參考日本《多孔混凝土空隙率試驗(yàn)方案》及《透水性混凝土河川護(hù)堤施工手冊》。

國內(nèi)外通過對孔隙率研究，提出一些有關(guān)多孔混凝土孔隙率的結(jié)論。其中，日本生態(tài)混凝土護(hù)岸工法規(guī)定，對以植生為主的護(hù)岸，28d抗壓強(qiáng)度要求在10MPa以上的多孔混凝土，孔隙率在21%~30%之間；對于承受流水嚴(yán)重沖刷的植生型護(hù)岸，28d強(qiáng)度要求在18MPa以上多孔混凝土，孔隙率在18%~21%之間[5]。高建明[6]等人認(rèn)為連續(xù)孔隙率低于20%時(shí)，植物根系難以穿透多孔混凝土的空隙深入到土壤中。胡勇有等研究證明孔混凝土平均孔徑對其植生性能的重要影響，平均粒徑太小會(huì)導(dǎo)致植物根系無法吸收足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，從而影響根系的延伸生長，同時(shí)會(huì)使pH值過高，不利于植物生長；平均粒徑太大，會(huì)產(chǎn)生保水性差等問題，所以平均孔徑要適中。

透水性決定了水在生態(tài)混凝土中流動(dòng)的可能性，繼而影響到植物根系能否獲得足夠的水分以維持生命。李政啟[7]等研究發(fā)現(xiàn)植生混凝土具有與土壤一樣良好的透水性能。虢清偉[8]等人認(rèn)為在適生材料灌注前，骨料粒徑越大，多孔混凝土試件的滲透系數(shù)越大，灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低，但屬強(qiáng)透水材料之列。

影響孔隙率和透水系數(shù)的因素包括骨料粒徑、骨料級(jí)配、骨膠比、水膠比等。骨料粒徑越小或骨料級(jí)配越好，孔隙率、平均孔隙直徑和透水系數(shù)越小；隨骨膠比增大，混凝土孔隙率和透水系數(shù)增大，這是因?yàn)殡S著骨料間膠凝材料的減少，骨料間的孔隙增大，從而孔隙率和透水系數(shù)增大。關(guān)于水膠比對孔隙率和透水系數(shù)的影響不同研究者的結(jié)論并不一致，張蔚[9]等認(rèn)為隨水膠比的減小，孔隙率和透水性能增大：而徐飛等[10]認(rèn)為隨水灰比的增大，孔隙率和透水性能增大，這一問題還需進(jìn)一步深入的研究。

2.1.2 植生混凝土強(qiáng)度

植生混凝土的抗壓強(qiáng)度，參照GB／T 5008 1-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。但由于植生混凝土是由膠結(jié)材黏結(jié)骨料而成，孔隙率大，其表面平整度差。在此種情況直接進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，并不能反映植生混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度，一般要求采用高強(qiáng)石膏、硫磺膠泥或水泥砂漿，將試塊補(bǔ)平后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

反映植生混凝士力學(xué)性能的主要指標(biāo)是混凝土強(qiáng)度。植生多孔生態(tài)混凝土強(qiáng)度的研究主要是針對其抗壓、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。從混凝土結(jié)構(gòu)性的角度出發(fā)，一般要求植生型多孔生態(tài)混凝土具有大于10 MPa的抗壓強(qiáng)度。

影響植生混凝士強(qiáng)度的因素包括骨料粒徑、骨料級(jí)配、骨膠比、水灰比和膠凝材料摻合料等。骨料粒徑越小或骨料級(jí)配越好，混凝土強(qiáng)度越高，單一級(jí)配配制的多孔混凝土抗壓強(qiáng)度小于連續(xù)級(jí)配配制的多孔植生混凝土，這是因?yàn)殡S骨料間接觸點(diǎn)的增加，有利于強(qiáng)度提高；較小的水膠比使膠結(jié)漿本身的強(qiáng)度增加，混凝土強(qiáng)度也因此提高，但水膠比不易超過0.4。此外影響混凝土強(qiáng)度的因素還包括齡期、骨料強(qiáng)度、制備工藝和養(yǎng)護(hù)條件等。張朝輝[11]通過多孔混凝土制備與成型工藝研究，得到清洗骨料、改變裹漿法加料順序、震動(dòng)+壓實(shí)成型、覆蓋薄膜保濕養(yǎng)護(hù)等方法，可以提升多孔混凝土的強(qiáng)度。傳統(tǒng)意義上植生混凝土被認(rèn)為是摻加砂子的，但有關(guān)論文指出，摻加少量細(xì)砂，在不影響孔隙率的同時(shí)，可以增大可以漿體與單級(jí)配粗集料的接觸面積并發(fā)揮集料支撐點(diǎn)的作用，進(jìn)而提升混凝土的抗壓強(qiáng)度，對于此種觀點(diǎn)還需通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。

2.2 多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究

植生混凝土在結(jié)構(gòu)和材料組成方面和普通混凝土有較大區(qū)別，故其配合比設(shè)計(jì)方法也與普通混凝土不同。

對于植生混凝土既要求有高的力學(xué)性能，又要有足夠大的孔隙率，然而高孔隙率與高力學(xué)性能是一對矛盾體，故必須要考慮各方面因素才能定出合適的配合比方法。目前，國內(nèi)還沒有相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程可執(zhí)行，需要后續(xù)的系統(tǒng)研究。

對于植生混凝土的配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到孔隙率、透水系數(shù)及強(qiáng)度三個(gè)方面，根據(jù)多孔植生混凝土結(jié)構(gòu)特征，可以認(rèn)為單位體積多孔混凝土的表觀體積由骨料緊密堆積而成。因此配合比設(shè)計(jì)的原則是將骨料顆粒表面用膠結(jié)材料包裹，并將骨料顆?；ハ嗾辰Y(jié)起來，形成一個(gè)整體，具有一定的強(qiáng)度，而不需要將骨料之間的孔隙填充密實(shí)。

單位體積多孔混植生凝土的質(zhì)量應(yīng)為單位體積骨料的質(zhì)量和單位體積膠結(jié)材料質(zhì)量之和，這樣可以初步確定多孔混凝土的配比設(shè)計(jì)方法，集料粒徑大小的不同和膠凝材料的多少可形成直徑大小不同的孔隙，滿足不同用途的需要。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定選用的材料，再確定單位體積混凝土中骨料的用量，然后根據(jù)骨料的表觀密度和設(shè)計(jì)要求的孔隙率確定膠結(jié)材料用量，根據(jù)成型工藝的要求確定水灰比，從而確定單位體積水泥用量和拌合水用量。

2.3 植生混凝土孔隙內(nèi)堿環(huán)境及改造方法研究

植物在混凝土孔隙中生長，孔隙內(nèi)的化學(xué)性質(zhì)，直接影響了其植生性能。植物只能在一定PH值范圍內(nèi)才能順利成長，對于混凝土而言，其主要呈堿性，故其pH值不宜超過10。混凝土中水化產(chǎn)物Ca（OH）2具有強(qiáng)堿性，一般混凝土pH值都會(huì)大于12,故必須要采取措施降低植生混凝土的pH值。

要判定植物根系在植生混凝土中生長的堿環(huán)境，就需要進(jìn)行孔隙內(nèi)堿度的測定，主要測試方法包括：液萃取法和按LY/T《森林土壤pH值的測定》方法測定植生混凝土孔隙內(nèi)生長基的pH值。筆者認(rèn)為第二種方法更為合理，第一種方法破壞了混凝土結(jié)構(gòu)，不能反映真實(shí)孔隙堿環(huán)境，第二種檢測生長基土壤的pH值，結(jié)果更為真實(shí)。

多孔植被混凝土的堿環(huán)境改造是一核心技術(shù)。在日本，用于植生混凝土的膠凝材料是低堿度高爐B、C型水泥，用該類水泥制出的多孔植生混凝土，其pH值在8～9之間，適宜植物生長。我國缺乏低堿度水泥，因而在水泥方面降低pH值的方法并不可行。

改造多孔植生混凝土孔隙內(nèi)堿度主要應(yīng)從以下三方面考慮：（1）降低膠凝材料的堿度；（2）用酸性土壤和添加弱酸性物質(zhì)中和溶出的堿，以來降低孔隙內(nèi)堿度值；（3）通過對靜漿體進(jìn)行表面處理，隔絕堿類物質(zhì)與填充土壤的接觸，保證植物的生長。

通過摻加粉煤灰、礦渣、硅粉等礦物摻合料，利用礦物摻合料與氫氧化鈣的二次反應(yīng)，消耗氫氧化鈣，可降低堿度。高建明等人用摻礦物摻合料，來降低混凝土內(nèi)部孔隙間pH值，研究發(fā)現(xiàn)摻硅粉效果為最佳，28天pH值可降到10以下；張朝輝[11]研究發(fā)現(xiàn)弱酸性土壤中和孔隙內(nèi)的堿度在前期14d左右較為有效，后期pH值逐漸恢復(fù)到1l左右，且弱酸性土壤對多孔混凝土長期強(qiáng)度有影響。噴灑或浸泡FeS04溶液可以中和混凝土中的堿性物質(zhì)，王桂玲等[l2]研究了浸泡FeS04溶液的作用，發(fā)現(xiàn)FeSO4等弱酸性物質(zhì)的摻加雖然能在一定程度可降低多孔混凝土的孔隙堿度，然而其摻量對強(qiáng)度的降低作用明顯，固FeSO4的摻量不宜過多。胡春明等[13]試驗(yàn)證明經(jīng)過蠟封處理的生態(tài)混凝土的孔隙水環(huán)境pH值可降低0.5~1，而且對混凝±孔隙率不會(huì)造成較大的影響。王桂玲等[l2]提出復(fù)合降堿實(shí)驗(yàn)方案，通過在混凝土中摻加一定比例的硅灰與FeSO4，并在混凝土成型后噴灑永凝液阻堿，此降堿方法可使土壤pH值保持在8～8.5之間。

2.4 植物生長基的配制與填充

植物生長基是指在多孔混凝土孔隙內(nèi)填充的材料，是植物的根系賴以附生的載體，為植生長提供養(yǎng)分和水分。配制植物生長基質(zhì)應(yīng)具備良好的物理化學(xué)和生物學(xué)特性，具備質(zhì)輕、通透性好、保肥保水能力強(qiáng)、酸堿度適宜、材料易得、無毒害成分及有害微生物等優(yōu)點(diǎn)。

植物生長基可以認(rèn)為是人造土壤，包括：草碳土、蛭石、珍珠巖或木屑等基本材料和保水劑、肥料。生長基的配制可因植物種類不同而不同，生長基的填充方式可以是用壓力灌漿的形式或浸漬方式。

當(dāng)前對于植物生長基的填充主要采用灌漿法[l4]進(jìn)行填充施工。灌漿法是將植物生長基拌和均勻后用水及適量減水劑調(diào)制成漿體，用水泥槍將漿體填充于植生混凝土孔隙中。筆者所在課題組研究發(fā)現(xiàn)，將干的植物生長基材料混合均勻，采用震動(dòng)填充的方法也可以實(shí)現(xiàn)植物生長基的填充。

3 植生混凝土存在的問題

從目前的研究與應(yīng)用狀況來看，我國在植生混凝土方面研究及技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)性階段，今后還必須要深入研究。就當(dāng)前對于植生混凝土的研究主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）我國還未形成一套統(tǒng)一、合理的植生混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，目前報(bào)道的植生混凝土設(shè)計(jì)方法不系統(tǒng)，具體參數(shù)不明確，對空隙率與強(qiáng)度之間的矛盾沒有提出合理的解決方案。

（2）國內(nèi)提出一些解決植生混凝土堿度的方案，但對孔隙堿度降低效果并不明顯，且對于堿度檢測方法沒有規(guī)范的實(shí)驗(yàn)方法。

（3）在生產(chǎn)植生混凝土的過程中，由于沒有細(xì)骨料，且孔隙率大，自然對膠結(jié)材料等有較高要求，這也不可避免的產(chǎn)生造價(jià)成本高的問題，這對于植生混凝土的工程推廣應(yīng)用形成一定阻力。

（4）植生混凝土成型后缺乏對其后期植物生長和耐久性能問題的研究。

（5）國家還未出臺(tái)相關(guān)植生混凝土的技術(shù)規(guī)程和應(yīng)用規(guī)范。

結(jié)語

隨著人們對生活環(huán)境的關(guān)注，建筑結(jié)構(gòu)將更趨向于綠色節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，而植生混凝土恰恰實(shí)現(xiàn)了建筑與自然環(huán)境的相融合，相比于普通混凝土的這一優(yōu)勢，植生混凝土有理由成為今后混凝土的研究熱點(diǎn)。我國在植生混凝土的研究方面，由于起步較晚，技術(shù)相比于日本等國家還相對落后，同時(shí)國家對植生混凝土研究的投入力量也不夠大，還有許多核心技術(shù)問題亟待研究和解決。這就需要植生混凝土所涉及的各學(xué)科科研工作者，團(tuán)結(jié)協(xié)作，綜合各方優(yōu)勢，共同推進(jìn)其在我國社會(huì)建設(shè)中早日大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的生態(tài)化，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。

[1] 王桂玲，王龍志，張海霞，等．植生混凝土的含義，技術(shù)指標(biāo)及研究重點(diǎn)[J]．混凝土，2013 (1)： 105-109.

[2] 詹鎮(zhèn)峰，李從波．植生混凝土的研究與應(yīng)用述評[J]．廣東水利水電，2007 (3)：57-58.

[3] 彭波，蔣昌波，向泰尚，等．植生型多孔混凝土孔隙率試驗(yàn)研究[J]．中國水運(yùn)： 下半月，2013 (5)： 281-282.

[4] 鄭木蓮．多孔混凝土排水基層研究 [D][J]．西安： 長安大學(xué)公路學(xué)院，2004.

[5] 胡勇有，胡春明，謝磊，等．埴生型生態(tài)混凝土孔隙狀態(tài)對植物生長的影響[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006．34(12)：5．9．

[6] 高建明．植生型多孔混凝土性能的試驗(yàn)[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，26(4)．

[7] 李政啟，相陽，李家明，等．植生型無砂多孔生態(tài)混凝土性能評述[J]．建筑節(jié)能，2012 (4)： 50-53

[8] 虢清偉，胡勇有，鄭丙輝，等．植生混凝土的透水性能研究[J]．水利水電技術(shù)，2006，37(9)： 1-4.

[9] 張蔚，陶新明，黃圣銓．灰骨比對綠色生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度及空隙率的影響分析[J]．福建建筑，2010(7)：137．139．

[10] 徐飛，肖黨旗．無砂多孔混凝土配合比的研究陰．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2005，3(4)：24-26．

[11] 張朝輝．多孔植被混凝土研究[D]．重慶： 重慶大學(xué)，2006.

[12] 王桂玲，王龍志，張海霞，等．多孔種植混凝土孔隙堿度改造方法的研究[J]．中國包裝科技博覽： 混凝土技術(shù)，2012 (12)：29-33.

[13] 胡春明，胡勇有，虢清偉，等．植生型生態(tài)混凝土孔隙堿性水環(huán)境改善的研究[J].混凝土與水泥制品，2006 (3)： 8-10.

[14] 王桂玲，王龍志，張海霞等．植生混凝土施工技術(shù)研究[J]．混凝土，2013 (5)：151-153.