熊優(yōu)優(yōu)，楊 雁，崔天祥

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的21世紀(jì)，建筑業(yè)成為經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的典型行業(yè)。而由于“熱島效應(yīng)”等環(huán)境問(wèn)題，對(duì)混凝土材料提出了新的要求——“綠色”。既可以較好保留普通混凝土基本性能，又能夠維持水土、美化環(huán)境的生態(tài)多孔混凝土因而得到了重視與研究。

但多孔結(jié)構(gòu)在滿足“綠色”的同時(shí)對(duì)混凝土性能的保持及提高存在著一定影響。因此，充分分析生態(tài)多孔混凝土的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)特性，研究其結(jié)構(gòu)特性與各項(xiàng)性能之間的影響關(guān)系，提出改善措施，對(duì)于提高生態(tài)混凝土使用壽命，更好地結(jié)合混凝土技術(shù)與自然環(huán)境，使混凝土材料向生態(tài)化發(fā)展有著重要意義。

1 生態(tài)多孔混凝土的概念

生態(tài)混凝土(Eco—concrete/Environmentally Friendly Concrete)的概念最早由日本混凝土協(xié)會(huì)與生態(tài)混凝土研究委員會(huì)在1995年提出。按照功能分類，可將其分為環(huán)境友好型和生物相容型。

生態(tài)多孔混凝土(Ecological Porous Concrete，簡(jiǎn)稱EPC)則更強(qiáng)調(diào)其特殊的多孔結(jié)構(gòu)，與普通混凝土相比，EPC有許多連通的孔隙，使得水與空氣能夠很好地通過(guò)或存在。這種特性能夠讓植物與混凝土材料結(jié)合共存，從而有效改善環(huán)境負(fù)荷，與自然環(huán)境和諧相處。

2 生態(tài)多孔混凝土的結(jié)構(gòu)特性與性能匹配矛盾

孔結(jié)構(gòu)特征主要包括孔隙率、孔形貌、孔大小及其分布。EPC最為顯著的特征就是孔隙率大、內(nèi)部有許多連通孔隙，擁有良好的透水性能以及吸附力，這些特征在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也給我們的研究與應(yīng)用帶來(lái)了一些難題。

追求高孔隙比的同時(shí)強(qiáng)度自然會(huì)有所下降；孔隙率增大，透水性能增強(qiáng)，則不可避免影響混凝土自身的耐侵蝕性能；多孔結(jié)構(gòu)使得混凝土內(nèi)部可能存在大量水分，繼而影響到抗凍以及收縮性能；混凝土孔隙內(nèi)部的堿性環(huán)境與植物生長(zhǎng)之間的矛盾也是需要注意的問(wèn)題。

3 生態(tài)多孔混凝土結(jié)構(gòu)與性能匹配研究現(xiàn)狀

3.1 孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度

目前，首要問(wèn)題是孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的矛盾，高強(qiáng)度與高孔隙率二者往往不可兼得。普通混凝土的孔隙率只有4%左右，而EPC則達(dá)到20%以上，密實(shí)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，因此強(qiáng)度會(huì)有所降低。

武漢理工大學(xué)吳磊[1]研究表明，生態(tài)植草混凝土的強(qiáng)度主要依賴于骨料與骨料之間的接觸面積、骨料與水泥凝膠粘合層的粘合力以及水泥凝膠厚度。文獻(xiàn)[2-3]指出EPC材料內(nèi)部的片狀骨料是強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，且大孔隙周圍的骨料邊緣與骨料和砂漿基質(zhì)薄弱交界處多出現(xiàn)應(yīng)力集中。

重慶交通大學(xué)郭桂香[4]研究表明，多孔混凝土的強(qiáng)度影響因素主次為：孔隙率>骨料粒徑>水灰比>減水劑摻量。文獻(xiàn)[5-6]分析發(fā)現(xiàn)，生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間有很好的相關(guān)性;孔隙率的增加，應(yīng)力集中以及面積減小會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)度隨之減小。也有研究指出，摻合料的加入能改善多孔混凝土的透水性和孔結(jié)構(gòu)，但抗壓強(qiáng)度也會(huì)有所降低[7]。

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)全洪珠等[8]制備不同水膠比、目標(biāo)孔隙率的多孔生態(tài)混凝土，測(cè)試其物理力學(xué)性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)孔隙率越高，強(qiáng)度受水膠比影響越?。荒繕?biāo)孔隙率相同的，水膠比越高，實(shí)際孔隙越多。

黃凱健等[9]研究發(fā)現(xiàn)，考慮粗集料包裹層厚度的配合比設(shè)計(jì)方法配置的混凝土能大大縮減實(shí)際孔隙率與目標(biāo)孔隙率的偏差，且提高一定強(qiáng)度。

劉小康[10]等分析發(fā)現(xiàn)骨料級(jí)配結(jié)構(gòu)與多孔混凝土性能有著良好的相關(guān)性；中南大學(xué)張賢超[11]也在透水混凝土的研究中提出適宜的骨料粒徑和級(jí)配能使多孔混凝土形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，摻入少量細(xì)骨料能改善混凝土強(qiáng)度。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)王玉軍[12]研究植生型再生磚骨料混凝土的力學(xué)性能和透水性能發(fā)現(xiàn)，漿體水灰比、目標(biāo)孔隙率、再生磚骨料粒徑都對(duì)其性能有不同程度的影響，目標(biāo)孔隙率對(duì)兩者都有顯著影響，且兩個(gè)性能之間此消彼長(zhǎng)，呈反比例關(guān)系。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，孔隙率與骨料粒徑、骨料級(jí)配及形態(tài)都會(huì)影響EPC的強(qiáng)度。不同孔隙率及骨料級(jí)配方式對(duì)EPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著決定性影響，而孔結(jié)構(gòu)又直接影響到其強(qiáng)度。

3.2 孔結(jié)構(gòu)與抗凍性

EPC的工程應(yīng)用范圍決定了它的服役環(huán)境，冬季雨雪天氣將對(duì)其耐久性能產(chǎn)生重要影響。有研究指出，孔隙率及水膠比大小是影響大孔生態(tài)混凝土抗凍性能的主要因素[13]。

文獻(xiàn)[14-15]指出，快速凍融過(guò)程中透水性生態(tài)混凝土試件的整體孔隙率提高，裂縫一般出現(xiàn)在硬化水泥漿體和骨料的界面結(jié)合處，繼而出現(xiàn)裂縫使得試件破壞;受凍時(shí)，毛細(xì)孔壁同時(shí)承受靜水、滲透壓力，連通孔隙加劇破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷受到損傷，使其抗凍融循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)低于普通混凝土。

江蘇大學(xué)顏庭成等[16]開(kāi)展凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水凍水融和氣凍水融的破壞機(jī)理相同，但凍融循環(huán)周期不同，這與凍脹過(guò)程中產(chǎn)生破壞力有關(guān)，凍脹力的產(chǎn)生則受整個(gè)混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響。

EPC內(nèi)部存在許多連續(xù)互通的孔隙通道，又因其應(yīng)用環(huán)境使得孔隙通道內(nèi)長(zhǎng)期存在著一定水分，在承受凍融循環(huán)作用時(shí)，混凝土內(nèi)外同時(shí)發(fā)生破壞，破壞程度遠(yuǎn)高于普通混凝土。

3.3 孔結(jié)構(gòu)與抗硫酸鹽侵蝕性

普通混凝土的破壞由表及里，而EPC內(nèi)部存在大量連通孔隙，抗侵蝕性能遠(yuǎn)低于普通混凝土。用于人工海岸、土壤高鹽、鹵水酸雨地區(qū)的EPC服役環(huán)境更為惡劣，經(jīng)常受到干濕交替及硫酸鹽侵蝕作用，嚴(yán)重影響其耐久性能。

青島理工大學(xué)李秋義等[17]研究表明，硫酸鹽侵蝕作用在內(nèi)外同時(shí)發(fā)生，孔隙率越大，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)越低，抗硫酸鹽侵蝕性能越差。主要原因在于：大孔生態(tài)混凝土特殊骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部多是點(diǎn)點(diǎn)接觸受力，小部分面面接觸受力，孔隙率越大，內(nèi)部接觸點(diǎn)面積就越小，抗侵蝕性能也越差[18]。

東南大學(xué)潘文佳等[19]研究發(fā)現(xiàn)，相同孔隙率下，骨料粒徑越小，多孔混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能越好；文獻(xiàn)[20]對(duì)生態(tài)混凝土的耐化學(xué)性-浸出和硫酸鹽侵蝕的實(shí)驗(yàn)方法做出了總結(jié)，后續(xù)的研究可以借鑒。

3.4 孔結(jié)構(gòu)與植被相容性

EPC內(nèi)部的植被種子隨齡期的延長(zhǎng)，不斷發(fā)育、生長(zhǎng)，當(dāng)植被逐漸成熟，植物根莖尺寸過(guò)大時(shí)，將對(duì)EPC的孔隙結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重威脅。且植被的生存狀況取決于EPC內(nèi)部是否具有足夠的孔隙，充足的孔隙才能讓植被良好生長(zhǎng)。

中南林業(yè)科技大學(xué)張貴[21]分析研究了EPC的孔隙結(jié)構(gòu)特征，提出“透砂系數(shù)”以表征孔隙結(jié)構(gòu)與植被根系的結(jié)構(gòu)相容性，并評(píng)價(jià)其植生性能；等效孔徑也可作為EPC植生性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.5 孔結(jié)構(gòu)與植生降堿技術(shù)

EPC孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定需要膠凝材料來(lái)維持，而水泥作為膠凝材料，其水化作用會(huì)產(chǎn)生大量的氫氧化鈣，使得混凝土呈強(qiáng)堿性，這種堿性環(huán)境并不利于植被的生長(zhǎng)。降堿處理一直是EPC技術(shù)應(yīng)用的瓶頸之一[22]。加之多孔結(jié)構(gòu)特性,使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)外界環(huán)境的變化更為敏感，植被更容易受到腐蝕。

胡勇有等[23]認(rèn)為EPC平均孔徑太小，其間填充的營(yíng)養(yǎng)成分有限，且填充的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)受水泥漿堿度釋放的影響較大，均不利于植物生長(zhǎng)，而平均孔徑大又易使其保水性降低。

文獻(xiàn)[24]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅從水泥種類或改性材料的改變、摻入并不能很好地對(duì)綠色生態(tài)混凝土進(jìn)行降堿。南京工業(yè)大學(xué)奚新國(guó)[25]從形成高孔隙率和降低材料孔隙液相堿度兩個(gè)方面,設(shè)計(jì)不同類型多孔混凝土,試驗(yàn)證明可行，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

由以上研究可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)到孔結(jié)構(gòu)與酸堿度平衡，需要從多方面入手，才能有效改善EPC的植生性能。

4 生態(tài)多孔混凝土結(jié)構(gòu)與性能匹配對(duì)策

4.1 孔結(jié)構(gòu)

對(duì)普通混凝土而言，骨料種類確定后其強(qiáng)度也基本確定了，所以對(duì)于EPC而言，優(yōu)選骨料壓碎指標(biāo)值較小的骨料也就能夠較好提高其強(qiáng)度[26]。

選擇合適的孔隙率、骨料種類、粒徑與級(jí)配，確定穩(wěn)定的孔結(jié)構(gòu)；再采用高等級(jí)水泥，確定適合的水灰比，摻入一定的外加劑和摻合料，提高膠凝材料的粘結(jié)力，從而有效提高EPC強(qiáng)度。

4.2 外加劑

透水混凝土中加入適當(dāng)?shù)囊龤鈩〢EA[27]和乙烯-乙酸乙烯酯乳膠能提高其強(qiáng)度和凍融耐久性。

普通硅酸鹽水泥摻入ɑ-半水硫酸鈣，模擬碳化和添加降堿外加劑，均有降低膠凝材料PH值的效果[28]。

4.3 摻合料

摻入硅粉和粉煤灰[29]能夠有效提高硬化水泥漿體的密實(shí)度，提高EPC強(qiáng)度，且凍融環(huán)境下?lián)饺敕勖夯姨岣咝Ч麅?yōu)于硅灰。

聚丙烯腈纖維能夠改善生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能，摻量為1%時(shí)抗凍性能改善效果最好，且不會(huì)影響其他基本性能[30]。

EPC多孔結(jié)構(gòu)與性能的匹配，除了從孔隙結(jié)構(gòu)本身來(lái)優(yōu)化構(gòu)建外，還可以對(duì)特種水泥與各種摻合料、外加劑進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，以提高強(qiáng)度，改善耐久性，保證良好的植生性能。

5 結(jié)論與展望

較之國(guó)外，我國(guó)對(duì)EPC的研究起步較晚，近年來(lái)雖然進(jìn)行了許多研究，但在設(shè)計(jì)、應(yīng)用、驗(yàn)收評(píng)定方面都還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和體系。且對(duì)于其結(jié)構(gòu)特性與性能之間的匹配研究還不是很深入、全面，今后的研究工作還需要解決以下問(wèn)題：

(1)對(duì)EPC的結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的宏微觀研究，還未全面總結(jié)其特征，可研究構(gòu)建優(yōu)化的孔結(jié)構(gòu)模型,提供理論支持。

(2)從孔隙率、骨料、水灰比入手研究其各項(xiàng)性能較多，沒(méi)有從EPC的具體結(jié)構(gòu)形式來(lái)分析其性能的影響變化。

(3)對(duì)于EPC耐久性能的研究，大多集中于抗凍、抗侵蝕性能，而EPC還常用于透水路面，缺乏抗折耐磨性能、開(kāi)裂現(xiàn)象的研究。

(4)不同植被對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性不同，植物生長(zhǎng)與孔結(jié)構(gòu)匹配還缺乏研究，調(diào)節(jié)改善EPC強(qiáng)度及耐久性的同時(shí)，還需兼顧植生性能。

EPC對(duì)于“海綿城市”的建設(shè)十分重要，承擔(dān)著保護(hù)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)的綠化工作。結(jié)合結(jié)構(gòu)特性與性能，研究出最佳匹配機(jī)制，能夠推動(dòng)EPC技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境有著舉足輕重的作用，應(yīng)用推廣前景巨大。