植生型生態(tài)混凝土趨勢(shì)研究

龐致遠(yuǎn)，彭玉林，趙 楊

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,云南 昆明 650201）

0 引言

從1993年,日本推出植生混凝土技術(shù)[1]；2001 年,日本編制《多孔植被混凝土河川護(hù)岸工法》推進(jìn)了生態(tài)混凝土的應(yīng)用和發(fā)展[2],到今天,研究、發(fā)展已有20 多年。應(yīng)該指出的是,植生型生態(tài)混凝土在許多方面仍然存在缺陷。比如,植生型生態(tài)混凝土自身強(qiáng)度低,無法作為承重結(jié)構(gòu),這一點(diǎn)就使得在許多工程應(yīng)用上受到限制。與素混凝土相比,由于植生型生態(tài)混凝土自身結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面骨料不平整,受力分散,一旦出現(xiàn)裂縫,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就得不到保障,引起結(jié)構(gòu)失效。而且,植生型生態(tài)混凝土還受周遭環(huán)境、種物、水泥堿度等影響。當(dāng)然,植生型生態(tài)混凝土既然能被研究,自然有他的優(yōu)勢(shì)。從最新研究表明：植生型生態(tài)混凝土不僅可以降低降雨徑流量,還可以減小熱島效應(yīng)[3]；因?yàn)槠洫?dú)特的孔隙,在降噪方面也有優(yōu)勢(shì)[4]；在濕地保護(hù),河道護(hù)岸中具有凈化水質(zhì),去污除雜功能[5-9]；在施工方法、植物生長(zhǎng)性能等也有相關(guān)研究,婁可可[10]等通過CT掃描法研究生態(tài)混凝土最佳成型方式,探討施工技術(shù)難點(diǎn)；馬秋娟[11]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)粗骨料粒徑為15 mm～20 mm、水膠比為0.28～0.30 時(shí),最適宜植物生長(zhǎng)。

目前,我國(guó)還處在研究初級(jí)階段,力學(xué)性能、植生性能的規(guī)律還在探索中,應(yīng)用也不廣泛,施工經(jīng)驗(yàn)也很缺乏。經(jīng)濟(jì)上,許多低效益、高耗能水泥企業(yè)在推進(jìn)供給側(cè)轉(zhuǎn)型,這必然導(dǎo)致水泥價(jià)格上漲,植生型生態(tài)混凝土的成本增加,但是可以通過政府引導(dǎo),刺激企業(yè)創(chuàng)新,利用工業(yè)廢渣替代部分水泥制備生態(tài)混凝土,促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)利用；同時(shí),提高工業(yè)廢渣利用率,降低工業(yè)廢渣處理成本,進(jìn)一步節(jié)約能源和降低成本。政策上,由《“十三五”節(jié)能減排中和工作方案》和《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》指導(dǎo)下,節(jié)能減排是當(dāng)今,也是未來的首要任務(wù)。工信部下發(fā)文件顯示：2020年,中國(guó)生產(chǎn)水泥高達(dá)23.8 億t,連續(xù)35 年位居世界第一,在未來城市整改,拆除老舊小區(qū)也將產(chǎn)生更多的廢棄混凝土堆積材料,使用廢棄混凝土等再生粗骨料制備植生型生態(tài)混凝土將會(huì)成為趨勢(shì)。為促進(jìn)人類可持續(xù)性發(fā)展,解決生態(tài)環(huán)境問題,生態(tài)混凝土應(yīng)用在河道護(hù)岸、濕地保護(hù)、城市環(huán)境改造是非常有必要的。

1 生態(tài)混凝土區(qū)分

1.1 生態(tài)混凝土概念

究其生態(tài)混凝土本質(zhì),就是通過現(xiàn)有的科技水平,采用高性能添加劑以及特殊的工藝,制造出能減輕環(huán)境負(fù)荷,提高生態(tài)混凝土與生態(tài)環(huán)境的相容性,改善局部生態(tài)環(huán)境的混凝土。

1.2 生態(tài)混凝土分類

生態(tài)混凝土分成環(huán)境友好型生態(tài)混凝土和生物相容型生態(tài)混凝土。環(huán)境友好型混凝土能夠減輕環(huán)境負(fù)荷,生物相容性生態(tài)混凝土能夠促進(jìn)植物、動(dòng)物和諧共生。本文主要探討植生型生態(tài)混凝土,所以除去了非多孔結(jié)構(gòu)生態(tài)混凝土,大致分為以下幾類,見圖1。

圖1 多孔生態(tài)混凝土分類

1.3 植生型生態(tài)混凝土

植生型生態(tài)混凝土屬于生物相容混凝土,它是建立在混凝土之上的一種特有功能的多孔混凝土,所以植生型生態(tài)混凝土是建立在多孔生態(tài)混凝土研究基礎(chǔ)之上的。其次,為滿足其獨(dú)特的植生性能,其骨料粒徑、孔隙率、透水率、酸堿度等都要滿足植物生長(zhǎng)條件,使植物根本能夠順利穿過生態(tài)混凝土內(nèi)部,植生在土壤里,達(dá)到固土、防洪、護(hù)坡等作用。

2 植生型生態(tài)混凝土研究現(xiàn)狀

2.1 孔隙率選取

對(duì)于植生型生態(tài)混凝土來說,控制孔隙率是為了使植物能夠順利植根于土壤,并且一定程度上可以控制強(qiáng)度[12]。以下列舉部分研究近況,以此來初步選擇植生型混凝土的孔隙率。

孫嘉卿[13]等發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的升高而降低,且主要的強(qiáng)度降低發(fā)生在孔隙率為30%之前。高建明[14]等認(rèn)為連續(xù)孔隙率低于20%時(shí),植物難以生存。顏小波[15]發(fā)25%～27%孔隙率進(jìn)行工程應(yīng)用有良好效果。江輝[16]等從實(shí)驗(yàn)中得到：適量的添加砂,可以滿足孔隙率,強(qiáng)度以及植生性能的效果。Haiyan Ma et al.[17]發(fā)現(xiàn)在生態(tài)混凝土中加入足夠的膏體作為骨料間大尺寸空隙的填料,可以降低空隙率。目前孔隙率的研究還是以日本護(hù)岸工法為基礎(chǔ),對(duì)于植生混凝土孔隙率在21%～30%[2]。過去的研究者拓寬了孔隙率控制的技術(shù)和方法,使其穩(wěn)定在這個(gè)區(qū)間上。比如：適當(dāng)調(diào)整水泥、砂用量,優(yōu)化配合比；合理選擇骨料粒徑；或者加入膏體縮小植生型生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)體積,以此來達(dá)到控制孔隙率的目的。

2.2 降堿技術(shù)現(xiàn)狀

大多數(shù)植物的不適宜在pH＞9和pH＜2.5環(huán)境下生長(zhǎng),而水泥水化反應(yīng)呈高堿性（（CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+ H20）,且pH高達(dá)12）不適宜植物生長(zhǎng)。

早先,日本就采用高爐B、C型水泥替代高堿性水泥,制備植生型生態(tài)混凝土,且pH值能維持在8～9,直到2016年也有用高爐礦渣替換水泥,使生態(tài)混凝土處在低堿環(huán)境[18]。但是在我國(guó),使用這樣的方法有很大阻礙,具體見下文經(jīng)濟(jì)性分析。目前降堿技術(shù)有加入酸性物質(zhì)化學(xué)中和反應(yīng)[19-20]；在生態(tài)混凝土表面進(jìn)行防腐處理[21];碳化降堿[22-23]。目前存在問題也很多,比如：在工程應(yīng)用中應(yīng)該考慮生態(tài)混凝土中培養(yǎng)基是否會(huì)被水流帶走,以至于影響植生性能以及孔隙內(nèi)酸堿環(huán)境；對(duì)于生態(tài)混凝土的堿析出是動(dòng)態(tài)過程,加入酸性物質(zhì)中和,維持酸堿平衡并不穩(wěn)定；單一的碳化降堿效果并不明顯,需要結(jié)合其他降堿手段共同完成才能達(dá)到植物生長(zhǎng)條件。

2.3 耐久性能

從混凝土耐久的含義而言,混凝土抵抗外界復(fù)雜環(huán)境,保持自身工作性能為耐久性。國(guó)內(nèi)外研究生態(tài)混凝土耐久性表現(xiàn)在抗凍性、抗侵蝕、抗沖刷性能等,研究方式則采用長(zhǎng)期浸泡、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等。

抗凍性是通過凍融循環(huán)次數(shù)以及生態(tài)混凝土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率來評(píng)價(jià)[24-25]?？骨治g是通過干濕循環(huán)次數(shù),然后通過測(cè)定侵蝕后生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度,最后算得侵蝕系數(shù)[26]?？箾_性主要表現(xiàn)在受流體沖刷后,多孔生態(tài)混凝土質(zhì)量損失率來表示[27]。研究多孔生態(tài)混凝土都有的共性表現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量的損失率,所以要提高耐久性能,需建立一個(gè)抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量最低損失率標(biāo)準(zhǔn),通過改善水泥品質(zhì)、外摻高效外加劑、替代部分水泥、優(yōu)化配合比、對(duì)多孔生態(tài)混凝土表面處理來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu),不斷提高最低損失率,為未來制定標(biāo)準(zhǔn)做鋪墊。

3 生態(tài)混凝土未來發(fā)展分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性

成本決定著推廣應(yīng)用的難度,植生型生態(tài)混凝土與素混凝土水泥用量不同,成本肯定有所差異,而通常情況下,植生型生態(tài)混凝土的水灰在0.3 左右[9],混凝土的水灰比在0.4～0.6,且植生型生態(tài)混凝土為多孔結(jié)構(gòu),一般不用摻砂,整體需要泥漿包裹的體積少,需水量少,根本上決定了植生型生態(tài)混凝土水泥用量要小于混凝土,所需成本就大大降低。對(duì)于工業(yè)廢渣替代水泥的生態(tài)混凝土而言,工業(yè)廢渣替代水泥可高達(dá)60%[18],減少了水泥使用量,但對(duì)于大面積施工來說,存在很大的問題,一是沒有相關(guān)規(guī)范,二是即使充分?jǐn)嚢?也無法保證每個(gè)施工區(qū)域混凝土中,工業(yè)廢渣替代水泥的替代率能維持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間,這使構(gòu)件工作性能得不到保障。所以當(dāng)下只能利用廢棄混凝土、磚、瓦等再生粗骨料、其他低成本粗骨料制備生態(tài)混凝土,或者尋找更有效代替水泥的方法等制備生態(tài)混凝土,并且提高機(jī)械化水平,優(yōu)化施工工藝這樣才會(huì)節(jié)約更多的成本。未來應(yīng)該研究工業(yè)廢渣替代水泥在施工、運(yùn)輸過程中,出現(xiàn)的水泥與工業(yè)廢渣混合不均勻,早日克服這種不均勻性。

3.2 能源消耗

由國(guó)際能源署（IEA）數(shù)據(jù),中國(guó)水泥產(chǎn)出占全球55%以上；2016年水泥生產(chǎn)能源耗能越3.2 億t,約占全國(guó)能耗7.5%,且逐年增長(zhǎng),要維持可持續(xù)性發(fā)展,從2018年起到2030 年,全球水泥直接生產(chǎn)的CO2強(qiáng)度必須每年下降0.8%。就中國(guó)而言,必須加快推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、推動(dòng)生態(tài)發(fā)展,所以應(yīng)盡早實(shí)現(xiàn)硬化護(hù)坡、護(hù)岸的轉(zhuǎn)變,采用植生型生態(tài)混凝土護(hù)坡、護(hù)岸,從根本上直接減少水泥用量,減少能源消耗。

所以,發(fā)展植生型生態(tài)混凝土是非常有必要的。而我國(guó)許多研究者只關(guān)心其他國(guó)家植生型生態(tài)混凝土的研究進(jìn)展,忽略了國(guó)家發(fā)展形勢(shì)所帶來的影響,這對(duì)后續(xù)研究者造成信息收集不準(zhǔn)確、研究目的不明朗、研究缺乏動(dòng)力,所以在未來研究中,應(yīng)多思考國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展政策,以此來改進(jìn)植生型生態(tài)混凝土的功能和發(fā)展方向。

3.3 體系化

應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)植生型生態(tài)混凝土的體系化研究,單一化的研究無法看出植生型生態(tài)混凝土的工程上缺陷,而對(duì)于植生型生態(tài)混凝土體系的形成是需要大量實(shí)踐的,時(shí)間、人力、物力、財(cái)力消耗也是一大困難。解決單一化與體系化的矛盾需要國(guó)家重視,政策引導(dǎo),企業(yè)扶持,只有早日形成體系化研究,及時(shí)發(fā)現(xiàn)體系化過程中存在的問題,才能夠更好地改善并應(yīng)用于海綿城市的生態(tài)建設(shè),并對(duì)未來推出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制定植生型生態(tài)混凝土的相關(guān)規(guī)范有舉足輕重的作用。

4 結(jié)語

本文主要總結(jié)了孔隙率、降堿技術(shù)、耐久性能的研究現(xiàn)狀。分析了國(guó)家發(fā)展方向以及形勢(shì),說明植生型生態(tài)混凝土發(fā)展的必要性。由于植生型生態(tài)混凝土具有與環(huán)境兼容的特性,并且在護(hù)岸和護(hù)坡,水質(zhì)凈化等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景,所以植生型生態(tài)混凝土是未來保護(hù)生態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。但是未來還有一些問題還有待解決：（1）植生型生態(tài)混凝土為多孔結(jié)構(gòu),又是脆性材料,而應(yīng)力集中現(xiàn)象造成的脆性破壞毫無征兆。所以,應(yīng)該考慮應(yīng)力集中的影響,設(shè)置其對(duì)生態(tài)混凝土破壞的安全值,防止工程應(yīng)用出現(xiàn)脆性破壞。（2）目前,我國(guó)使用的大多是普通硅酸鹽水泥,這使得植生型生態(tài)混凝土內(nèi)環(huán)境呈高堿性,不適宜植物生長(zhǎng)。所以,要培育出適應(yīng)高堿性環(huán)境的植物；另一方面,采用高效的降堿技術(shù),或者采用適合植物生長(zhǎng)且經(jīng)濟(jì)的中性或低堿材料替代部分水泥,以維持生態(tài)混凝土內(nèi)部酸堿度。（3）生態(tài)混凝土?xí)霈F(xiàn)石子脫落情況,會(huì)造成強(qiáng)度得不到保證,造成結(jié)構(gòu)失效,這是骨料未與漿體充分粘合導(dǎo)致的,未來可以研發(fā)更高效的添加劑使其充分粘合,或者改良制備工藝,優(yōu)化配合比。