（材料学专业论文）环境友好型植物生长多孔混凝土的研究与应用.pdf

娈! 苎兰竺主兰竺兰苎 竺苎 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呼声的日益高涨，作为环境友好型生态混凝 土其中一种的植生型多孔混凝土慢慢浮出水面。它是一种具有特殊的连续空隙结构的混凝土，有着良好的 透水与透气特性并且植物能在其表面上直接生长。本文针对示范工程的实际需要对植生型多孔混凝土的制 备、基本物理力学性能、护坡用构件形式及植生情况进行了探讨与研究。 控制植生型多孔混凝土胶结材浆体的流动度是多孔混凝土制各的关键，经试验证明，胶结材浆体流动 度范围应控制在1 5 0 m m - 2 0 0 m m ，水灰( 胶) 比一般在o 2 1 0 3 0 之间。选择插捣与表面压实的成型工艺采取 四步搅拌工序成功制备出多孔混凝土。 新拌多孔混凝土没有流动性，容重随着空隙率的不同在1 8 0 0k g m 3 2 0 0 0k g m 3 之间，自制仪器测定 多孔混凝土透水系数。达到每秒厘米数量级，透水性能远好于一般土壤。矿物外掺料的引入不仅降低了多 孔混凝土内部空隙中的p h 值，同时也提高了其强度特性。其中硅灰的效果最为明显，2 8 d 抗压强度达到 2 8 7 m p a ，抗折强度达到2 9 m p a ，内部空隙中p h 值降低到1 0 以下。完全满足日本对护坡用植生型多孔混 凝土2 8 d 抗压强度大于1 0 m p a 的要求。 本文针对河岸护坡的实际要求，提出了三种不同形式的护坡用多孔混凝土构件，即多孔混凝土球、多 孔混凝土四联球扳和多孔混凝土砌块，并对其成型模具进行了设计与制作。 通过不同的方法、环境条件及物种对多孔混凝土进行了植生试验，观察植物生长的状况。试验证明， 由基质、营养液、增粘剂与种子等按照一定比例混合而成的种植基采取渗透或浸渍的方法填充多孔混凝土 内部空隙，加上必要的养护与管理，植物完全可以在其上健康良好的生长。 关键词：多孔混凝土胶结材浆体流动度透水系数p h 值强度构件种植基植生 东南大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i 山t h e g r e a td e m a n d i nm a t e r i a l sw i t ht h eb e n e f i t st oe n v i r o n m e n t a l c o n s e r v a f t o n e c o l o g i c a lv a i l o u s u e s sa n d c o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n t ，g r e e n g r o w i n gp o r o u s c o n c r e t ei s i n v e s t i g a t e d a so b ek i n do ft h e e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l ye c o l o g i c a lc o n c r e t e g r e e n g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t ec o n t a i n s a p a r t i c u l a rs y s t e mo f c o n t i n u o u s p o r o u s s t r u c t u r e a n dt h ec o n t i n u o u s p o r o u s s t r u c t u r e p r o v i d e s t h e p o s s i b i l i t y o fe x c e l l e n t p e r m e a b i l i t ya n dv e n t i l a t i o no fc o n c r e t e t h e r e f o r eg r e e np l a n t s a r ea b l et o g r o wd i r e c f l yo nt h es u r f a c eo f g r e e n - g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t e b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c t ，t h er e s e a r c ha n ds t u d yi s m a i n l yi n c l u d i n gt h ei n v e s t i g a t i o no fm i xp r o p o r t i o na n ds p e c i m e n sm o l d i n g ，t h et e s ta n dd i s c u s s i o no fb a s i c m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，t h ed e s i g n o fc o n s t r u c t i o nu n i tm o l d sf o rs l o p em a i n t e n a n c ea n dt h e t e c h n i q u e d e v e l o p m e n t o fg r e e np l a n t sg r o w t ho np o r o u sc o n c r e t e t h e r a n g e o fc e m e n t i t i o u sb i n d e rf l u i d i t yc o n t r o li st h ek e yt od e s i g nt h ef e a s i b l em i xp r o p o r t i o n s i tp r o v e st h a t t h em o s ta p p r o p r i a t er a n g eo fc e m e n t i t i o u sb i n d e rf l u i d i t yc o n t r o li sf r o m1 5 0 m mt o2 0 0 m r na n ds i m u l t a n e o u s l y t h ew a t e rb i n d e rr a t i oi sk e p tb e t w e e n0 2 1a n d0 3 0 b a s e do nt h ep r e p a r a t i o no ff l u i d i t yc o n t r o la n dw a t e rb i n d e r r a t i oc o n t r o l ，t h ep o r o u sc o n c r e t ei sp e r f e c f l ym o l d e dw i t hf o u rs t e p sm i xp r o c e d u r e sa n dm o u l d i n g t e c h n i q u e so f t a m p i n ga n ds u r f a c ec o m p a c t i o n f r e s hc o n c r e t eh a sn of l u i d i t ya n di t ss p e c i f i cw e i g h tv a r i e sf r o m1 8 0 0k g m jt o2 0 0 0k g i n jw i t hd i f f e r e n t s p a c i n gr a t i o s t h ep e r m e a b i l i t y o fg r e e n - g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t ei se v e nb e t t e rt h a no r d i n a r ys o i lw i t h c o m p a r i n gb o t hp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t sm e a s u r e db ya na p p a r a t u sm a d ei n o u rl a b i t sa l s od r a w nf r o mt h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht h a tm i n e r a la d d i t i o np a r t i a l l yr e p l a c i n gc e m e n tr e d u c e sp h v a l u ei nc o n c r e t es p a c i n ga n d i m p r o v e sc o n c r e t es t r e n g t h f o ri n s t a n c e w i t ht h ea d d i t i o no fs i l i c o nf u m ea tw e i g h tf r a c t i o n2 ，t h ep o r o u s c o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t hr e a c h e st o2 8 7 m p aa n df l e x u r a ls t r e n g t ha r r i v e sa t2 9 m p aa tc u r i n ga g eo f2 8 d a y sw i t had e c l i n ei np h v a l u et o1 0 t h ep r o j o c ti n v e s t i g a t i o na c h i e v e m e n t e n t i r e l yf u l f i l l st h ej a p a nc r t e d ao f g r e e n g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t ef o rr i v a lm a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t sf o rr i v a lm a i n t e n a n c e ，i t p r e s e n t st h r e e d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nu n i tm o l d s d e s i g n e df o rv a r i o u sd e m a n d s ，w h i c ha p o r o u sc o n c r e t eb a l l ，s q u a r e l yf o u r - l i n k e dp o r o u sc o n c r e t eb a l l sa n d p o r o u sc o n c r e t eb r i c k m o l d sa r ca l ld e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d i no u rl a b i td i s c u s s e st h ee f f e c t so ng r e e np l a n t sg r o w t ho np o r o u sc o n c r e t es u r f a c eo fv a r i o u sf a c t o r s ，s u c ha sp l a n t i n g m e t h o d s c i r c u m s t a n c ec o n d i t i o n sa n dp l a n ts p e c i e s 田1 ee x p e r i m e n tc o n s e q u e n c e si n d i c a t et h a t g r e e np l a n t s g r o w sp e r f e c t l yw e l lo nt h ep o r o u sc o n c r e t es u r f a c ew i t ht h ep l a n t i n gm a t r i x ( c o m p o s e do fm a t r i x ，n u t r i e n t s o l u t i o n ，d e n s i f i c a t i o na g e n ta n dp l a n ts e e d s ) f i l l i n gi nc o n c r e t ei n n e rs p a c i n ga n dw i t ha p p r o p r i a t ec u r i n ga n d m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：p o r o u sc o n c r e t e ，c e m e n t i t i o u sb i n d e rp a s t e ，f l u i d i t y , p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，p hv a l u e ，s t r e n g t h ， c o n s t r u c t i o nu n i tm o l d ，p l a n t i n gm a t r i x ，p l a n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名日期： 东南大掌硕士掌位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人居环境及人类面临的主要环境问题 “人居环境”是人类社会发展到2 0 世纪后期才提出的概念，它标志着人类对待自然的态度从根本上 发生了改变。从字面上“人居环境”可能会被简单地理解为“人类的居住环境”，但实际上人居环境是一 个具有丰富内涵的综合性概念，它的真正含义是“人类生存、从事生产、进行各种社会活动所在的环境” “。在晟近一+ 个世纪内，人类在飞速发展物质文明，生产活动异常活跃的同时，忽视了对自然资源、能源和 环境的保护，对地球环境造成了破坏性的伤害。人类在付出了惨重的教训之后，终于认识到对待自然的态 度必须从征服自然、改造自然转变为善待自然，与自然取得协调与共生。从2 0 世纪6 0 年代人类开始萌芽 如何正确处理生存与发展的关系的思想，蚍1 9 9 2 年在巴西里约热内卢联合国环境与发展大会上通过的( 2 1 世纪议程为标志，正式提出了人居环境的概念，从思想观念上确立了人必须与自然协调共生，走可持续 发展之路的新起点。 人居环境问题的提出就是要在重新认识、正确处理人类与自然的关系基础上，改善人们的生活与工作 环境，同时促进和实现土地、矿藏、森林等地球资源和能源的合理利用，保护大气、水质、土壤、绿地等自 然环境的清洁和生态平衡，走可持续发展之路。在科学技术与生产力水平空前发展的现代社会，人类面临 着诸多的环境问题。其中在世界范围内受到普遍重视的地球环境问题和典型的公害主要有图卜1 所示的几 个方面。 圆 圆 圈圆 回 图1 - 1 典型的公害和地球环境问题 这些公害有些直接影响人类的日常生活、工作和社会环境，例如噪声、粉尘以及振动等；有些则造成 气候恶化，生态平衡失调，破坏人类赖以生存的空气、水、土地等地球环境，例如大气污染、水质污染和 突然污染等等。如果不采取有效措施，必将威胁地球的生命乃至全人类的生存与繁衍。 1 2 混凝土材料与人居环境 造成公害和环境问题的原因是多种多样的，但进入2 0 世纪以来人类所从事的规模庞大、数量空前的 土木、建筑工程活动给环境造成的负荷是不容忽视的。而混凝土是各项建筑工程中用量最大的建筑材料。 混凝土材料为人类构筑了大量舒适、便捷的生活和生产设施，创造了丰富多彩的生活空间，工业厂房、商 贸大厦、居民住宅、道路、桥梁、地铁、各种地下管线设施等无一能够离得开混凝土这种建筑材料。然而 东南大掌硕士掌位论文第一章绪论 传统的混凝土材料在为人类构筑美好生活空间的同时，也给人类的生存环境带来了许多不可忽视的负面影 响。混凝土材料对人居环境造成的负荷，主要包括以f 几个方面。 1 2 1 消耗大量的自然环境资源和能源 生产混凝土的原材料主要是天然的矿物质资源。据统计我国每年要开采5 0 亿吨以_ 匕的粘土、石灰石 和砂石等矿物质材料用于生产水泥和混凝土。1 。为此将破坏自然景观，改变河床位置及形状，造成水土流 失或河流改道等严重后果。同时为开采这些原料以及生产水泥，还需要耗费大量的能量，例如每烧制一吨 水泥熟料需耗标准煤1 7 8 公斤。1 ，砂石的开采与破碎、运输也需要耗费大量的能量。现代社会混凝土用量 庞大，对资源、能源的消耗不可忽略。 1 2 2 排放大量c 0 2 等有害物质 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 。在制造水泥时石灰石分解成石灰( c a o ) ， 同时排出具有温室效应的c o 。气体。生产1 吨水泥熟料，从理论上计算要排放出大约8 0 0 公斤c 啦，0 7 4 公斤的s 0 2 。同时水泥的烧成反应所需能量在我国是由煤炭燃烧获得的，由此还将产生c o z 和s o x 等有害 气体。目前全世界每年c o 。的排放量大约为i 0 0 亿吨，其中由于生产水泥而产生的c 0 。气体约占1 1 0 ，是产 生温室效应气体的大户。 1 2 3 混凝土的非透气性、非透水性造成生态系统的失调 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。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，这种密实结构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，使城区的温度比郊区和乡村高2 - 3 。c ，产生所谓的“热岛效应”。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，绿色面积减少，生态系统失调。 1 2 4 混凝土材料的视觉和触觉效果差 混凝土是现代社会最大宗的建筑材料，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，所 以绝大多数混凝土结构的表面都要使用装修与装饰材料。 1 3 环境友好型混凝土概念的提出及应用前景 环境友好型混凝士( e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yc o n c r e t e ) ，又名亲环境混凝土，可以减轻环境负荷 同时也与有机物相适应。它实质上是一种有着连续孔隙的多孔混凝土，水与空气能够很容易通过或存在于 其连续通道内。虽然与普通混凝土相比，它的强度和耐久性都有所不及，但是其有着极为广泛的应用前景， 对人类社会的可持续发展有着深远的意义。 2 东南大学硕士掌位论文第一章绪论 1 3 1 渗水性道路铺装混凝土 多孔混凝土在国外已用于城市中人行道及高架桥路面的铺设中。这种混凝土路面不仅性能稳定，而且 有着良好的渗透性和吸声性能。经过进一步的改进研究，这种混凝土材料甚至可应用于高速公路的铺设。 1 3 2 吸收有害气体混凝土 相同尺寸条件下。多孔混凝土的内外表面积大约是普通混凝土的5 0 0 倍。将有害气体吸收材料注入多 孔混凝土中，它能够有效地吸收空气中包括c 0 2 、s o x 以及n o x 等特殊有害气体。这种吸收材料主要由无机 物组成，它有着强大的离子交换能力“1 。 1 3 3 温度控制混凝土 在潮湿的环境下混凝土墙面会发霉凝结一定的水，而使用多孔混凝土材料时湿气就会被有效地吸收。 当干燥的时候又会保持环境中空气的湿度。近年来日本大力发展吸湿材料，将其作为节省能源和资源的一 项措施。 1 3 4 热储混凝土 多孔混凝土被广泛采用于储热材料，它可以吸收太阳能和燃烧能，并在任何时候都能释放出来。通过 一种气体或液体的热介质，多孔混凝土可以暂时的吸收工厂废热及太阳能，而在需要的时候将其释放出来a 当热介质的温差达到1 0 度或更高时用热泵就可以用它来发电或调节空气的湿度。 1 3 5 植物生长型混凝土 由于连续孔隙的存在，为植物的根茎生长提供了空间，同时也有利于水分和空气的流动，只要采取适 当的措施就可以在多孔混凝土上种植某些植物，包括草类及水生植物等。这种混凝土可应用到河道，道路 及场地的遮盖物等带斜面性质的工程中。 除了植物可生长的混凝土，可喷射的混凝土也可应用到斜面的保护中去。在将由有机材料和肥料做成 的砖块排好在斜面以后，用膨胀的，可种植物的，饱水的聚合物和多孔混凝土做成的可喷射混凝土喷到斜 坡的表面，因为植物的根茎可深深的伸到多孔混凝土的孔隙中且可通过这种方法来保护斜坡。 1 3 6 小型( 微) 生物栖息环境的建立 小型陆生和水生生物喜欢栖息在放置在湖泊，河流，湿地及海洋边上的多孔混凝土坚硬的表面上和开 通的孔道中。食物链是由生物的相互作用和共生性形成的，多孔混凝土可作为生物链的基础。藻类，贝壳 类和小型水生动物栖居在放置于水边的水生植物的表面，而原生动物和各种昆虫的幼虫也喜欢栖居在多孔 混凝土的开通孔道中。这样的话，生物多样性的基础就奠定了，多孔混凝土能够真正的看成重塑和恢复遭 受人类破坏的环境的材料。 3 东南大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 3 7 净水性混凝土 既然各种微生物附着在多孔混凝土的内外表面上，当这种多孔混凝土用于河流，湖泊，湿地及海岸的 水中时，水质将通过这些生物的各种物理化学作用得到净化。喜氧营养苗，氨氧化菌和侵蚀性氧化菌等附 着在多孔混凝土表面的细菌将降解有机物质和氨使它们转变成无机物。生长在附近的植物群落是有机物的 主要生产者它们将无机物和c 0 ：进行光合作用合成有机物，植物群落还通过副产品生产物各种范围的产 物。这样，食物链就形成了。 藻类和青草能自然的生长在放置于富营养的湖泊和湿地上的，用于种植浮游植物的多孔混凝土的浮游 结构上，正如上面提到的那样，这不仅水质得到了净化，一个平衡的多样性植物群落也形成了。 1 4 植生型多孔混凝土的介绍 植生型多孔混凝土( g r e e n g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t e ) 是一种植物能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。这种植生型多孔混凝土多适用于房屋、城市市政 工程坡面结构以及河流两岸护坡等表面的绿化与保护作用。图1 2 显示了植生型多孔混凝土的断面情况， 清晰地反映了其组成与结构。 图卜2 植生型多孔混凝土断面结构 植生型多孔混凝土之所以能在一些工程( 图卜3 ) 中得到很好的应用，以下几个特点非常重要： 植生型多孔混凝土不仅和普通混凝土一样有着较高的强度和较好的耐久性，同时还能象土壤一样 种植多种植物。 保水保肥的种植基( p l a n tb a s e s ) 必不可少。 植生型多孔混凝土可根据不同的坡面实际情况进行现场浇筑。 植生型多孔混凝土也可以预制，能有效地缩短工期。 植生型多孔混凝土不仅可种植草类，中等尺寸的树木也同样适用。 4 东南大掌硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 植生型多孔混凝土在工程上的应用 1 5 关于植生型多孔混凝土的国内外研究现状 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( g r e e n g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t e ) 是一 种采用特殊工艺制备的含有连续空隙的混凝土，它既有一定的强度同时又具有透水性和透气性，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，如用于河道护岸、沟渠驳岸等的修建和恢复中。植生型多孔混凝土既能保护堤岸防止侵蚀， 又可在具有连续空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。 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。不仅成功配置出空隙率在2 2 - - 2 6 之间、强 度大于i o 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工 法，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，但主要多 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，除了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 b i p a 以及利用选定粒径的碎砖石作骨料，抗压 强度为l _ 6 2 7 m p a 的植生型多孔混凝土之外，国内对这方面的研究几乎是一片空白。与此类似的是最 近江苏省盐城工学院开展了对生态友好型多孔陶粒植被混凝土的研究工作，并取得了一定的进展。 5 j i 南大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 6 开展植生型多孔混凝土研究的主要意义 国务院常务会议1 9 9 7 年通过的全国生态环境建设规划已经公布，明确要求“各地结合本地区的 具体情况，因地制宣地制定当地生态环境建设规划，调动亿万群众的积极性，组织全社会的力量，投入生 态环境建设”。我国生态环境恶化的趋势主要表现在水土流失日趋严重，荒漠化土地面积不断扩大，草地 退化、沙化和碱化面积逐年增加，生物多样性受到严重破坏。从植生型多孔混凝土的性能来看，其对阻止 诸如水土流失，荒漠化，生物多样性减少等趋势的发展有着明显效果。因此深入系统地进行植生型多孔混 凝土的研究开发能为我国的生态环境建设做出相应的贡献。 对植生型多孔生态混凝土的研究涉及材料、生物和环境科学等学科，是真正意义上的跨学科的研究。 同时植生型多孔混凝土的透水、水质净化及植物生长分别与多孔混凝土内部的孔隙分布状况、内部比表面 积、集料与胶结材的界面粘结性能、强度、集料与胶结材的矿物组分、p h 值、植物种类、微生物的附着状 况等有密切的关系，开展此项研究有着重要的学术价值。 将植生型多孔混凝土用于河川、湖泊护岸，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、湖泊的水质间接地进行 净化，从而达到了一举多得的环保效果。 根据我国目前研究和应用状况，有关植生型多孔混凝土的研究工作刚刚起步，与国外相比有很大的差 距。因此，开展此方面研究对缩短我国与国际先进研究水平之间的差距，对我国保护自然生态环境，保持 生物的多样性，保护水资源等有着重要的现实意义。同时，对沙漠化地域的绿化事业，退化生态环境的恢 复与重建，城市区域生态环境的改善具有重要的作用。 通过在国家高技术发展研究计划( 8 6 3 计划) 中上海松浦原水厂试验段和镇江北固山一大东沟段两个示 范工程的应用，植生型多孔混凝土的研究工作将越来越受到人们的关注，也将为人类与自然和谐发展写下 新的篇章。 1 7 本文的研究目的、思路及主要研究内容 1 7 1 研究目的 基于国际上植生型多孔混凝土研究的经验，结合我国的实际情况，针对上海松浦原水厂试验段和镇江 北固山一大东沟段两个8 6 3 示范工程的需要，本文的研究目的要达到以下几个方面： a 解决植生型多孔混凝土的配制与成型等相关技术问题 瓠解决种植基的配制与形成以及植生型多孔混凝土的植生技术等问题 独解决植生型多孔混凝土的生产与施工等相关技术问题 1 7 2 研究思路( 技术路线) 在混凝土中形成连续的孔隙通道是制备植生型多孔混凝土的关键。选取单粒级配粗集料。严格控制片 状集料含量，采用活性混合材和高效减水剂等措施来保证胶结材既有一定的流动性又要有足够的粘度，以 避免成型时胶结材过量剥落，确保连续孔隙的形成。采用表面加压和振动相结合的工艺成型多孔混凝土， 同时严格控制成型时间。此外为了便于植物的生长和固定，需在植生型多孔混凝土中注入种植基填充材 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。在上述研究的基础上， 6 东南大掌硕士学位论文第一章绪论 选择比较适当的护坡形式进行示范工程的应用，即将植物生长型多孔混凝土试用于护岸、护坡，最后进行 现场观察和测试分析。 1 7 3 主要研究内容 图卜4 植生型多孔混凝土研究的技术路线 根据本文的研究目的和研究思路，确定本文的主要研究内容为： 研究植生型多孔混凝土胶结材的组成和性能及配合比设计方法 研究植生型多孔混凝土的制各技术与成型工艺： 研究植生型多孔混凝土基本物理力学性能： 研究植生型多孔混凝土种植基的配制及植生技术； 研究植生型多孔混凝土在河道示范工程中的应用； 7 东南大掌司e 士掌位论文第= 章原材料及试验方案设计 第二章原材料及试验方案设计 2 1 试验原材料的选用原则 植生型多孔混凝土是由粗骨料、混合材、水泥、化学添加剂和水等拌制而成的一种多孔混凝土。它不 含细骨料，由表面包裹着一薄层水泥浆的粗骨料相互粘结而形成孔穴均匀连续分布的蜂窝状结构，这可以 说是植生型多孔混凝土的晟主要的结构特点。因此对试验原材料的选择，主要是水泥标号、组成成分，粗 骨料种类、粒径以及化学添加剂性能等就显得尤为重要。在粗骨料相互接触而形成的双凹粘结面上，水泥 浆厚度越厚，粘结点越多，粘结就越牢固。高标号( 4 2 5 、5 2 5 ) 的水泥是必须的，同时为了更科学地反映混 合材对植生型性能的影响，混合材含量少的硅酸盐水泥成为试验首选的主要胶凝材料。就强度而言，人工 碎石和单一粒径的骨料皆不利于相互粘结。但另一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，因此石子选用必须要考虑到这一点。石子粒径太小根系很难穿透，太大则又会降低混凝 土的许多性能，如强度等。通常，选用石子的粒径应在l o m m 一2 0 r a m 之间，且单一粒级级配更利于连续孔隙 的形成。 作为植生型多孔混凝土，其对粗集料的外观及来源要求更加严格。所选粗集料应满足片状含量少、表 面干净杂质少的要求。若碎石表面古用一些有机杂质、粘土、粉尘、硫化物、盐类等，这将不仅影响到植 生型多孔混凝土的制备成型，而且会影响到混凝土的孔隙表面的物理化学性质，从而进一步影响到多孔混 凝土中植物根系的生长与发育。因此在实验前，一般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，掺入适量的混合材是必须的，如粉煤灰、 矿渣和硅灰。 化学添加剂的选用主要是起到胶结材增强增粘作用，因此高效减水剂和有增粘增韧效果的聚合乳液成 了不错的选择。此外植生型多孔混凝土拌合用水不能含有有机杂质。 2 2 试验原材料及基本性能 2 2 1 水泥 试验使用的水泥分别为江南水泥厂生产的金宁羊p i l 4 2 5 硅酸盐水泥和江南小野田水泥有限公司生产 的p i l 5 2 5 硅酸盐水泥。两种水泥的化学成分和物理力学指标分别如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 水泥化学成分( w t ) 密度比表面积凝结时间( m i n )抗折强度帆)抗压强度咖埘 ( g z d ) ( m 2 k g ) 初凝终凝 3 d2 8 d3 d 2 8 d 8 东南大掌硕士学位论文第= 章原材料及试验方案设i i ：- f - 2 2 2 粗骨料 粒径为1 0 m 一2 0 l i l i n 单一粒级级配的优质玄武岩。粒径为1 0 m m 一2 0 m 石灰岩。 2 2 3 粉煤灰 南京热电厂生产的低钙i 级粉煤灰( f ) ，化学成分如表2 3 所示。密度为2 0 4 9 c m 3 ，需水量比0 9 5 细度( 4 5 p m 筛筛余) 6 。使用扫描电镜( s e m ) 对粉煤灰颗粒形貌进行了观察，如图2 - 1 所示。 s9 10o 9 l7o 40 80 ，3 2 19 7 2 0 2 2 4 矿渣微粉 南京江南粉磨有限公司生产的钟山牌$ 9 5 矿渣微粉( g ) ，化学成分如表2 3 所示。密度2 8 6g c m 3 ， 比表面积5 9 0 m 2 k g ，其具体性能指标如表2 4 所示。s e m 颗粒形貌观察如图2 2 所示。 表2 4 矿渣微粉性能指标 密度比衰面积流动度比含水量s仉活性指数 2 2 5 硅灰 图2 - 1 粉煤灰形貌 硅灰( s f ) ，化学成分如表2 3 所示。 9 图2 - 2 矿渣微粉形貌 东南大掌硕士掌位论文第= | t 原材料及试验方案设 i t 2 2 6 化学添加剂 本试验主要使用了三种化学添加剂：南京永丰化工厂生产的天水牌丙烯酸酯共聚乳液；镇江新泰混凝 土外加剂有限责任公司生产的x t l 高效减水剂，水剂，主要成分为三聚氰胺；江苏省建筑科学研究院建 材研究所研制开发的j m - b 型萘系高效减水剂，粉剂，主要成分b 一萘磺酸亚甲基高聚物，减水率达到2 0 以上。 2 2 7 水 普通自来水。 2 3 试验方案设计 根据本文的研究目的和研究思路，通过对国内外文献的查阅，同时结合实验室的优势条件，制定了对 植生型多孔混凝土研究分四步实施的计划。首先是植生型多孔混凝土的制各技术的研究，其次是对植生型 多孔混凝土基本物理力学性能的研究，接着是示范工程中植生型多孔混凝土构件技术的实现，最后是对植 生型多孔混凝土的植生情况的研究。 2 3 1 植生型多孔混凝土的制备试验方案 为了能成功制备出植生型多孔混凝土，胶结材的性能研究显得尤为重要。由于对胶结材既要有良好的 粘聚性又要保证一定流动性的要求，选择不同混合材和水泥及化学添加剂混合搅拌进行流动度试验，同时 观察其粘聚性的好坏是研究胶结材性能的主要方法。本文设计了八组不同组成的胶结材进行流动度比较试 验，从而确定不同水灰( 胶) 比，为植生型多孔混凝土的配合比设计奠定基础。详细设计方案见表2 5 。 表2 5 胶结材流动度试验设计方案 1 ) 代号中c l 表示使用h 1 5 2 5 硅酸盐水泥，c 2 表示使用p i l 4 2 5 硅酸盐水泥； 2 ) 表中表示未选用x 城示占胶凝材料的质量百分比水泥未列入胶结材组成下同。 i 0 东南大掌硕士掌位论文第= 章原材料及试验方案设计 2 3 2 植生型多孔混凝土基本物理力学测试试验方案 植生型多孔混凝土基本物理力学性能测试主要包括透水系数的测算、抗压强度的测试和抗折强度的测 试。同时对植生型多孔混凝土内部孔隙中的p h 值也进行了尝试性的测定。其具体试验方案设计如表2 6 所示。 表2 6 基本物理力学性能测试试验方案o 1 ) 表中表示未选做，表示选做。 2 3 3 示范工程中植生型多孔混凝土构件形式设计方案 为了结合8 6 3 示范工程的应用，需对用于河堤护岸、护坡的植生型多孔混凝土构件形式进行研究。本 文在查阅国内外相关文献的基础上，结合示范工程的实际坡面情况，比较现有的几种护坡形式的利弊并提 出了三种新的构件形式：多孔混凝土球、四联多孔混凝土球板及多孔混凝土砌块，以供示范工程参考应用。 2 3 4 植生型多孔混凝土植生试验方案 植生型多孔混凝土的植生试验主要是对种植基组成的研究。文献报道”1 ，植物生长最理想的介质应该 是含5 0 的固型物、2 5 的水和2 5 的自由孔隙。p h 值5 8 6 2 ，弱酸性。因而只要采取适当的措施 植生型多孔混凝土就可充当植物生长的介质。但是适用于不同植物的栽培基质的要求是不同的，但优良的 栽培基质应具有一些共同的特征。即必须具备良好的物理化学和生物学特性；具备质轻，通透性好，保肥保 水能力强：酸碱性适宜，材料易得；无毒害成份及有害微生物等。 本文选用不同基质、营养液和种子等混合而成的种植基采取渗透、浸渍等方法填充多孔混凝土的内部 空隙进行植生试验以观察和比较植生型多孔混凝土的植生情况。试验方案将单独在第六章中进行详细说 明。 着i 南太掌硕士掌位论文 第三章檀生型多孔混凝土制畚技术的研究 3 1 概述 第三章植生型多孔混凝土制备技术的研究 植生型多孔混凝土的制备技术的关键是粗骨料如何被胶结材有效地包裹从而形成连续的有效的空隙。 在某种程度上和无砂大孔混凝土的制作有相似的地方，因此可以借鉴无砂大孔混凝土的制各方法。但是由 于植生型多孔混凝土有一定强度的要求，其对胶结材的性能要求的更为严格，对成型方法和养护工艺也有 着特殊的要求。在这种情况下，本文对植生型多孔混凝土制备技术的研究从以下几个方面依次展开，如图 3 - l 所示。 图3 - 1 植生型多孔混凝土制备技术研究的流程图 3 2 植生型多孔混凝土内部连续空隙的形成条件 在日常生活中，经常能看到在混凝土路面的裂缝或人行道混凝土面砖的接缝处中丛生着杂草。受到这 一现象的启发，有着连续空隙通道的植生型多孔质混凝土才得以产生。在植生型多孔混凝土中，连续空隙 又可被称为有效空隙，半开半闭的空隙称为半有效空隙，而完全闭塞的空隙称为无效空隙。有效空隙、 半有效空隙和无效空隙合起来称为全空隙。图3 2 中显示了多孔混凝土中几种空隙的形态和分类。 植生型多孔混凝土材料的填充形式是假设骨料为固相，胶结材浆体为液相，空气为气相：要求能形成 连续空隙的构成材料，即固相、气相和液相分别在连续带状( f u n i c u l a r ) 的第一区域( f 1 ) 。固相和液相连 续，而气相独立的带状第二区域( f 一2 ) 的一部分包含在上述的f 一1 的区域中的时候也符合要求，但f _ 2 的 透水性和透气性差。图3 - 3 表示球形骨料呈立方填充时的多孔混凝土f l 和f 一2 区域的模型“。 既然有了填充模型，就要考虑如何在植生型多孔混凝土中制造连续的空隙通道。这就涉及到原材料如 何选择及如何配制既有粘聚性又保持一定流动性的胶结材浆体等问题，前者在卜一章已有过讨论而后者将 东南大掌硕士掌位论文 第三章檀生型多孔混凝土制畚技术的研究 在下一小节详细讨论。 有效空隙：即能保水又能通水的空隙：半有效空隙：只能保水不能通水的窄隙 无效空隙：即不能保水也不能通水的卒隙 图3 - 2 植生型多孔混凝土空隙概念图 图3 - 3 胶结材在骨料空隙中填充的模型 3 3 胶结材浆体流动度试验研究 胶结材流动度试验研究对植生型多i l 混凝土的制各非常关键，实质上就是对胶结材粘聚性和流动性的 观测。而胶结材的粘聚性和流动性是一对矛盾的两个方面，如何在这两者间找到一个平衡点，如何定量地 描述胶结材是否兼有粘聚性和流动性从而满足植生型多孔混凝土的构成条件。本节将对以上问题进行讨 论。 3 3 1 试验设计方案 南于国内植生型多孔混凝土的制备研究工作刚刚开展，没有相应的标准可供执行。本文参考水泥胶砂 流动度测定方法( g b t2 4 1 9 9 4 ) 对胶结材的流动度进行测试。共设计了9 组不同组成不同配比的胶结材进 行试验，其详细组成掺量见表2 5 所示。 东南大学硕士掌位论文 第三章植生玉0 多孔混凝土制备技术的研究 3 3 2 试验结果及讨论 对胶结材浆体流动度的研究一方面是对其流动性和粘聚性的观测，另一方面就是要通过对流动度的控 制确定水灰( 胶) 比范围。做流动度试验时，用水量是分次加入，流动度随着用水量的变化而变化，每一组 胶结材浆体的流动度都需要经过多次的测量，试验结果表3 1 所示。 表3 1 胶结材流动度试验数据 l _ 水泥种类对胶结材浆体流动度的影响 不同的水泥种类即意味着不同的标号及不同的矿物组分，本文采取的两种水泥c l 和c 2 由于不同的矿 物组分及细度，其浆体的流动度也不一样。从图3 - 4 可以看出，相同用水量的情况下c 1 的浆体流动度要 大于c 2 。这一方面由于c 1 水泥标号高于c 2 ，细度更大，水泥颗粒小易分散；另一方面由于c 2 比c l 有着 更高的a 1 ：o 。含量，故其在水化初期生成的钙矾石也越多，析出钙矾石相应减少了系统的自由水，而且水 化产物钙矾石具有高比表面积使系统中固相总表面积大大增加，因为吸附水的比例也大大增加，这又进一 步减少了系统中的自由水，从而使流动度也相应减小“。 2 1 。 2 0 0 1 1 扣 屑1 群1 5 。 4 0 1 3 0 l l l 夕 i ；一c 2 水袁比 图3 4c l 和c 2 流动度值比较 1 4 东南大掌硕士学位论文 第三幸植生型多孔混凝土靠名r 技术的研究 2 水灰( 胶) 比对胶结材浆体流动度的影响 水灰( 胶) 比对浆体流动度的影响即是不同用水量对浆体流动度的影响，很显然同种组分的胶结材浆体 的流动度随着用水量的增大而增大，如图3 - 5 所示。从图中