（材料学专业论文）多孔植被混凝土的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 人类进行边坡防护已有很长的历史，但在防护与绿化美化两方面一直没有统 一，与传统防护材料相比，多孔植被混凝土既有较高的强度能有效地进行边坡防 护、加强边坡的稳定性，提高防护年限，又具有很大的孔隙率便于植物在其中生 长，具有改善环境的功能，是一种被广泛认可的生态混凝土，因此，开展多孔植 被混凝土的研究具有重要意义。 本文针对目前多孔混凝土没有统一合理的配合比设计方法，提出了以孔隙率 为主要设计参数，强度为次要设计参数的设计思路，确定了多孔混凝土各原材料 的计算方法，经试验证明，在保证孔隙率的前提下，采取提高胶结材强度和减小 集料粒径等措施提高多孔混凝土的强度是可行的，并且该设计方法简洁明了，各 设计指标物理意义明确直观，避免了使用经验公式和经验曲线。 考虑多孔混凝土结构的特殊性，经过大量试验提出了多孔混凝土的制备工艺， 首先，搅拌工艺是：骨料和7 0 的拌和水，搅拌l m i n ，加入5 0 胶凝材料， 搅拌l m i n ，加入剩余的5 0 胶凝材料和3 0 的拌和水，搅拌2 m i r a 其次，成型 工艺也与普通混凝土不同，新拌混凝土分三层铺装，每层用0 1 6 m m 铁棒插捣2 0 次，装满后先机械振动2 0 s ，然后施加o 1 0 1 5 m p a 的压力；再次，养护方法具 有特殊性，实验室可采用标准条件养护，施工现场采用覆盖薄膜保湿养护。 采用普通硅酸盐水泥制备多孔植被混凝土的一个重要问题是孔隙内水环境碱 度太高，不适应植物生长，本文在分析碱类物质的来源、存在形态后提出了改造 胶结材碱度、用弱酸性土壤中和碱类物质以及对多孔混凝土进行表面处理阻止碱 的溶出这三种改造孔隙内碱度的方法，试验表明多孔混凝土表面处理方法不仅能 有效保持孔隙内土壤为中性，而且还有助于提高多孔植被混凝土的耐久性。 本文针对护坡的实际要求，分析了多孔植被混凝土的护坡形式，提出了表层 覆土材料必须具备一定的强度以防止雨水的冲刷，分析了种植材料和草种的种类 和选材原则，进行了多孔植被混凝土植被种植试验，观察了植物生长的状况，试 验证明，多孔混凝土表面处理后植物完全可以在其上健康良好的生长。 关键词：多孔混凝土，配合比设计，制备方法，p h 值，种植材料 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n es i d es l o pd e f e n c eh a sb e e nac o m i m l o 憾c a r e e rf o rh u m a nb e i n g s h o w e v e r , a p e r f e c tj u n c t i o nh a sn e v e rb e e nf o u n db e t w e e nt h es i d es l o p ed e f e n c ea n dv i r e s c e n c e c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a ld e f e n c em a t e r i a l s ，t h e p o r o u sv e g e t a t i o n - g r o w i n g c o n c r e t ec a nn o to n l ya t t a i nah i g h e rs t r e n g t ht oe f f e c t i v e l yd e f e n dt h es i d es l o p ea n d r e i n f o r c ei t ss t a b i l i t yi nal o n g e rd e f e n s ep e r i o d , b u ta l s og e tah i g h e rv o i dr a t i ot om a k e i tp o s s i b l ef o rp l a n t st og r o wb e t t e r i ni t i tr e a l l yf u n c t i o n si ni m p r o v i n gt h e e n v i r o n m e n ta n dh a sb e e nc o m m o n l yc o n s i d e r e d 嬲a ne c o l o g i c a lc o n c r e t e t h e r e f o r e t od or e s e a r c h e so nt h ep o r o u sv e g e t a t i o n - g r o w i n gc o n c r e t ei sas i g n i f i c a n tt a s k i na l l u s i o nt ot h ef a c tt h a tt h e r ei sn o ta n yu n i f o r ma n dr e a s o n a b l em i xp r o p o r t i o n d e s i g nm e t h o df o rt h ep o r o u sc o n c r e t e ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dad e s i g nm e t h o dw h i c h c o n s i d e rv o i dr a t i o 鹄t h em a i nd e s i g np a r a m o e ra n ds t r e n g t ht h es u b o r d i n a t i n go n e 。 a n dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o da b o u tk i n d so f m a t e r i a l si np o r o u sc o n c r e t ei sa s c e r t a i n e d i t h a sb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t st h a ti nt h ep r e r e q u i s i t ef o re n s u r i n gc o n c r e t e sv o i d r a t i oi ti sf e a s i b l et oi n c r e a s et h ec o n c r e t es t r e n g t h b ys o m em e t h o d si n c l u d i n g i n c r e a s i n gt h es t r e n g t ho fc e m e n t a t i o nm a t e r i a l s ，d e c r e a s i n gt h ed i a m e t e ro fa g g r e g a t e a n ds oo n t l l i sm e t h o di sc o n c i s ea n da l ld e s i g np a r a m e t e r sh a v et h ed e f i n i t ep h y s i c a l m e a n i n g , w h i c ha v o i d st h eu s eo f e x p e r i e n t i a lf o r m u l a r ya n dc h i n e a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a ls p e c i a l i t yo ft h ep o r o u sc o n c r e t e ，t h et h e s i sb r i n g s f o r w a r dt h ep r e p a r i n gt e c h n i c so ft h ep o r o u sc o n c r e t ea f t e rm a s s e so fe x p e r i m e n t s f i r s t l y , t h em i x i n gc r a f i a v o r k sa r e 淞f o l l o w s ：m i xt h ea g g r e g a t ea n d7 0p e r c e n to f a d d i n gw a t e rf o r1m i n u t e ；m i x5 0p e r c e n to f b i n d i n gm a t e r i a l sf o rl m i n u t e s ；m i x t h er e n m a n t5 0p e r c e n tb i n d i n gm a t e r i a l sa n d3 0p e r c e n tw a t e rf o r2m i n u t e s s e c o n d l y , t h em o u l d i n gt e c h n i c sd i f f e r sf r o mt h eu s u a lc o n c r e t e s ：t h e 缸s hc o n c r e t ei sc a s tt h r e e t i m e sp e rm o u l da n de a c ho f t h el a y e r si sr e q u i r e dt ob ep e s t l e dw i t l la1 6 r a md i a m e t r i c p o n t i lf o rt w e n t yt i m e s ，a f t e rw h i c ha2 0s e c o n d s m e c h a n i c a lv i b r a t i o ni sg i v e na n d t h e nt h e c o m p r e s s i v e s t r e s sa b o u to 1 - - 0 1 5 m p ai s f o l l o w e d f i n a l l y , t h e r e i s p a r t i c u l a r i t yo np o r o u sc o n c r e t ec u r i n gm e t h o d ，i nt h el a b o r a t o r yc o n c 阳t ec a nb ec u r e d u n d e rs t a n d a r dc o n d i t i o n sa n dt h em o i s tc u r i n gw i t l lf i l mc o v e ri su s e do ns i t e o n eo ft h es a l i e n tp r o b l e m si l lp o r t l a n dc e m e n tp r e p a r e dp o r o u sg r e e n - g r o w i n g c o n c r c t el i e si nt h ea l k a l i n ee n v i r o n m e n to fw a t e ri nv o i d s ，w h i c hi sn o ts u i t a b l ef o r p l a n t st og r o w a f t e r 觚a n a l y s i so ft h es o u r c ca n de x i s t i n gc o n f i g u r a t i o no fa l k a l i n e i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s u b s t a n c e s , t h r e em e t h o d s 肿r e c o m m e n d e di nt h i st h e s i st oi m p r o v et h ea l k a l i n i t yi n v o i d s ，n a m e l y , t oi m p r o v et h ea l k a l i n i t yo ft h eb i n d i n gm a t e r i a l s ，t oc o u n t e r a c ta l k a l i s u b s t a n c e sw i t ha c i ds o i la n dt 0d c a l 、耐t hp o r o u sc o n c r e t e se x t e r i o rt op r e v e n ta l k a l i s d i s s o l u t i o n i ti si n d i c a t e di ne x p e r i m e n t st h a tt h em e t h o dt od e a lw i t hc o n c r e t ee x t e r i o r c a nn o to n l yk c 印t h es o i li nv o i d sn e u t r a lb u ta l s oh e l pt oi m p r o v et h ed u r a b i l i t yo f p o r o u sv e g e t a t i o n - g r o w i n gc o n c r e t e 。 a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t si nr e v e t m e n t , t h et h e s i sh a sa n a l y z e dt h e r e v e t m e n tf o r m a to f p o r o u sv e g e t a t i o n - g r o w i n gc o n c r e t ea n ds u g g e s t e dt h a tt h ee x t e r i o r l a y e ro fc o v e r i n gm a t e r i a l sp o s s e s s e sc e r t a i ns t r e n g t ht op r e v e n tr a i n w a t e re r o s i o n m o r e o v e r , t h ep l a n t i n gm a t e r i a l s ，s p e c i e so fg r a s sa n ds e l e c t i o np r i n c i p l e sa r ca l l a n a l y z e di nt h et h e s i s t h ev e g e t a t i o np l a n t i n gi np o r o u sg r e e n - g r o w i n gc o n c r e t ei s t e s t e da n dt h ep l a n t s g r o w i n gc o n d i t i o ni so b s e r v e di ne x p e r i m e n t s i th a sb e e nt e s t i f i e d b yt h em a s se x t o e r i m e n tt h a tt h ev e g e t a t i o ng r o wc o m p l e t e l yh e a l t hi ns u r f a c eo f t r e a t e d p o r o u sc o n c r e t e k e y w o r d s ：p o r o u sc o n c r e t e ，m i x i n gd e s i g n , p r e p a r i n gm e t h o d ，p hv a l u e ， p l a n t i n gm a t e r i a l s h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多获期樨 签字日期：声阳6 年o y j ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：劳朝埠 导师签名： 每运盯 签字日期：如年，c 1 月l 日签字日期：乩年u 月l e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着改革开放和社会经济的发展，我国高速公路、铁路和水利等基础设施建 设取得了举世瞩目的成就。但在修建这些基础设施的过程中，由于大量的填方和 开山挖方，在很大程度上改变了原始地貌和植被，形成了很多裸露的土坡和岩石 边坡，造成公路、铁路沿线植被破坏、水土流失、生态失去平衡，甚至造成山体 坍塌和滑坡。这些工程所形成的边坡靠自然界自身的力量恢复生态平衡需要较长 时间，往往留下永久的伤痕，不能自然恢复。我国很多区域由于植被破坏严重， 水土流失对环境造成非常大的危害，坡度较大区域的表层土壤非常容易受到雨水 的侵蚀而流失，公路土质和风化岩石边坡易产生滑坡而给交通和人民生命财产带 来巨大安全隐患，因此必须对边坡进行护坡处理。 另一方面，随着社会的进步和发展，人们对所生存的自然环境的认识也不断 深入，世界各国对生态环境日益重视，环保意识不断增强。进入2 0 世纪8 0 年代 后期，我国在“十五”生态建设与环境保护专项规划中提出：坚持以人为本， 把改善生态、保护环境作为经济发展和提高人民生活质量的重要内容，并且颁布 了中华人民共和国环境保护法，2 0 0 0 年l o 月，国务院针对铁路、公路、水利 设施等建设又下发了国务院关于进一步推进全国绿色通道建设的通知，绿色 通道建设是我国从总体上构建以重点林业生态工程为骨架，以城镇、村庄绿化为 依托，以公路、铁路、河渠、堤坝等沿线绿化为网络的国土绿化战略。全国绿色 通道建设的目标是：在2 0 0 5 年，对全国的高速公路、6 0 的现有铁路、国道、省 道、河渠、堤坝实现绿化。到2 0 1 0 年，力争对全国所有可绿化的公路、铁路、河 渠、堤坝实现全面绿化，形成带、网、片、点相结合，层次多样、结构合理、功 能完备的绿色长廊，使绿色通道与生态环境、城乡绿化美化融为一体，要求工程 建设和绿化统筹规划、同步设计、同步旌工、同步验收【l 卅。 因此，突破传统护坡材料的范围，研究具有结构防护、水土保持、植被恢复 以及减少生态灾害等特点的护坡材料必将成为发展方向之一，所以发展可进行植 被作业的混凝土具有十分重要的意义，也有广阔的市场前景。 1 2 目前应用的护坡技术 从目前各国家护坡技术的应用研究来看，护坡技术主要是围绕着防止坡地免 受雨水侵蚀的目的而进行的，它通过对坡面的有效覆盖和及时地保护表土，使其 免受表面侵蚀和土壤退化，从而减少滑坡等灾害出现的几率0 】。目前应用的技术 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可分为以下三类：混凝土类材料护坡技术，孔洞型材料护坡技术，植被护坡技术。 1 2 1 混凝土类护坡技术 对于土质边坡，传统的混凝土边坡防护技术主要有喷混凝土护坡、干砌片石、 浆砌片石护坡等。这些护坡材料各有其适应的条件和特点。 喷射混凝士护坡】 混凝土护坡技术的应用己有很长的历史，到目前已有相当程度的发展。以下 主要介绍喷射混凝土护坡，现场施工图见图1 1 ( a ) 。 喷射混凝土一般掺入钢筋或钢纤维等增强材料并和锚杆( 或锚索) 同时使用，传 统的素喷混凝土是一种脆性材料，属刚性结构，承受拉应力和弯曲应力的能力较 差。为提高其抗变形及弯曲应力的能力，一般的方法是在喷层中加入铁丝网、钢 筋网或掺入钢纤维等。目前，随着化学工业的发展也出现采用塑料网护坡。这种 护坡施工方法，大致有如下几个步骤：( 1 ) 按设计边坡削坡整平，清除坡面上的石 头等尖角杂物，并对回填部分进行夯实；( 2 ) 敷设钢筋网等加强加固材料；( 3 ) 按设 计标号配制混凝土；( 4 ) 把拌和均匀的混凝土连续注入模具，使喷射厚度达到设计 要求，抹平表面；( 5 ) 灌注后养护混凝土，使混凝土达到设计强度。 利用喷射混凝土护坡具有施工简便、施工速度快等特点，并且混凝土强度较高， 整体性好，抗冻融性等耐久性好，使可能失稳的边坡保持长期稳定性。 干砌片石护坡 1 3 】 干砌片石护坡多用于当地草皮缺乏，石料来源丰富，边坡较缓但较高的土质 边坡。其防护效果好，但施工速度慢，造价较高，缺乏景观效果，不适应“绿色环 保”的要求。 浆砌片石护坡 浆砌片石护坡大多用于石料来源丰富，边坡较陡的防护工程。其优点是可以 一劳永逸，缺点是造价高，缺乏景观效果。现场施工效果见图1 1 。 图1 i 混凝土类护坡技术 f i 9 1 1 c o n c r e ms p e c i e ss l o p ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 孔洞型材料护坡技术 如图1 2 ( a ) 和( b ) 所示，孔洞型护坡材料的实体部分与传统的混凝土材料相同， 只是在块体材料的形状上设计了一定比例的孔洞，其为绿色植被的生长提供空间， 这部分孔洞面积和土壤相连接，为植物正常生长提供养分【l 川6 1 。 孔洞型护坡技术是在修建好的边坡面上砌筑或预制混凝土构件拼装成拱形、 正方形、菱形、正六角形浆砌片石或混凝土骨架，在骨架内可采用液压喷播植草、 土t n 挚植草、铺人工培植草皮( 当框架面积大时) ；或撒草籽植草( 当框架面积较 小时) 。该技术所用的浆砌片石或混凝土骨架能分散坡面雨水径流，减缓水流速度， 防止坡面冲刷，保护草皮生长。 ( a ) ( b ) 图1 2 孔洞犁护坡技术 f i 9 1 2 h o l es p e c i e ss l o p ep r o t e g t i o nt e c h n o l o g y t e c h n o l o g y 1 2 - 3 植被护坡技术 在中世纪，法国、瑞士的运河河岸就采用栽植柳树的方法来防护。据我国历 史资料记载，植被护坡在1 5 9 1 年的明代就开始应用，n 1 7 世纪，我国利用植物护 坡技术保护黄河河岸。直n 2 0 世纪3 0 年代初，这门古老生物护坡技术才被人们重 新发现和认识，并在世界各地得到迅速发展。植被护坡通过植物根系固持土壤， 降低土壤空隙水压，来加固土层和提高抗滑力，通过植物与土工布、塑料网等等 相互搭配，稳固和加强河岸、公路等边坡，并形成土壤保持技术、地表加固技术、 生物工程综合保护技术等主要技术措施【1 7 创。植被护坡施工效果图见图1 3 。 在国际上，专门以植被护坡为主题的首次国际会议，于1 9 9 4 年9 月在英国牛津 举行。由于日本是一个国土狭窄、人口多，地震、火山、台风、暴雨等自然灾害 多发的岛国，因此，其防灾和绿化理论、技术，较之欧美国家的研究而言更加系 统而且先进，应用规模也较大。 植被护坡技术按发展过程可分为以下几个阶段【2 5 q 2 】： 液压播种器，液压播种器是2 0 世纪5 0 年代美国州际高速公路建设时期产生 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的一种成本相对较低，适应大面积开发和建设、高效率绿化施工的植被恢复技术； 压力喷播技术因环境适应能力强，技术易掌握控制，应用领域逐步扩大，传播范 围遍及世界。1 9 6 0 年，日本从美国引进了喷播技术，并把先进的液压喷播技术广 泛应用于高速公路路堤边坡的绿化。 图1 3 植被护坡技术 f i 9 1 3v e g e t a t i o ns l o p ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y 1 9 7 3 年开发出的纤维土绿化工法( f i b e r - s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) ，标志着岩体绿 化工程的开始，它也是日本最早开发的厚层基材喷播工法。以后技术上不断改进， 在2 0 世纪8 0 年代，获得广泛应用；但是，此项技术存在喷射基盘无法形成最适宜 植物生长所需的团粒结构，普通硅酸盐水泥黏结剂基盘初期p h 值很高，影响植物 生长发育，采用沙质土基盘材料易流失等缺陷。 1 9 8 3 年，日本开发出高维团粒s f 绿化工法( s o i lf l o c kg r e e n i n gm e t h o d ) ，此工 法的基本特征为：壤土质，并添加团粒剂、特殊的乳化沥青黏结剂，经过混合搅 拌、团粒反应、造粒，促进了基材团粒结构的形成，多维团粒形成小孔隙和大孔 隙，使基盘具有良好保水性、通气性和耐水力侵蚀性，且p h 值呈中性，为植物种 子的发芽生长以及微生物、小动物的活动，创造了理想的环境，有利于坡面早期 实现大规模绿化。 1 9 8 7 年6 月，日本从法国引进连续纤维加筋土工法，随后把此项技术与高维 团粒s f 绿化工法结合在一起，开发出连续纤维绿化工法( t e x t i l es o i lg r e e n i n g ) 。该技 术特点是：为了增加喷播基材的稳定性，在高维团粒绿化工法的基础上，加入辅 强材、黏着性植物纤维后，使基盘更加稳定，基材的抗侵蚀性更强，能适应坡体 的微小变形；由于确保了植被大根系的伸长空间，可引入木本植物用于坡面的树 林化；施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组成。 此工法1 9 8 8 年开始实用化，之后，获得加拿大、日本等国发明专利，并推广到中 国香港和台湾。 日本在高维团粒s f 绿化工法和连续纤维绿化工法的基础上，进一步开发出 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 表土培养绿化工法( e c o l o g yr e c o v e r y ) 和覆盖绿化工法( m u l c h i n gf l o c k ) 。表土培养绿 化工法是在连续纤维绿化工法的基材搅拌时，加入当地表土、培养基和活性荆， 混合培养2 3 d ，形成培养土，混合搅拌后，喷射到坡面基盘上。由于引入经过培 养的当地表土，基盘活性增强，有利于早期恢复自然土壤生态系统。覆盖绿化工 法，是在高维团粒s f 绿化工法的基盘上，将覆盖材( 切碎的水稻秆) 和高吸水树脂等， 放入分散液分散后，与反应剂在喷枪内搅拌，然后喷射到坡面基盘上，形成覆盖 层，相当于形成林地枯枝落叶层，使基盘具有良好蓄水保墒性，适合干燥、大于 6 0 。陡坡等困难边坡条件的绿化。 以上介绍的纤维土绿化工法、高维团粒s f 绿化工法、连续纤维绿化工法、表 土培养绿化工法和覆盖绿化工法，都是厚层基材喷射工法，由于厚层基材喷射工 法需要消耗大量的天然有机质材料( 如泥炭及其他天然腐殖质等) ，而这些资源都是 有限的，因此，在上世纪9 0 年代，日本开始研究下水道污泥、废纸浆、废木材、 木屑、畜粪等废弃物回收，形成富含有机质的喷射基材，并取得一定研究成果。 1 3 当前护坡技术存在的问题 传统的护坡材料种类繁多，目前应用的也比较多，但并不是不存在问题，前 面分析的三大类材料各自有优点和缺点，主要体现在以下几点： 混凝土类护坡材料虽然具有强度高、耐久性好等诸多优点，但混凝土表面 质地脆硬，表面粗糙且里强碱性，触觉效果差，同时混凝土颜色灰暗，视觉效果 缺乏生机，由混凝土材料构筑的空间给人以粗、硬、冷、暗的感觉，绿色植被无 法在混凝土上生长，这与发展绿色通道的目标相违背。 孔洞型护坡材料虽然构件制作相对简单且具有一定的绿化效果，但可绿化 面积较少，一般能达到8 2 0 ，同时孔洞直径大，孔内土壤存在抗洗掘性差以及 易流失等缺点。 植被护坡技术绿化效果好，植生基材具有一定的强度，但能否经历雨水长时 间浸泡和冲刷尚待观察j 同时，由于斜坡类型、植物种类以及土壤条件的变化， 使得植被护坡结果缺乏可测性和可控性。 从上述分析可以看出，工程护坡技术的不足之处是缺乏生态效果，但是能为 边坡提供支挡加固措施，使之做到深层稳定和浅层稳定，能为植被生长提供稳定 环境，着坡面种植植物后，植物的根系能增强坡面表层稳定，因而对边坡稳定起 到重要作用。所以目前学术界和工程界在考虑植被护坡时，不仅仅是单方面做到 坡面绿化或坡面加固，而是将工程防护和植被防护有机结合起来，形成稳固而又 有生态景观效应的防护结构体系，而其中工程设计的趋势是设计出更合理的工程 结构，使得坡面上看不见工程结构，全部显现植被和优美的景观。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 多孔植被混凝土护坡技术的提出 1 4 1 多孔植被混凝土的概念 多孔植被混凝土目前并没有严格规范的定义，根据其特点和功能，可概括其 为能够适应植物生长，可进行植被作业，具有恢复和保护环境、改善生态条件、 具有防护作用功能的混凝土及其制品【瑚4 】。 多孔植被混凝土主要由以下几部分组成1 3 5 】：主体结构、植生基材和植物。作 为花草载体的主体结构，为无砂多孔混凝土，其一般是由粗集料、水泥和水拌制 而成的一种多孔轻质混凝土，他不含细骨料，由粗集料表面包覆一层水泥浆体而 相互粘结而成的既有一定强度又具有孔穴结构均匀分布特点的蜂窝状结构，形状 如“米花糖”，具有透气，透水和重量轻等特点，厚度约l o o r l n l ，孔隙率达2 5 0 一3 3 。 植生基材为混凝土表面上的一薄层栽培介质和孔隙内的填充材料，成分一般为草 炭土、普通土壤按比例拌和而成，营养成分与施播的种子，置于此介质中，成为 利于植物种子萌芽生长的初始环境，孔隙内蓄容的水分和养料，利于苗根须通过 并扎根至混凝土底下适于植物生长的边坡土壤中，可预置缓释性肥料，有利于植 物根系的长期生长，多孔植被混凝土基本结构见图1 4 。 图1 4 多孔植被混凝土示意图 f i 9 1 4 s k e t c hm a po f p o r o u sv e g e t a t i o n - g r o w i n gc o n c r e t e 1 4 2 多孔植被混凝土的特点 从多孔植被混凝土的结构上可以看出，其在功能上较之传统的护坡材料有很 大不同，主要体现在以下几个方面【3 w 8 】： 多孔植被混凝土不仅和普通混凝土一样具有较高的强度，同时还能像土壤 一样种植多种植物，同时满足了结构防护和边坡绿化的需要，防护作用和环境效 益非常好，与目前的边坡防护目标相一致。 整体性好，多孔混凝土本身具有一定的强度，在植物生长起来后，植物根 系和多孔混凝土的共同作用能使结构整体防护力提高2 3 倍。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 抗洗掘性好，多孔植被混凝土孔隙直径相对孔洞型护坡材料而言要小的 多，因而对土壤的保持力好，孔隙内土壤不易流失。 耐久性较好，多孔混凝土具有普通混凝土的特点，耐久性较好，只要做适 当处理，可以大幅度延长使用寿命。 表1 1 从排水、消波、抗洗掘、景观性等方面对比分析了多孔植被混凝土与普 通混凝土的优缺点 3 9 - 4 “。 表1 1多孔植被混凝土与普通混凝土的比较 t a b l 1 c o m p a r eb e t w e e np o r o u sv e g e t a t i o n - g r o w i n gc o n c r e t ea n do r d i n a r yc o n c r e t e 比较因素多孔植被混凝土普通混凝土 1 4 3 多孔植被混凝土国内外研究现状 多孔植被混凝土是将无砂多孔混凝土作为植物生长基体，是一种新兴起的生 态混凝土，而多孔混凝土本身并不是新的材料。第一次世界大战结束之后的2 0 年 代，无砂多孔混凝土首先在荷兰应用于建筑物的非承重墙体，其目的是减轻建筑 物的自重，并提高墙体的保温性能，收到了良好的效果。从此以轻质、保温为目 的的多孔混凝土材料逐步在欧洲、北美、西非、中东、亚洲乃至全世界范围内的 房屋建筑中得到了大量应用【4 。然而，具有大量连通空隙、用于铺筑道路、公 园、广场、停车场、体育场等部位，以实现透气性和透水性、调节生态平衡和环 境保护为目的的多孔混凝土，在植被护坡上并未得到应有的发展。真正把多孔混 凝土作为植被混凝土来研究，最早开始于日本1 5 0 1 。 1 9 9 4 年5 月日本研究者在茨城县渡里地区那珂河河堤，曾进行过一次用多孔 混凝土作为护岸材料的试验工程睛m 叼，施工面积8 2 m 2 ，河堤坡度为2 0 ，选用的 植物为肯塔基早熟禾，立文斯牛毛草和狗牙草，作为管理条件，既不需要洒水， 也不需要追肥，并按过去的习惯方法进行割、烧，经过3 8 个月异常气候的严峻环 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 境，对植物进行长期观察表明：多孔混凝土上植被种子发芽良好，长势茂盛，此 试验工程成功的证明了多孔混凝土适用于河川护岸、植物生长等，具有良好的发 展前景。为此，1 9 9 5 年日本混凝土工学协会提出了生态混凝土的概念并专门设立 了“生态混凝土研究委员会”，主要开展多孔植被混凝土的研究。2 0 0 1 年4 月，日 本“先端建设技术中心”制定了多孔植被混凝土河川护岸工法，以推进具有生态效应 的多孔植被混凝土的应用进程。日本国内应用这种技术已经有数百个工程实例， 普遍用来构筑堤坝、河岸、公路边坡等。 欧美发达国家在多孔透水混凝土方面发展较早，技术比较成熟，应用也比较 广泛，但在多孔植被混凝土方面，相对于日本而言，起步比较晚，目前，欧美还 处于技术攻关阶段，一些应用的工程多为引进的日本技术。 国内对多孔植被混凝土的研究还处于起步阶段，吉林省水利实业公司1 9 9 8 年 引进日本技术，在中国进行推广，但由于价格太高，效果不理想。另外，江苏大 学、东南大学在多孔混凝土方面有所研究，从发表的文章来看主要还是集中在多 孔植被混凝土强度和孔隙率等方面的初步研究。 总的来说，日本在多孔植被混凝土方面技术先进，处在技术推广应用阶段， 欧美国家处于技术攻关阶段，中国处于基础理论初步研究阶段。 1 4 4 多孔植被混凝土需要解决的问题 多孔植被混凝土具有工程防护性能的同时，还具有适合种植植物改善环境等 效果的性能，即既有较高的强度能防止因水位升降和水流冲刷、淘石作用而破坏 河岸、边坡的稳定性，提高防护年限，又具有很大的孔隙率便于植物在其中生长 ( 植生) ，是一种被广泛认可的生态混凝土。但这种混凝土要在国内广泛的应用起 来，还必须解决以下几个问题： 多孔混凝土在欧洲、美国、日本等国家和地区已经有了广泛的应用，而在 我国还处于初步阶段，到目前为止尚无统一、合理的多孔混凝土配合比设计方法。 目前报道的多孔混凝土配合比设计方法不够系统和全面，具体设计参数没有明确， 对孔隙率与强度之间的矛盾没有提出解决的方法，而这些都是多孔混凝土配合比 设计的关键问题，急待解决。 限制多孔植被混凝土在我国应用的主要原因是用普通硅酸盐水泥生产出 的多孔混凝土孔隙内的水环境若未经改造，碱度则太高，p h 值高达1 2 以上，不 适合植物生长，所以要在多孔植被混凝土中成功栽种植物，就必须解决其孔内碱 度过高的问题。 为防止雨水的冲刷，植被种植材料应具有一定的强度，种植材料混合物喷 射到孔隙中和多孔混凝土表面后，在坡面植被完全覆盖以前，必须具有较好的抗 侵蚀性，目前还没有专门针对多孔植被混凝土植被种植材料的研究。 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 5 本文主要研究内容 在混凝土中形成连续的孔隙通道是制备多孔混凝土的关键，选取特定级配的 集料，严格控制片状集料含量，采用掺和料和高效减水剂等来保证胶结材既有一 定的流动性又要有足够的粘度，确保连续孔隙的形成。此外，为了便于植物的生 长，需在多孔混凝土孔隙中注入种植材料，填充材料既有一定的保水性又有一定 的肥效性，以保证植物长期有效地生长，所以本文的主要研究内容： 多孔混凝土配合比设计方法研究，包括设计参数的确定，设计思路的提出， 单位体积各原材料用量计算方法。 多孔混凝土制备工艺研究，包括搅拌工艺、成型方法、养护方法等。 多孔混凝土孔隙内碱度研究，首先对多孔植被混凝土孔隙内碱性的影响因 素进行研究，然后提出合理的改造技术。 植物种植试验，包括孔内填充材料的配制，以及土壤填入孔隙内的方法， 选择一些植物在多孔植被混凝土中进行种植试验。 1 6 本文研究目的和意义 多孔植被混凝土是一种既能减少对生态环境的负荷，同时又能与自然生态系 统协调共生，为人类构造舒适环境的生态混凝土。将多孔植被混凝土用于破坏了 的河道护岸、沟渠驳岸、公路边坡等生态环境进行修复和重建，不仅具有传统的 混凝土护岸的特点，而且由于多孔混凝土表面生长着绿色植物，既改善了周围大 气的环境，又保持了绿色自然景观。同时，微生物及小动物在多孔混凝土凹凸不 平的表面或连续孔隙内生息，既保持了生物的多样性，又能对河川、湖泊的水质 问接地进行净化，具有一举多得的生态效果，创造了混凝土与自然环境的衔接点， 社会效益和生态效益十分突出，对人类的可持续发展具有重要贡献。 多孔植被混凝土的研究涉及材料、环境科学和植物学等学科，是真正意义上 的跨学科的研究。要实现多孔植被混凝土的广泛应用，必须对多孔混凝土配比组 成设计、孔隙分布、强度、孔隙内碱度、植物种类、孔隙内填充材料开展研究， 而此方面研究对缩短我国与国际先进研究水平之间的差距，对提高我国护坡技术， 保护自然生态环境和生物的多样性等具有重要的学术价值和实用价值。 9 重庆大学硕士学位论文 2 原材料与试验方法 2 原材料与试验方法 2 1 试验原材料 2 1 1 水泥 重庆地维水泥厂生产的p 0 3 2 5 r 、p 0 4 2 5 r 和p 0 5 2 5 r 级普通硅酸盐水泥， 具体化学成分和物理性能指标分别见表2 1 和表2 2 。 表2 1 普通硅酸盐水泥的化学成分( ) t a b 2 1 c h e m i s t r yc o m p o n e n t so f o r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n t 表2 2 普通硅酸盐水泥的物理性能 t a b 2 2 p h y s i c a lp e r f o r m a n c eo f o r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n t 2 1 2 集料 重庆歌乐山地区石灰岩，针片状含量少，分为间断级配( 9 5 1 6 0 r a m 、 1 6 - 1 9 0 m m 、1 9 0 - 2 6 5 m m 、2 6 5 - 3 1 5 r a m ) 和连续级配f 9 5 2 6 5 m m ) 。 2 1 3 矿物掺合料 粉煤灰，重庆珞璜火电厂生产的i i 级粉煤灰，细度( 4 5 u r n 方孔筛筛 余) 2 0 ，需水量比小于1 0 5 。 矿渣微粉，由重庆市环亚建材有限公司生产，密度2 9 1 9 c m 3 ，比表面积 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 原材料与试验方法 约为6 1 0 m 2 k g 。 硅灰，贵阳铁合金厂的硅灰，颗粒粒径0 1 u m - - 0 2 u m ，比表面积约为 1 5 0 0 0 m 2 k g ，主要成分是无定型的活性二氧化硅，还含有少量的其它化合物。 粉煤灰、矿渣微粉、硅灰的化学成分见表2 3 。 表2 3 掺合料的化学成分 t a b 2 3 c h e m i s t r yc o m p o n e n t so f a d m i x t u r e s 2 1 4 混凝土外加剂 本试验主要使用了两种混凝土高效减水剂：重庆灵通混凝土外加剂公司研制 开发的萘系高效减水剂，粉剂，主要成分b 萘磺酸亚甲基高聚物，减水率达到2 0 以上；上海华登建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，棕色液体，含固量2 3 ， 减水率达到3 0 以上。 2 1 5 拌和水 普通自来水。 2 1 6 天然土壤 采集表面上长有植物的土样，土样在阴凉处晾干后，碾碎过筛，保存以备试 验之用，土壤颗粒级配见表2 4 。 表2 4 土壤筛分结果 t a b 2 4s i f to u tr e s u l t so f s o i l 2 1 7 化学试剂 试验中所用化学试剂均为市售产品，主要有磷酸二氢钾、硫酸亚铁和硼酸， 各材料基本情况见表2 5 。 重庆大学硕士学位论文 2 原材料与试验方法 表2 5 试验用化学试剂 t a b 2 5c h e m i c a lr e a g e n t sd u r i n ge x p e r i m e n t a t i o n 2 1 8 环氧树脂 e 4 4 环氧树脂( 双酚a 型环氧树脂) ，低聚合度树脂( n = 肌1 8 ) ，由中吴晨光化 工研究所按照q 4 5 0 9 0 4 4 8 8 8 9 - 2 0 0 4 执行标准生产。 环氧树脂固化剂为j a 1 酚醛改性胺类固化剂( 主要组分：苯酚、甲醛乙二胺) ， 四川省蒲江精细化工厂生产，具体指标见表2 6 ，固化物性能参数见表2 7 。 表2 6 环氧树脂固化剂质量指标 t a b 2 6q u a l i t yi n d e xo f e p o x yr e s i nh a r d e n e r 固化物配比 环氧树脂：j a 1 固化剂= 1 0 0 ：1 3 2 5 ( 重量比) 项目 数据项目数据 环氧树脂稀释剂为乙酸乙酯( 分子式为c h 3 c o o c 2 h 5 ，分子量8 8 1 1 ) ，重庆川 东化工集团有限公司生产，乙酸乙酯含量2 9 9 5 ，乙酸甲酯(