（材料学专业论文）大掺量粉煤灰植生型多孔混凝土的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着环境保护、保持生态多样性及维持社会可持续发展的需要，传 统的混凝土材料研究，逐渐由结构材料向生态功能混凝土方向发展。利 用现代高新技术对传统的混凝土材料进行改进和创新，并尽可能多的利 用工业附产物如粉煤灰等，达到与自然环境相协调，植生型多孔混凝土 的研究开发与应用符合了混凝土的发展趋势。植生型多孔混凝土将植物 生长引入到混凝土结构中，对生态环境建设和维护有着重大而积极的意 义。 。 本文采用新型酸性化学激发方法试剂结合物理条件的复合方法来充 分发挥粉煤灰的潜在活性，获得了符合植生型混凝土要求的高活性掺合 料，减少了基材的水泥用量，减缓了混凝土 o h 离子的溶出。引入接触 碱度的概念，通过测试与混凝土内部空隙表面接触物质的碱度变化，更 直观的反映了混凝土碱度对植物生长床絮的影响一在大掺量粉煤灰( 5 0 ) 的基础上进行配合比研究，获得了植生型多孔混凝土的最佳配合比，制 备出植物生长基，并进行了植物生长实验。采用s e m 、t g s d t a 、x r d 等 现代测试方法对新型粉煤灰激发的机理和植生型多孔混凝土的界面性能 进行了研究，取得的主要研究成果和结论如下： 在本实验条件下粉煤灰复合激发的结论是：在激发剂掺量为 1 2 m l k g f a 时，混料时间6 m i n ，陈化时间为2 天效果最好。激发后粉煤 灰取代5 0 水泥的胶砂试样2 8 天强度最高可以达到3 3 2 0 m p a 。x r d 、s e m 、 t g s d t a 等分析结果表明，激发后的粉煤灰水化充分，在水化早期生成大 量的水化硅酸钙和水化铝酸钙。 对植生型多孔混凝土的配合比进行了研究，得出本实验条件下的最 佳配合比，在2 8 天龄期抗压强度大于l o m p a ，孔隙率大于3 5 ，透水系 数大于3 5m ms1 ，2 8 天龄期的接触碱度p h 值在9 5 左右，满足结构强度 要求和植物生长需求。x r d 、s e m 等分析结果表明硅灰的加入有效的改善 的植生型多孔混凝土的界面过渡区，产物致密。 。 在植物生长基上进行了植物生长实验，考察了植物的生长过程和状 况，植物生长情况良好。 关键词：粉煤灰复合激发植生混凝土多孔混凝土接触碱度 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h en e e d so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，k e e p i n ge c o l o g i c a l d i v e r s i t ya n dm a i n t a i n i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，r e s e a r c h e so n t r a d i t i o n a lc o n c r e t ea sc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s g r a d u a l l y t u r n e dt o s t u d y a b o u te c o l o g i c a lf u n c t i o n a lc o n c r e t e u s em o d e r nn e wt e c h n o l o g i e st om e n d t r a d i t i o n a lc o n c r e t em a t e r i a l s ，w i t h i n d u s t r y c a s t o f fa d d e da so n eo f e l e m e n t si nc o n c r e t ea sm o r ea si tc a n ，t h e ni tc a nb eh a r m o n i o u s l yw i t h e n v i r o n m e n t ：r e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fp o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n t g r o w i n gj u s tf o l l o w i n gt h i st r e n d p o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n tg r o w i n gb r i n g g r e e n g r o w i n g i n t oc o n c r e t es t r u c t u r e ，i ts e n s ea c t i v ea n ds i g n i f i c a n t m e a n i n g st oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e i nt h i sr e s e a r c hn e wa c i dc h e m i c a la c t i v a t o rb a s e dw i t h p h y s i c a l m e t h o dt oa c t i v a t e p o t e n t i a la c t i v eo ff l y a s hw a sp r o c e s s e d ，h i g ha c t i v e a d d i t i v et h a tm e e tt h en e e do fp o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n tg r o w i n gw a s a c q u i r e d ，w i t hl e s sc e m e n tu s e di nc o n c r e t e ，a m o u n to f 【o h s e p a r a t eo u to f c o n c r e t ed e c r e a s e d t o o c o n c e p to fc o n t a c ta l k a l i n i t yw a si n t r o d u c e dt o r e f l e c te f f e c to fa l k a l it op l a n t i n gb a s eo b v i o u s l yb yt e s t i n gc h a n g e sa b o u t a l k a l io fc o n t a c tt h i n gt h a tg o tt op o r eo fc o n c r e t e b a s e do nh i g hv o l u m ef l y a s h ( 5 0 b yw e i g h t ) ，m i xr a t i ow a sr e s e a r c h e d ，t h e np r e p a r e dp l a n t i n gb a s e ， a n dp l a n tg r o w i n gw a sa l s os t u d i e d w i t ht h eh e l po fm o d e r nt e s t i n gm e t h o d s u c ha ss e m ，t g s d t a ，x r d ，a c t i v a t em e c h a n i co ff l ya s ha n di n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n a lz o n eo fp o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n tg r o w i n gw e r es t u d i e d t h e r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w ： c o n c l u s i o n sa b o u tc o m p o u n da c t i v a t ef l ya s hu n d e rc o n d i t i o n so ft h i s r e s e a r c h ：b e s tr e s u l tw a sa c q u i r e dw h e na m o u n to fa c t i v a t e r e a g e n tw a s 1 2 m l k g f a ，m i x i n g t i m ew a s6 m i n ，a g e i n gt i m ew a s 2 d ，c o m p r e s s i v e s t r e n g t ha t2 8 do fc e m e n tm o r t a rw i t h5 0 c e m e n tw a st a k e np l a c e db y a c t i v a t e d f l ya s hc a nb e3 3 2 m p a m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s s h o wt h a t a c t i v a t e df l ya s hh y d r a t e d a d e q u a t e l y a n dm o r ec s h a n dc a hw a s p r o d u c e da te a r l ys t a g eo fh y d r a t i o n 。 r e s e a r c h e sa b o u tm i xr a t i oo fp o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n tg r o w i n gw e r e 西南科技大学硕士研究生学位论文第l ii 页 p r o c e s s e d ，a n dt h eb e s tm i xr a t i ou n d e rc o n d i t i o n so ft h i se x p e r i m e n tw a s g a i n e d ，a t2 8 da g ei t sc o m p r e s s i v es t r e n g t hw a so v e r1 0 m p a ，p o r o u sr a t i o w a sa b o v e3 5 ，p e r m e a t i o nc o e f f i c i e n tw a se x c e s s3 5 m m s ，p hv a l u eo f c o n t a c ta l k a l i n i t yw a sa b o u t9 5 ，w h i c h s a t i s f yt h en e e do fc o n s t r u c t i o n m a t e r i a l sa n df i tf o rp l a n tg r o w i n g m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i ss h o wt h a tw i t h s i l i c af u m ea d d e d ，i n t e r f a c i a lt r a n s i t i o n a lz o n eo fp o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n t g r o w i n gw a sa m e l i o r a t e da n dp r o d u c t i o n sw e r em o r ec o m p a c t r e s e a r c ho np l a n tg r o w i n gw a sp r o c e s s e do np l a n t i n gb a s e ，s t a t u sa n d p r o c e s s o f p l a n tg r o w i n gw a sa s s e s s e d ，a n dp l a n tc a ng r o wt h r i v eo n p l a n t i n gb a s e k e yw o r d s ：c o m p o u n da c t i v a t ef l ya s h ：c o n c r e t ef o rp l a n tg r o w i n g ： p o r o u sc o n c r e t e ；c o n t a c ta l k a l i n i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得西南科技大学或其 它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了谢意。 签名：撕照 e t 期：挪7 ，等 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：掀哥癌 名：藕荡断一一7 v 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 选题意义 我国国民经济和社会发展“九五”计划与2 0 1 0 年远景目标纲要将建筑工 业与建材工业列为支柱产业，并确定建材工业应以调整结构，节约能源，节 约水及减少污染为重点，大力增加优质产品，发展商品混凝土，积极利用工 业废渣等方针，实现建筑工业与建材工业的可持续发展。可持续发展是社会 经济发展的根本性战略，它要求在大力发展经济的同时，要解决好经济、环 境、资源、人口和社会等的协调性，即既要达到发展经济的目的，又要保护 人类赖以生存的自然环境和资源，使子孙后代能永续发展安居乐业。 水泥混凝土是利用最广泛的人造材料之一，2 0 0 6 年使用量大约为9 0 亿吨， 是人类与自然界进行物质与能量交换活动中消费量很大的一种材料。混凝土 的大量使用给人们的生活带来了很大的便利，但同时也对生态环境造成严重 影响m 。目前，城市表面8 0 以上的面积被建筑物和混凝土路面覆盖，其主要 缺点为： ( 1 )混凝土的非透气、透水性，造成城市生态系统失调 为了达到高强度和耐久性的要求，传统的混凝土始终在追求其结构的密 实性。这种密实性的混凝土缺乏透气性和透水性，对空气的温度、湿度的调 节能力差，使得城区的温度比郊区和乡村高2 3 c ，产生所谓的“热岛现象” m 。雨水长期不能渗入地下，造成城市地下水位下降，影响地表植物的生长， 城市绿色面积减少，生态系统失调。 ( 2 )排放出大量的c 0 ：，s o ：，n 0 ：等有害物质，造成地球的环境问题 混凝土的主要组成材料之一是水泥，大约占混凝土重量的1 5 。水泥原材 料中的石灰石( c a c o 。) ，大约是3 5 亿年前的远古时期，将大气中的c 0 。作为岩 石固定的一种矿物质。在制造水泥时有大量石灰石分解，同时排出具有温室 效应的c o ：气体。目前全世界每年c 0 ：的排放量大约为2 4 0 亿吨，其中由于生 产水泥而产生的c o 。气体约占1 7 ，是产生温室效应气体的大户。 ( 3 )混凝土材料的视觉和触觉效果差 混凝土为现代社会大宗建设材料，但是混凝土质地脆硬，表面粗糙且呈 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 材料构筑的生活空间给人以粗、硬、冷、暗的感觉。 混凝土的大量生产和使用给人类提供了便捷的生活设施，也给地球环境 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 和生态平衡造成了严重的影响。为了实现可持续发展的目标及绿化环保，将 混凝土对环境造成的负荷控制在最小的限度内，混凝土材料的研究、生产和 应用必须考虑到环境因素。因此，突破传统建筑材料的范围，发展新型混凝 土，寻求与自然的和谐发展，成为混凝土发展方向之一n ，。生态环境友好型混 凝土，作为一种新型的环保建筑材料应运而生n “。 至上世纪八十年代后期以来，生态环境友好型混凝土逐渐形成一门独立 学科，根据使用功能，分为植被绿化混凝土、海洋生物保护型混凝土、透水 型混凝土等三大类”1 。植被绿化混凝土是指能够适应植物生长、可进行植被作 业的混凝土及其制品，具有保护环境、改善生态条件、基本保持其作为结构 材料作用三大功能。植生型多孔混凝土是植被绿化混凝土的一种类型m ，这种 混凝土以多孔混凝土作为骨架结构，内部存在着一定量的连通孔隙，为混凝 土表面的绿色植物提供根部生长、吸取养分的空问，采用多孔混凝土作为植 物生长基体，并在孔隙内充填植物生长所需的各种物质和提供生长空间。 植生型多孔型混凝土用于城市的道路两侧、高速公路护坡及中央隔离带， 水边护坡、楼顶、停车场等部位，可以增加混凝土材料表面透水透气性，提 高湿热交换能力，降低混凝土材料表面温度，增加城市的绿色空间，减少城 市热岛效应，调节人们的生活情绪，具有吸收噪音和粉尘的功能，对城市气 候的生态平衡也起到积极作用，能够改善人居环境。由于强度要求不高，可 大量掺加活性粉煤灰掺合料来代替部分水泥，从而可以减少因开采砂石对山 林及河道的破坏，减少水泥用量和二氧化碳排放量。 普通混凝土由于其主要胶凝材料是水泥，需要在碱性条件下完成水化过 程，溶出大量c a ( o h ) 。，造成混凝土孔隙液相碱度较高，p h 值达1 2 1 3 ，不利 于植物的发芽生长“1 。植生混凝土要求低碱度、内部具有一定大小的空隙率， 并形成连通，能够提供植物生长所必需的养分和空气，有足够的粘结力和强 度。因此，植生型多孔混凝土主要以多孔混凝土基材为研究对象，利用其特 有的结构、表面特性以及由此产生出的其它性能。 1 2 国内外研究现状 粉煤灰具有潜在的火山灰活性，需要激发才能发挥，激发后的粉煤灰在 工程实践中工作性能良好，以至于粉煤灰已经成为混凝土原料不可或缺的一 部分。一般激发剂的强碱作用可能会提高混凝土的碱含量，增加混凝土发生 碱骨料反应( a a r ) 的危险，而用酸性激发剂激发粉煤灰的潜在活性，获得高 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 活性掺合料，取代部分水泥，一方面减少了水泥用量，减少了溶液中o k 的析 出量：另一方面高活性的粉煤灰中的s i o ：、a 1 。0 。等活性组分消耗了水泥水化 过程中析出的0 h 一，降低了混凝土的孔隙液相碱度，使得制备适合植物生长的 低碱混凝土成为可能。 1 2 1粉煤灰活性激发及大掺量粉煤灰混凝土的研究现状 粉煤灰因为具有类似火山灰的潜在活性而得到了大量的研究，并越来越 多的被应用到工程实践中，已经成为混凝土中重要的组成部分。粉煤灰的化 学活性来源于熔融后被迅速冷却而形成的玻璃态的颗粒中可溶性的s i o z 、a 1z o s 等活性组分，活性s i o 。、a 1 ：0 。在有水存在时，可以与水化中溶出的c a ( o h ) 。 反应，生成水化硅酸钙( c s h ) 和水化硅酸铝( a s h ) 。 同时混凝土中的n a + 和k + 等阳离子对提高玻璃体的反应活性也有一定的作 用，它们是硅酸盐玻璃网络的改变剂，促使网络解聚。 粉煤灰颗粒较细，能均匀分散到混凝土中，与水泥水化产物产生二次水 化反应的界面相当大，二次水化反应较充分。粉煤灰的火山灰效应一方面改 善了水泥石的孔结构，使水泥石的总孔隙率降低，平均孔径减小，大孔数量 降低，孔结构进一步细化，孔分布更加合理；另外，由于粉煤灰的活性成分 能与水泥的水化产物进行二次水化反应，因而能取代部分水泥，减少混凝土 中的水泥用量，降低混凝土中水泥的水化热量，有利于防止或消除混凝土中 由于温度应力而产生的微小裂缝，使混凝土表面出现裂缝的机率大大降低， 表面结构更加密实，表面平整度得到明显改善。由于浆体体积增加，浇筑的 表面比较饱满，还由于粉煤灰具有较好的保水性，不致出现面层浮浆、浮灰 等不良现象，有利于提高混凝土表面平整度和光洁度。 国外从三十年代，国内从五十年代开始在混凝土中应用粉煤灰，最初的 目的仅出于经济性的考虑( 节约水泥或弥补细集料的不足等) ，用粉煤灰取代 已有配合比中的等量水泥，随着对粉煤灰在混凝土中效应研究的不断深入以 及应用经验的积累，粉煤灰的诸多优点被发现并逐渐得到认同，七十年代出 现的碾压混凝土筑坝技术中，成功地在混凝土中掺加大量粉煤灰减少水泥用 量，降低混凝土的水化热温升，同时又保证了拌合料中胶材浆状物足够碾压 均匀密实，对于水工大坝体积稳定性起到了重要作用。这种掺加大量粉煤灰 的混凝土便是最初意义上的大掺量粉煤灰混凝土( h i g hf l y a s h c o n t e n t 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 c o n c r e t e ，简称h f c c ) j l l ，。另外，随着减水剂尤其是高效减水剂的逐渐普及， 极大地发挥出了粉煤灰的潜能。高效减水剂和粉煤灰在混凝土中的联合掺用， 可以显著降低水胶比，使粉煤灰对混凝土强度的贡献大大增加，耐久性得到 显著改善，上述因素极大地推动了大掺量粉煤灰混凝土的发展。 粉煤灰在传统的常态结构混凝土中掺加量一般占胶凝材料总量的 1 5 一3 0 ，掺量达4 0 以上的研究和应用实例并不多见，即使在大体积混凝土 中粉煤灰取代水泥的限量一般也仅为5 0 。而近1 0 年的研究与应用显示，h v f c ( h i g hv o l u m ef l y a s hc o n c r e t e ) 中粉煤灰掺入量已可达总胶凝材料5 0 以上m u ”。过去限制粉煤灰在混凝土中大量利用的原因主要是过去由于粉煤灰 的研磨、锻烧及集灰装置等条件较差，导致粉煤灰的品质差，且晶质的变异 性大，此外粉煤灰的应用技术也尚未成熟，许多人形成了掺粉煤灰混凝土耐 久性差的成见。现今看来，粉煤灰可以显著改善混凝土耐久性己经逐渐得到 认同，但是随着粉煤灰在混凝土中掺量的大幅提升，使混凝土早期强度过低， 有时难以满足工程要求，这在h v f c 中表现尤为突出，如文献“”使用l o o k g m 3 ， 水泥用量设计的h v f ce f a ( c + f a ) = 6 5 的1 d 强度基本为0 。文献“”使用 1 5 0 k g m 3 ，水泥用量设计的h v f c f h ( c + f a ) = 5 5 ，其2 8 d 强度高达4 9 n i p a ， 但其1 d 的强度仅为0 6 m p a 。 粉煤灰在混凝土中的基本效应有三种，即形态效应、活性效应和微集料 效应m - 。对于某种特定的粉煤灰，其形态效应和微集料效应取决于粉煤灰的颗 粒形状、级配和细度等，粉煤灰一旦掺入混凝土中，这两种物理效应对于新 鲜混凝土的流变性质和硬化混凝土的力学贡献是具体存在和无法人为去改变 的，仅利用粉煤灰的形态效应和微集料效应提高粉煤灰一水泥体系的早期强度 是有限的：粉煤灰活性效应主要取决于粉煤灰的化学成分及其与水泥水化反 应过程的相互作用，一般在混凝土硬化后期才显示出来。因此通过其它手段 激发粉煤灰在混凝土水化初期的活性效应是改善混凝土早期强度的关键所 在。 一 粉煤灰的活化方法分为物理活化和化学激发及高温激活三种”“，物理激发 主要是通过机械粉磨获得，化学激发又包括酸激发、碱激发、硫酸盐激发、 氯盐激发和晶种激活等。高温激活粉煤灰活性的主要方法是蒸汽养护。通常 单独使用一种激活措施，不能显著地提高粉煤灰体系的强度。 在化学激发的激发剂选择上，k a t z 使用不同浓度的n a o h 激发纯粉煤灰早 期强度，发现随着n a o h 浓度的提高，激发效果也逐步上升”“；s h ic a i j u n 等 人使用化学激发剂n a c l 、c a c l 。和n a ：s 0 。激发粉煤狄早期活性( 粉煤灰一c a ( o h ) z 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 体系，按4 ：1 混合) ，结果显示n a c l 对该体系的早期强度激发作用不明显， c a c l 。对3 d 和7 d 早期强度发展作用一般，但是对2 8 d 中期强度增长作用明显， 而n a 。s 0 。则对早期和中期强度发展都有显著激发效果，特别是使用高钙粉煤灰 时，作用更明显n z m 飞宋普绥等人在粉煤灰一石灰一水泥体系( 按6 5 ：2 5 ：1 混 合) 中使用硫酸盐系列的化学激发剂激发体系的早期强度，3 d 强度对比无激发 剂的试样提高1 6 2 5 ，达到1 6 8 m p a ，2 8 d 增加1 2 4 ，达2 2 o m p a “”；管宗甫 等人在粉煤灰一熟料一( 石灰+ 石膏) 体系( 按5 5 ：3 5 ：1 混合) 中，掺入无机矿物 质早强剂，3 d 强度增长1 5 0 ，达1 9 m p a ，7 d 增长1 3 5 达2 6 m p a ”；焦宝祥等人 在粉煤灰一c a ( o h ) 。体系中( 混合比例4 ：1 ) 使用t e a 和硫酸钠等化学激发剂激发 体系的早期强度，发现不掺激发剂的对比组1 4 d 前的强度不足。1 m p a ，随着激 发剂的掺入，特别是几种化学试剂复合的激发剂组，7 d 强度就接近1 m p a ，1 4 d 为4 m p ae t 类似以粉煤灰一石灰体系研究粉煤灰活性激发的文献从2 0 世纪8 0 年代起至今常见之于国内外报道n “w 。梁郁等采用磷酸激发粉煤灰的活性，在 较短时间内获得了较高的强度，在2 8 天龄期可达4 0 m p a ，但磷酸与粉煤灰反 应剧烈，放热量大，很难直接应用与工程实践中m ，于继寿等用硫酸激发粉煤 灰活性，在硫酸浓度为0 5 n ( 当量浓度) 时抗压强度达到最大值2 2 m p a 左右， 但同时产生了大量具有膨胀性的水化产物使试件产生裂纹“”。 目前的粉煤灰活性激发研究大都是在高碱条件下m “，甚至是为了保护钢 筋而提高碱度。孟志良等研究表明：普通混凝土试样碱度随着龄期继续降低， 但降低幅度较小，各龄期碱度均在1 2 0 0 以上n 1 粉煤灰混凝土碱度随龄期延 长而降低的幅度则较大。而目前国内还没有实际意义上的低碱度下的粉煤灰 活性激发研究。并且目前低碱混凝土的研究也主要在抑制碱一集料反应方面， 并没有低碱度混凝土的深入研究。s h ic a i j u n 等人研究了在机械粉磨基础上 复合化学激发对粉煤灰强度的影响，并与单一激发的粉煤灰做对比，结果表 明复合激发的激发效果要好于单一激发，在复合激发的条件下，粉煤灰表面 腐蚀更严重，有更多的活性成分参与了水化，且水化较充分”2 “”1 。 为了充分发挥粉煤灰的潜在活性，需综合各种物理和化学的激发方法， 即复合激发，一般来说，复合激发的效果要优于单独激发。”“。关于复合激发 的报道也时有报道，但都是在物理激发的基础上考察碱性激发剂对混凝土强 度等性能的影响，碱性激发剂会在混凝土体系中引入额外的碱，造成混凝土 孔隙液相的高碱性，不利于植物的发芽和生长，而且尚无文献对粉煤灰激发 过程中的工艺过程及工艺参数进行系统的研究，因此本文以物理激发( 粉磨) 结合新型酸性化学激发剂对粉煤灰的活性进行激发，同时对影响激发效果的 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 激发工艺参数如陈化时间、混料时间、粉磨等进行研究，以获得最佳的激发 效果。 1 2 2 植生型多孔混凝土的研究现状 由于环境保护的需要，水土保持、水质净化和退化生态环境的修复和重 建得到了世界各国的重视。人们试图通过多种途径解决保水、排水、保护水 资源、保护生物的多样性等一系列包含复杂技术的生态环境保护问题。植生 型多孔混凝土以其优异的生态效应得到了世界各国材料与环境学者的普遍重 视，是近年来国际上迅速发展起来的一个新的研究领域“。 植生型多孔混凝土( p o r o u sc o n c r e t ef o rp l a n tg r o w i n g ) 是一种采用特 殊工艺制备的含有连续孔隙的混凝土，它既要求一定的强度同时又要具有透 水性和透气性等生态指标，在美国、日本、欧洲等国家得到了较为广泛的应 用。在交通、水利工程等建设中，往往会破坏大自然原有的土壤植被等区域 生态环境，从而影响该区域动植物的生长。为了恢复生物的多样性，日本、 德国等国家采用植生型多孔混凝土对破坏了的生态环境进行修复和重建。植 生型多孔混凝土既能保护堤岸防止侵蚀，又可在具有连续孔隙的多孔混凝土 中直接或在其表面覆土后播种草籽或种植小苗。由于植生型多孔混凝土的透 水性和透气性能够使这些植物舒适地生长，从而建成自然生态型的河道护岸、 河渠护坡、公路两侧的边坡景观等，有益于人的视觉感受和降低环境噪声。 植生型多孔混凝土由下列几部分组成：作为主体的植被、承载被面、被 床、床絮和床基。作为花草载体的被床，是一种既具有一定的强度，又具有 有利于花草生长条件的特殊大孔蓄容混凝土，厚约l o o m m ，孔隙率达2 5 3 3 。 所谓被面，即为混凝土表面上的一薄层栽培介质( 1 0 2 5 m m ) ，营养素与施播的 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。所谓床絮， 即为大孔混凝土( 被床) 孔隙中的填充物，充填率为孔隙率的3 3 6 6 。用于蓄 容水分和养料，利于苗根须通过并扎根至基床。所谓基床，即为混凝土底下 适于植物生长的土壤，需要深度约3 0 0 m m 以上，可预置缓效性肥料，利于植 物根系的长期生长。由于这种植生混凝土是将种子放在表层客土内进行播种， 然后其根穿过混凝土伸入土壤中。这样植物的耐践踏性、耐冲刷性、抗冻性 以及吸收营养都会在较长时期内受到限制。 植生型多孔混凝土是一种植物可以直接在其中生长的生态友好型混凝 土，同时也是一种将植物引入到混凝土结构中的技术。这种混凝土多使用于 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 房屋、城市市政工程坡面结构以及河流两岸等表面的绿化与保护作用，其组 成与结构断面如图1 - 1 所示。 图卜1檀生型多孔混凝土的结构断面示意图 f ig 1 1 c r o s s s e c t i o no fp o r o u sc o n c r e t ef o rp i a n tg r o w in g 由于植生型多孔混凝土以多孔混凝土为骨架结构，并要求孔隙具有一定 大小和连通性，因此多孔混凝土的成孔方法也得到了充分的重视。作为透水 和护坡用的多孔混凝土，其成孔一般采用物理堆聚法，加气法，充气法，泡 沫法，换气法等方法成孔m “w 。加气法是利用一些可以释放气体的化学反应物 质，在胶凝材料的料浆中反应放气，料浆凝固后，气泡均匀分布于材料内部， 形成多孔结构。泡沫法是将泡沫剂水溶液预先制成泡沫，将泡沫与料浆混匀， 料浆凝固后形成多孔结构。充气法是利用一种具有均匀，细小连通孔隙的物 质做充气介质，将压缩空气直接充入料浆，在己加入稳泡剂的情况下，在料 浆内形成多孔结构。换气法是利用天然沸石，膨润土，硅藻土等无机多孔粉 体所具有的内表面积，通过离子交换，吸附等功能实现载体放气，从而在料 浆中形成多孔结构。除物理堆聚法以外，其它成孔方法成孔孔径小，连同性 不好，不利于植物的发芽和生长，植生型多孔混凝土采用物理堆聚法进行成 孔，减少了引入新的化学成分，增加了接触点数和胶结材厚度，能保证混凝 土的使用强度及植物生长的孔隙和液相环境。 多孔混凝土的研究工作始于上世纪5 0 年代初，但是，多孔混凝土作为生 态材料来研究是近几年才提出来的n ，相对于国外来说，我国的研究起步较 晚。植生型多孔混凝土制作的关键是形成连通、一定大小和空隙率的孔隙。 彼此间形成的空隙有两种类型( 依据胶凝材料的量、稠度等) ：连续空隙和独 立空隙，多孔混凝土所形成的连通孔隙率一般为1 8 3 5 ；从实际操作来说， 关键是控制胶凝材料的稠度，合适粒径的骨料、粒级组成和适当的成型工艺 等。多孔混凝土有着比普通混凝土更小的体积密度小和强度、更大的透水系 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 数、比普通混凝士更小的导热系数低，但混凝土强度有较大降低，并具有透 水性能和吸声特性；由于存在大量的毛细管，而具有保水性。当环境相对湿 度超过某临界值时，由于毛细管凝结，导致含水率剧增。 2 0 世纪9 0 年代初期，日本最早开始研究植生混凝土，从混凝土结构物的 绿化施工方法、评价指标等多方面进行了系统的研究和开发。植生混凝土在 日本得到了广泛的应用，从城市建筑物的局部绿化、沿岸、护岸工程到道路、 机场建设等大型土木工程，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，但是到目前为止还仅限于使用孔洞型植生混凝土块 体材料，用于城市停车场。因此，积极开发、研究和应用植生混凝土是将混 凝土向环保型材料发展的一个重要方向。 。 日本混凝土工学协会在1 9 9 4 1 9 9 5 年设立了“生态混凝土研究委员会”， 以植生型生态混凝土为主要课题进行了为期两年的研究工作，取得了大量的 研究成果。不仅成功配制出孔隙率在2 2 2 6 之间、强度大于1 0 m p a 、植生状 况良好的植生型多孔混凝土，而且提出了比较成熟的生产和施工工艺，并应 用于河岸的护堤与护坡工程之中。2 0 0 1 年4 月，日本“先端建设技术中心” 制定了植生型多孔混凝土河川护岸方法m 一，以推进具有生态效应的植生型多 孔混凝土的应用进程。美国和欧洲也开展了这方面的研究，但主要是引进日 本的生产技术。 国内对植生型多孔混凝土的研究还处于起步阶段，由于国外对知识产权 的保护，我国在直接利用国外植生混凝土的技术方面还有很大的技术壁垒， 因此在我国开发具有自主知识产权、适应不同地区使用、尽量利用废渣减少 环境负荷、价格较低的水泥基植物生长复合混凝土，是摆在我们面前迫切的 任务。 近年来，由于在生态环保技术方面的研究逐步成为热点，我国科研人员 在植生混凝土方面也取得了一些积极的成果。吉林省水利实业公司与三峡大 学合作做了一些研究，并配置出利用建筑废砖石作骨料，抗压强度为5 2 0 m p a 以及利用选定粒径的碎砖石作骨料，抗压强度为1 6 2 7 m p a 的植生型多孔混 凝土。奚新国、许仲梓等以粉煤灰为主要原料并用铝粉做发泡剂配制低碱度 多孔混凝土m ，结果表明：在实验范围内，粉煤灰掺量( 质量分数) 达6 5 , - - - , 7 0 的混凝土，其2 8d 的ph 值可降至1 1 5 0 以下，9 0 d 的ph 值甚至可以达到 9 0 1 0 5 ，满足低碱度、多孔的要求。该方法主要存在下面问题：成本的选 择，由于铝的价格以及在混凝土中的大量应用造成成本过高；铝粉发泡还存 在一个发泡均匀和孔隙孔径大小的问题，这些不利因素阻碍了这一技术的推 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 广。李学军等提出了一种制备无砂多孔混凝土的方法：由粗骨料、水泥和水 拌制而成一种多孔轻质混凝土，它不含细骨料，由粗骨料表面包覆一薄层水 泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构“屯刘学艳等也提到：再生大 孔和多孔混凝土，是将废弃的混凝土破碎、分级，用来代替混凝土中的骨料， 从而制备大孔混凝土n ”。苏堪祥采用3 2 5 普通硅酸盐水泥，根据配合比试验， 水泥用量为1 5 0 2 l o k g m 3 ，灰骨比为1 ：8 l ：1 0 ，水灰比为0 3 9 0 5 1 配制 大孔混凝土，其2 8 天实验强度最高达到9 8 m p a ，基本达到路用性能的要求“。 孟宏睿选取骨料粒径，水灰比，灰骨比等因素做正交实验研究，得出结论： 在骨料粒径为5 1 3 m m 时，水灰比为0 2 8 ，骨胶比为6 0 的情况下，透水性混凝 土的透水系数最好，强度为1 7 2 m p a ，透水系数为7 1 m m s 1 。 我国的科技工作者在植生混凝土研究方面取得了很大进展，但还有很多 问题没有完全解决，主要表现在材料成本较高，混凝土碱度控制不理想，相 应被床的孔隙率及连通性控制还没有公认的工艺方法和规程。本课题为提供 植被生长所需的适宜条件和改善人类生活环境质量，用高掺量高活性粉煤灰 取代部分水泥，减少了水泥用量，通过高活性掺合料消耗水化过程溶出的 c a ( o h ) ：，形成低碱的植物生长环境。在大掺量粉煤灰的基础上进行了配合比 研究；基于不同于普通混凝土的流变性，对成型工艺进行了研究，开发大掺 量粉煤灰植生型多孔混凝土。 植生型多孔混凝土的工程应用如图卜2 所示。 图卜2 植生型多孔混凝土的工程应用实例 f i g 1 2a p p l i c a t i o n so fp o r o u sc o n c r e t ef o rp i a n tg r o w i n gi np r o j e c t 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 1 3 主要研究内容及课题来源 本文采用新型化学激发方法激发粉煤灰的潜在活性，获得高活性掺合料 以替代部分水泥，从而减少水泥用量，同时高活性粉煤灰掺合料改善了混凝 土孔隙内的液相环境，达到适合同时解决了植物生长所需强度及碱度要求， 并采用硅灰等活性作为超细活性集料混合材和环氧树脂等外加掺合剂改善胶 结材与骨料之间的粘结界面，考察了环氧树脂杂化多孔混凝土的强度及生态 性能。在大掺量粉煤灰( 5 0 ) 的基础上研究了植生型多孔混凝土的配合比及 相应成型工艺及条件，对所选草种进行了植生实验。采用s e m 、t g s d t a 、x r d 等现代测试方法对新型粉煤灰激发的机理和植生型多孔混凝土的界面性能进 行了研究。技术路线如图卜3 所示。 ：生态适应性： j 试赣： i ，j 图1 3 实验技术路线图 f i g 1 3 i e c h a n i c a if i o wo fe x p e r i m e n t 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 根据本文的研究思路及技术路线，确定本文的主要研究内容如下： ( 1 )研究粉煤灰活性的新型复合激发方法、工艺及激发机理； ( 2 )植生型多孔混凝土配合比设计及力学性能研究； ( 3 )植生型多孔混凝土的制备、植生性能和界面性能研究； ( 4 )植生型多孔混凝土种植基的被面、被床、床絮和床基集成组装及植 物生长试验； 本课题由四j i i 省教育厅自然科学科研项目基金资助( 编号：0 4 1 1 2 1 ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 2 实验原材料与实验方法 2 1实验原材料的选用原则 植生型多孔混凝土主要由单一粒径粗骨料、胶结材料和水等拌制而成的 一种多孔混凝土。骨料表面包裹着一薄层水泥浆的粗骨料相互粘结形成孔隙 均匀连续分布的蜂窝状结构，普通水泥作为胶结材料的混凝土在水化过程中 产生大量的碱性物质，造成混凝土内部孔隙的高碱性，复合激发后得到的粉 煤灰高活性掺合料取代部分水泥减少了水泥用量，消耗混凝土水化过程中析 出的c a ( o h ) ：，使混凝土内部孔隙的碱度降低，达到适合植物生长的水平。因 此为了满足植物生长所需的强度、透水性、孔隙率、碱度等条件，实验原材 料的选择就显得尤为重要。 在粗骨料相互接触而形成的双凹粘结面上，胶结材料厚度越厚，粘结面 积越大，粘结力越强。同时为了更科学地反映混合材对植生型性能的影响， 组分简单的硅酸盐水泥成为试验首选的主要胶凝材料。就强度而言，单一粒 径的骨皆不利于相互粘结。但另- 二方面植生型多孔混凝土因为种植的需要， 要求植物根系必须穿透混凝土，因此混凝土空隙的大小必须达到一定尺度， 且单一粒级集料堆积空隙率最高。集料粒径太大会降低混凝土强度，太小则 不能满足空隙大小要求，本课题选用粒径分别为5 1 0 m m 、1 0 2 0 m m 、2 0 4 0 m m 的集料进行实验。粗集料应满足片状含量少、表面干净杂质少的要求。在实 验前，将粗集料冲洗干净并且在自然的状态下风干。为了提高植生型多孔混 凝土的强度和适当降低孔隙内碱度，本文考察了外加超细高活性掺合料硅灰 和环氧树脂聚合物乳液对植生型多孔混凝土的界面过度区的改善作用。此外 实验用水应符合j g j 6 3 - 8 9 混凝土拌合用水标准的要求。 2 2 实验原材料 ( 1 )粉煤灰 粉煤灰为巴蜀江油发电厂的i 级粉煤灰，该粉煤灰品质符合 g b t 1 5 9 6 2 0 0 5 用于水泥和混凝土中的粉煤灰i 级灰标准。该粉煤灰表观 色泽为浅灰色，其化学成分见表2 - 1 ，品质分析见表2 2 。粉煤灰经测定：密 度为1 9 2 9 c m 3 ，比表面积为2 6 2 0 5 m 2 k g 。为了充分发挥粉煤灰的活性，所 有实验用粉煤灰均事先采用球磨机粉磨4 5 m i n ，此时密度为2 4 3g c m 3 ，比表 面积为3 4 2 8 9 m 2 k g 。图2 一l 为扫描电镜下观察的粉煤灰微观形貌。 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 - 1 粉煤灰化学成分 t a b 2 - 1c h e m ic a ic o m p o s i t i o n so ff iy - a s h 细度( 4 5 p = 方孔筛余) 需水比 烧失量 三氧化硫 表观密度g c m ” 2 8 d 强度比 1 2 9 5 5 3 7 5 2 0 1 0 5 8 3 十 6 2 4 5 1 1 5 1 5 3 8 2 9 2 6 1 5 2 2 4 8 2 2 5 8 8 4 图2 - 1 实验用粉煤灰的s e m 图 f i g 2 - 1 s e mo ff l y a s hf o re x p e r i m e n t ： ( 2 )硅灰 本实验用硅灰来自贵州铁合金厂，其化学成分见表2 3 ，粒径分布见表 2 4 。图2 2 是在扫描电子显微镜下观察到该硅灰的微观形貌。结合表2 3 中 的化学组成可知，图2 - 2 中的细小球状颗粒主要为无定型的二氧化硅。 表2 - 3 实验用硅灰的化学成分( ) t a b2 - 3c h e m