（岩土工程专业论文）“沙琪玛骨架”生态混凝土的试验研究与工程拓展.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着现代社会经济的不断发展，人民生活水平的日益提高，不仅要求人与社 会的和谐发展同时也越来越讲求人与自然的和谐发展。因而进入八十年代以来， 保护地球环境，寻求与自然的和谐，走可持续发展之路成为全世界共同关注的课 题。混凝土作为人类社会使用量最大的建筑材料今后的发展方向既要满足人类社 会发展的需求，又要考虑自然环境的承受能力，减轻对地球的负担。而作为边坡 和河堤护坡材料、行人路面基材的轻质生态混凝土的研制和研究就是其中的一个 重要方向。 为了改善普通的高水泥掺量的生态混凝土的高碱度，本文从轻质和低碱度出 发，分析了在以陶粒为骨料，以水泥一粉煤灰一添加剂一水为胶凝材料的系统内 轻质低碱“沙琪玛骨架”生态混凝土在四种因素的影响下，抗压强度和p h 值的 变化情况。分析结果表明在减水剂为o g 、水灰比0 4 、灰骨比为0 2 5 ：水泥与粉 煤灰比值为6 4 ；减水剂为0 5 9 、水灰比0 4 、灰骨比为0 3 、水泥与粉煤灰比值 为7 3 的配比情况下，试样较好地满足轻质和低碱度的要求。 本文为了研究并改善“沙琪玛骨架”生态混凝士的植生性能，用一种有机材 料浆液模拟淤泥和淤泥质粘土，对“沙琪玛骨架”的孔隙进行注浆试验，并对注 浆后的混凝土试样进行了力学试验和特性分析。研究结果表明，“沙琪玛骨架” 生态混凝土在注浆压力达到试样抗压强度的3 8 - 4 2 就有可能发生结构性破 坏，为了保证该混凝土不被注浆压力破坏，必须控制注浆压力保持在抗压强度值 的3 8 以下，另外，注浆后试样内部部分骨料粘结点受到劈裂，抗压强度的衰减 幅度达到3 0 0 , 4 左右，最高可达5 1 。此外，注浆后“沙琪玛骨架”生态混凝土 的极限变形模量与平均变形模量更为接近，反映出口一f 压缩曲线较注浆前更为 平坦。 另外为了配合植生需要，研制了一种以水泥、大粒径碎石、营养土等为原料， 且适于植物生长的“沙琪玛骨架”混凝土。试验研究分析了该种混凝土试块抗压 强度与水灰比、水泥含量的关系；结合混凝土的护坡性能分析了试块透水性能， 水泥含量与p h 值的关系，耐冲刷性能。此外对此种生态混凝土的植生性进行了 试验研究。 v 上海大学硕士学位论文 对于以生态混凝土为基材的生态护坡工程的有限元分析结果表明：以轻质生 态混凝土作为岩石边坡坡面防护材料时，坡面切向剪应力比普通喷射混凝土时有 所减小，坡面侧向位移和竖向位移比较小，满足工程要求。 关键词：植物生长、沙琪玛骨架、生态混凝土、粉煤灰、正交试验、酸碱 度 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hm o d e r ns o c i e t ye c o n o m yu n i n t e r r u p t e dg r o w t h , t h ep e o p l el i v i n gs t a n d a r d s g r a d u a l l yr i s e , n o to n l yr e q u i r i n gt h a t h u m a nb e i n ga n ds o c i e t y sh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n t 黜e l a b o r a t ea b o u ta tt h es a m e ：t i m ea l s om o r eh a r m o n i o u sd e v e l o p i n g b e t w e e nh u m a na n dn a t u r ew o r l d a sar e s u l ts i n c ee n t e r i n g8 0 sp r o t e c t i n gt h ee a r t h e n v i r o n m e n t , e x p l o r i n gl l a m o n yb e t w e e nh u m a na n dn a t u r a l ，b e c o m et h ef o c a lp o i m t h a tt h ew h o l ew o r l ds h o w ss o l i c i t u d ef o rc o m m o n l ya l o n gr o a do fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h ec o n c r e t ea st h em a x i m a lu s i n ga m o u n t sb u i l d i n gm a t e r i a lw i l lc o n l l e t ot h ed i r e c t i o nt h a tn o to n l yt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f h u m a ns o c i e t y d e v e l o p m e n t b u ta l s ot oa d a p tt on a t u r c t $ b e a r i n gc a p a b i l i t ya n de a s e so f ft ot e r r e s t r i a lb u r d e n a s t h es i d es l o p e , d i k er e v e t m e n tm a t e r i a la n dp e d e s t r i a nr o a d ss u r f a c eb a s e , l i g h t q u a l i t ye c o l o g i c a lc o n c r e t e sd e v e l o p i n ga n d r e s e a r c ha r ef i l li m p o r t a n td i r e c t i o n f o rm l k i n gi m p r o v e m e n tt ot h eh i g h a l k a l i n i t y o fe c o l o g i c a lc o n c r e t e a d u l t e r a t i n gh i g l la m o u n t sc e m e n t , s e t t l e st h ep a p e r 3s t a r t i n gp o i n to nl i g h tq u a l i t y a n dl o wa l k a l i n i t ya n da n a l y s e st h el i g h tq u a l i t yl o wa l k a l i ”s h a q i m af r a m e w o r k ” e c o l o g i c a lc o n c r e t e sc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dp h v a l u ec h a n g e su n d e rt h ee f f e c ti n f o u rk i n d sf a c t o r si nas y s t e mc o n t a i n i n gp l a s t i c i z e r c e m e n t - f l ya s h - w a t e r 嬲b i n d e r m a t e r i a la n de e r a m i e i t e8 sa g g r e g a t e a n a l y t i e a lr e s u l ti si n d i c a t e db e i n gt h a ts a m p l e s w i t ht w ol ( i n dr a t i o ：o gs u b t r a c t i o nw a t e ra q u a , w a t e rb i n d e rr a t i ot o0 4 t h eb i n d e r b o n er a t i o0 2 5 ；c e m e n ta n df l ya s hr a t i ob e6 4 s u b t r a c t i o nw a t e ra q u ao 5 9 , w a t e r b i n d e rr a t i o0 4 ，b i n d e rb o n er a t i o0 3 ，c e m e n ta n df l ya s hr a t i ob e7 3e o n d i t i o n , c o u l d f a i r l ys a t i s f i e dl i g h tq u a l i t ya n dl o wa l k a l i n i t yr e q u e s t f o ri m p r o v i n g ”s h a q i m af i a m e w o r k ”e c o l o g i c a lc o n c r e t e sp l a n t i n gp r o p e r t yt h e p a p e rs i m u l a t e ss l u d g ea n ds l u d g ed a y si n j e e t i o nw i t ha m y u mm a t e r i a l b ya n a l y z i n g i n j e e t e ds a m p l e s m e c h a n i c sp r o p e r t y , t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tc o n t r o l l i n gi n j e c t i o n p r e s s u r eu n d e r3 8 o fc o m p r e s s i v es t r e n g t hc o u l de n s u r et h a tt h es a m p l ed o e sn o t b e e nd e s t r o y e d ；t h ea t t e n u a t i o ne x t e n to fi n j e e t e ds a m p l e s c o m p r e s s i v es t r e n g t h r e a c h e s3 0 a n dm o s th i g h l yb e5 1 b e s i d e s ，t h ei n j e e t c d ”$ h a q i m af r a m e w o r k ” e e o l o g i c a c o n c r c t c f $ l i m i td e f o r m a t i o nm o d u l u sa n da v e r a g ed e f o r m a t i o nm o d u l u s 嗽t oa p p r o a c h , w h i c hr e f l e c t st h a to 一c o m p r e s sa 矾ei se v e l l e l t h a ns a m p l e s w i t h o u ti n j e e t i n g i 上海大学硕士学位论文 b e s i d e sf o rf i t t i n gt op l a n t i n g , d e v e l o p s0 1 1 0l d n do ft h e ”s h a q h n af i m n e w o r k ” c o n a e t et a k i n gc e m e n t ，b i gg r a i nd i a m e t e rs t o n e ，n u t r i t i o ns o i le t o a s 住wm a t e r i a l ， w h i c hi ss u i t a b l ef o r # a n tt og r o w t e s ts t u d i e st h i sk i n do fc o n c r e t os a m p l e s r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dw a t e rb i n d e rr a t i o 、c o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dc e m e n tc o n t e n t s ；a n a l y s e s t h es a m p l e sp e r m e a b l ep r o p e r t y , w a s h p r o p e r t ya n dr e l a t i o nb e i = ) l 嘞c e m e n tc o n t e n t sa n dp hv a l u ec o m b i n i n gw i t ht h e 0 2 0 n o r e t or e v e t m e n tp r o p e r t y a d d i t i o n a l l y , c a r r yo u ta l le x p e r i m e n t a ls t u d yt or e s e a r c h t h ee c o l o g i c a lc o n c r e t e sp l a n t i n gp r o p e r t y f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a t ：c o m p a r i n gt ot h eo r d i n a r y j e t t e dc o n c r e t e w h e nt a k el i g h tq u a l i t ye c o l o g i c a lc o n c r e t ea sb a s em a t e r i a li n e c o l o g i c a lr e v e t m e n tp r o j e c t , t h ef a c eo fs l o p e st a n g e n t i a ls h e a rf o r c ei sr e d u c e dt o b o l n oe x t e n t c o m p a r a t i v e l y , t h el a t e r a ld i r e c t i o n 蛳l a c e m e n ta n dt h ev e r t i c a l 蛳l a c e m e n ti nt w ok i n d so fc o n d i t i o na r eb o t hs m a l l ，w h i c hs a t i s f i e st h ep r o j e c t r e q u e s t k e y w o r d s ：p l a n t 铲o w m g “s h a q i m af r a m e w o r k ，e c o l o g i c a lc o n c r e t e ，f l y i n ga s h ， c r o s s - r a n g e de x p e r i m e n t , a c i d i t ya n da l k a l i n i t y v n i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 翌= 2 ：! 竺 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 混凝土材料对人居环境的影响 现在人类社会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 球环境问题主要有臭氧层、全球温室、土地沙漠化、海洋污染等。这些公害是人 类在高度发达的工业化生产和大规模的建设活动过程中，没有考虑自然界可吸收 的能力，非科学性的排放给地球环境带来了过重的负荷造成的。 造成环境问题的原因很多，但主要是2 0 世纪人类所从事的土木、建筑活动。 混凝土，是各种建设工程中用量最大的建筑材料，据2 0 0 3 年不完全统计，世界 水泥产量已超过1 7 亿吨，折合混凝土不少于5 0 亿方。2 0 0 2 年我国的水泥产量 已达到7 2 5 亿吨据世界首位。传统的混凝土材料在为人类构筑美好的生活空间 的同时，也给人类的生存环境带来了不可忽视的负面影响。 1 、消耗大量的自然资源和能源。为了生产混凝土，需要耗费自然界的大量 石灰石、黏土砂石等矿物质资源和煤炭、石油、天然气等能源，据统计我国每年 要开采5 0 亿吨以上的黏土、石灰石和砂石等矿物材料用于生产水泥和混凝土。 为此破坏了自然景观、改变了河床位子、造成了水土流失等严重后果。另外混凝 土工程由于制模的需要，还须用到大量木材，从而消耗了大量的森林资源，造成 热带雨林的破坏，间接地影响野生动物的栖息环境与生态平衡。 2 、排放大量有害物质。水泥是混凝土的主要组成材料之一，大约占混凝土 重量的五分之一。在水泥的生产过程中要排放出对地球环境有害的温室效应气体 c 0 2 和粉尘、n o x 、s 0 2 等，给地球环境造成负担。有人计算，生产1 吨水泥熟 料，要排放出大约8 0 0 公斤c 0 2 ，0 7 4 公斤的s o e ，同时水泥的烧成反应所需能 量在我国是有煤炭燃烧获得，由此还将产生c 0 2 和s o x 等有害气体。目前全世 界c 0 2 的排放量大约为1 0 0 亿吨，其中由于生产水泥而产生的c 0 2 气体约占十 分之一，是产生温室效应气体的大户。 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起结构的密实性。目前城市表面8 0 上海人学硕： 学位论文 以上的面积被建筑物和混凝土所覆盖，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 度， 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。 4 、混凝土材料的视觉和触觉效果差。混凝土为现代社会主要的建筑材料， 但是混凝土的质地脆硬，表面粗糙且呈强碱性，触觉效果比较差。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生硬，灰暗的 感觉，所以大多混凝土结构的表面都需使用装饰材料。 1 2 生态混凝土的分类与应用 生态混凝土分为两大类即：减轻环境负荷型生态混凝土和生物相容性生态混 凝土。 1 、减轻环境负荷型生态混凝土 所谓环境友好型生态混凝土，是指在混凝土的生产、使用直至解体全过程中。 能够降低环境负荷的混凝土。目前，相关的技术途径主要有以下三条： 1 ) 降低混凝土生产过程中的环境负担。这种技术途径主要通过固体废弃物的 再生利用来实现，成品为废弃物再生混凝土。 2 ) 降低混凝土在使用过程中的环境负荷。这种途径主要通过提高混凝土的耐 久性，或者通过加强设计、搞好管理来提高建筑物的寿命。延长了混凝土建筑物 的使用寿命，就相当于节省了资源和能源，减少了c 0 2 的排放量。 3 ) 通过提高性能来改善混凝土的环境影响。目前研究较多的是多孔混凝土， 这种混凝土内部有大量连续的空隙，具有良好的透水性、吸音性、蓄热性、吸附 气体的性能。利用混凝土的这些新的特性，开发了许多新产品，例如，具有排水 性铺装用制品，具有吸音性、能够吸收有害气体、具有调温功能以及能储蓄热量 的混凝土制品。 2 、生物相容型生态混凝土 这是指能与动、植物等生物和谐共存、对调解生态平衡、美化环境景观、实 现人类与自然协调具有积极作用的混凝土。根据用途，这类混凝土可分为植物相 容型生态混凝土、海洋生物相容型生态混凝土、淡水生物相容型生态混凝士以及 2 上海大学硕士学位论文 净化水质型生态混凝土等。 植物相容型生态混凝土利用多孔混凝土空隙部位的透气、透水等性能，渗透 植物所需营养，生长植物根系这一特点来种植小革、低的灌木等植物，用于河川 护堤的绿化，美化环境。 海洋生物、淡水生物相容型混凝土是将多孔混凝土设置在河、湖和海滨等水 域，让陆生和水生小动物附着栖息在其凹凸不平的表面或连续空隙内，通过相互 作用或共生作用，形成食物链，为海洋生物和淡水生物生长提供良好条件，保护 生态环境。 净化水质用生态混凝士是利用多孔混凝土外表面对各种微生物的吸附，通过 生物层的作用产生间接净化功能，将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖 河内净化水质，使草类、藻类生长更加繁茂，通过定期采割，利用生物循环过程 消耗污水的富营养成分，从而保护生态环境。 1 3 护坡植生型生态混凝土介绍 护坡植生型多孔混凝土作为生态混凝土的一个分支类型，是一种植物能直接 在其中生长的生态混凝土，同时也是一种将植物引入到混凝土结构中的技术。这 类材料多用于房屋、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。其基本结构示意如图1 1 。 图1 1 护坡植生型多孔混凝士构造 f i g 1 一lp r o t e c t i n g - s l o p ep l a n t i n ge o n a e t e 植物 胶粘剂 耕土 粗骨料碎石 上海大学硕士学位论文 生态护坡可分为四种护坡形式： 1 自然石生态护坡 自然石生态护坡是指在土坡平整成型后，在其上铺设防护材料，形成护坡基 层，在此基层之上铺设互不接触的天然石块，根据抗冲刷的要求，自然石之间保 持一定的间距，这样可以在天然石块之间填充营养土，种植各种美化环境的植物， 对表面径流进行第一道过滤与净化。 2 仿石砌块生态护坡 仿石砌块是采用特殊模具由混凝土浇筑而成，并且预留有大量孔洞的混凝土 砌块。仿石砌块护坡技术就是通过预埋于仿石砌块中的钢筋扣将其连接起来，铺 在平整后的岸坡上，同时在砌块孔洞中充填腐殖土、种子、缓释肥料、保水剂等 混合材料，并在混凝土表层采用植物纤维覆盖，创造适宜植物生长的环境，种子 发芽生长后形成植被。采用这种护坡型式能承受较大的冲刷力而不会使土壤被冲 走。 3 格状砌块生态护坡 格状砌块是由植生型多孔混凝土与普通混凝土共同预制而成的砌块。格状砌 块护坡技术就是用钢筋将格状砌块连接起来。土坡平整成型后，在其上铺设细砂 和碎石形成反滤层，在反滤层上铺设格状砌块，用钢筋联接件将格状砌块连成一 个有机整体。在格状砌块的方孔中充填营养土，播种草种，等植被达到一定的覆 盖率后就形成了吸收表面污染径流的格状砌块生态护坡。格状生态护坡不仅可以 达到河道护坡的要求，而且通过对表面径流的净化，起到了对生态环境的保护作 用，同时还兼有景观的功能。 4 植生型多孔混凝土生态护坡 植生型多孔混凝土是近年来日本的最新研究成果，将之应用于河堤护坡、护 岸有着良好的前景。植生型多孔混凝土具有与土壤类似的空隙率且强度高，抗侵 蚀能力强，由于其内部存在连续的空隙从而具有良好的透水性和透气性，能使一 定根系的植物在其中生长。由植生型多孔混凝土制成的不同形式的单元体如多孔 混凝土球和多孔混凝土球状砌块等，将其应用于示范工程不仅有利于水土保持， 同时还对水质净化、环境保护和维持生态多样性等方面起到有益的作用。 通过以上几种护坡方式的护坡效果比较来看植生型多孔混凝土生态护坡有 着更多的优势。首先植生型多孔混凝土白重轻较，不会增加坡面负担；其次，它 4 上海大学硕上学位论文 类似土壤的连续空隙结构更有利于不同植物的生长；最后，它具有水质净化、维 持生物多样性等更亲近自然的能力。 j 玺| 1 - 2 瞥通混凝 ：护坡 f i g 1 - 2p r o t e c ts l o p e w i t ho r d i n a r yc o n c r e t e 图1 3 生态护坡 f i g 1 - 3p r o t e c ts l o p e 诵l he c o l o g i c a lm a t e r i a l 表1 1 生态混凝土与普通混凝土护坡技术比较f l 】 比较因素生态混凝土( 现场施工的普通混凝土( 现场施工) 透水性混凝土) a 排水性、透水性1 、生态混凝土由于自身l 、普通混凝土不具备透 的特性，其排水性和透水水性，其排水只能通过 性都很好，能实现自由排排水孔来实现； 水，所以岸堤自身及破面2 、无过滤性能，混凝土 都具有高度的安全性；与地基之间的衔接部位 2 、自身多孔性，过滤效必须设置防止土、沙等 果很好，不会发生细颗粒吸出的材料。 流失或发生管涌现象。 b 对于波浪、地震的稳l 、生态混凝土具有犹如 l 、普通混凝土施工面平 定性米花糖的表面，其消波效 滑，消波效果不理想， 果好；波浪上扬厉害； 2 、生态混凝土技术刚性2 、混凝土与堤体的刚度 5 上海大学硕士学位论文 柔软及具有多孔等特点，差别甚大，地震时由于 对地震时的变形适应性两者动态特性不同而导 强。致变形过大而断裂。 c 抗洗掘、流失性能l 、由于自身的过滤效果l 、使用排水孔等排水结 和消波效果，对洗掘、流构，容易造成流线集中 失具有高抵抗性能。且流速较快，土粒子流 失较严重。 d 景观性l 、能在生态混凝土上实1 、景观性一般较差。 现植生，不仅绿化景观， 又能进一步加强坡面的 稳固。 e 改善自然环境能力1 、生态混凝土的最大特1 、没有改善自然环境的 点是改善自然环境：具有功能。 连续孔隙的生态混凝土 可以使水，空气自由渗 透，不仅可以早期创造生 物环境，更明显的是由于 其孔隙内部以及外部附 着、栖息的微生物、小动 物、藻类等可以有效地促 进水质的自然净化作用。 由此可见，生态混凝土在道路、河流、大坝及蓄水池倾斜面的护堤中有着普 通混凝土无法比拟的特殊优越之处，有利于自然生态环境的和谐，同时与生态环 境相协调。 1 4 生态混凝土及其护坡技术的研究现状 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。生态混凝土，特别 是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 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。 日本混凝土工学协会于1 9 9 5 年提出了生态混凝土( e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y c o n c r e t e e c o - c o n c r e t e ) 的概念。同时，日本秩父小野田( 株) 和前田制管( 株) 6 上海大学硕士学位论文 1 共同进行了混凝土和绿色植物相结合为目标的研究，其成果已在住宅区、道 路和河流护坡上进行了试验。今井实h 提出种植混凝土要求：( 1 ) 、确保连续空隙， 使根系在混凝土中生长繁茂，连续孔隙率在1 8 0 o 3 5 ；( 2 ) 、必要的水分、肥料， 以确保植物生长；( 3 ) 、p h 值维持在不影响植物生长的水平。美国及欧洲发达国 家自2 0 世纪末也相继开展了生态混凝土的研究和开发。韩国自然与环境株式会 社开发研制了一种生态混凝土砖。 我国绿化混凝土开发和应用越来越受到重视。 吉林省水利实业公司1 5 - 9 1 利用建筑废砖石作骨料，研制出一种环保型混凝土 护砌材料，并对绿化混凝土上草坪植物所需营养元素及供给进行了研究：中建十 八局研究了铁路绿色通道喷射混凝土植生技术i l o l ；天津市水利科学院研究了能生 长草的混凝土；南京工业大学奚新国l l l l 等研制了一种低碱度多孔混凝土，对各种 掺量与强度、酸碱度的关系进行了分析；安徽建筑工业学院孙道胜1 1 2 1 等研制了一 种无砂大孔绿化混凝土，初步探索出无砂大孔绿化混凝土孔隙率、强度与水胶比 的关系、孔隙率、强度与胶凝材料用量的关系，孔隙率与强度的关系，粗骨料粒 级与孔隙率及强度的关系，降低p h 值的方法等。上海大学与福建农林大学合作 研究了轻质绿化混凝土与“沙琪玛骨架”绿化混凝土”1 4 1 ，并对植物相容性与力学 性能等进行了研究。 清华大学郭玉顺等叫1 对多孔混凝土成分与力学性能进行了分析和研究。三峡 大学刘斯凤【1 6 1 对生态混凝土的抗碳化效应及其机理进行了研究分析比较了不同 掺量的粉煤灰或矿渣混凝土及其两种废渣复合混凝土2 8 天和9 0 天的抗碳化性能 并研究了废渣的抗碳化效应。 武汉大学张季如“”明研究一种强度和抗侵蚀能力较高，且草灌植被可生长的 z z l s 绿色生态护坡材料。分析了材料的微观结构和胶结成分，剖析了材料的植 生功能和强度机制。基于室内试验成果，分析了材料的无侧限抗压强度和变形模 量的变化规律，利用二次抛物线模型模拟其应力应变关系，给出了模型的试验 参数。 武汉理工大学朱平华等 2 0 - 2 2 1 对绿色高性能混凝土的性能和配合比优化设计 进行了试验研究，并研究了一种由固体碱为激发剂制备的碱一矿渣一高钙粉 煤灰渣新型胶凝材料配制的绿色高性能混凝土的渗透性、碱集料反应、工作性与 抗压强度。结果表明：该混凝土具有良好的抗c l 。渗透的能力，不会产生膨胀性 7 上海大学硕士学位论文 破坏的碱集料反应，矿渣与粉煤灰渣的质量比、水胶比、减水剂的掺量及粗骨 料的种类对绿色高性能混凝土的工作性和强度有明显的影响，为混凝土的可持 续发展指明了一条新途径。 在生态护坡方面以植被护坡稳定性及力学分析及生态防护工艺发展为主。 在植被遭到破坏的边坡失稳研究方面，b i s h o pa n ds t e v e n s 在美国阿拉 斯加东南部林区对这一问题进行了深入调查研究，他们统计发现皆伐过的山地发 生滑坡的频率和范围显著增大。他们认为树根的破坏和腐烂是滑坡频发的主要原 因。此类坏死根系对边坡失稳的研究目前己进行得相当系统和深入，甚至涉及到 了因此产生有机物导致的酸性或碱性环境对岩石风化的作用以及化学环境中应 力腐蚀的作用。 1 9 9 0 年m a k e ra n dg i a y 通过大量实验证明沙土中生长少量根就能显著提 高沙土的抗剪强度。之后在1 9 9 4 年，n i l a w e e r a 口5 1 等人证实，树根强度与树根直 径成反比。1 9 9 6 年g r a y 利用实验得到的数据，建立了树根抗拉强度与直径的关 系式。显然，根据这一发现，须根比大根更有利于土壤加固和抗剪强度的提高。 这为在陡坡上种草提供了理论支持。 近几年，k a t h yp a r k e r 和c l e m e n tw h a m i i t o n l 2 6 1 对美国木兰花公园、西雅 图及华盛顿地区滑坡敏感的陡坡进行了植被研究，结果表明，把树种在坡体顶部 能对其下部坡地的地质构造稳定性提供显著有效的作用。同时也说明了五月花 ( 杨梅属) 作为这些地区树木群落重要组成之一的作用。 l e h v a nb e e kt a b o g a a r d m l 等人研究了生态工程学植物护坡的稳定性。结 果表明，当潜在的不稳定土体完全被植物根系所穿过的时候，根系增强稳定性的 作用是显著的；当潜在的不稳定土体相对根系所达到深度范围很大的时候，根系 增强稳定性的作用只在土体表面有作用。同时，不同的植被所产生的稳定性效果 是显著不同的，这和植被对根系加强作用及水文特性的影响所关联的很大的可变 能力无关。 2 0 0 0 年9 月，美国农业部位于加州的s a nd i m a s 2 8 1 技术开发中心发表了一篇 实践指南，将土壤生态工程引入道路边坡的管理之中。经过大量的工程实践，他 们提出了梯田式的植物栅栏墙构造。并对整个施工工艺和技术流程作了详细说 明，包括植物的移植存活以及对活木桩的栽种扦插。 在日本，植被护坡被称为坡面绿化，它的发展和道路的发展基本是同步进行 上海大学硕上学位论文 的，至今也有半个多世纪的历史了。上世纪7 0 年代以来。随着其高速公路的大 规模建设，边坡绿化技术得到空前发展，而且现在在许多高技术方面处于世界领 先地位。 上世纪9 0 年代中后期，我国开始注重理论研究，并开始结合我国国情展开 各种边坡植被防护的探索。1 9 9 8 年，刘桂元对浏阳地区的磷矿土质、软岩边 坡进行了植被护坡的研究，采用栽植葛藤、松树等进行边坡防护。1 9 9 9 - 2 0 0 0 年， 周德培、张俊云等 3 0 l 针对劣质土坡及岩石边坡的植被护坡做了大量研究调查，研 发出适合于我国国情的厚层基材喷射植被护坡技术。2 0 0 0 年，章梦涛1 ； 2 0 0 1 年，张俊云、周德培1 3 ”、舒翔【3 3 】、周颖【蚓等在借鉴日本同类技术的基础上，进行 了以土壤为主要材料、硅酸盐水泥为粘结材料的喷混植生试验，并在内昆、株六 等铁路及惠河高速公路进行了现场试验，取得了一定的研究成果。同年西南交通 大学岩土工程研究所1 3 5 1 进行了岩石边坡生态种植基的试验研究。配制1 4 4 种不 同配比的种植基，通过室外草坪草的培育试验，研究了种植基配比对草坪草生 长的影响，以及配比对种植基主要强度指标的影响，并初步确定了4 种适合 于高陡岩坡防护的生态种植基。2 0 0 2 年，许文年f 划进行了对岩石边坡护坡绿化 技术的应用研究，开发出了适用于岩石边坡，既具有一定强度起到防护作用，又 能适合植物生长达到绿化目的新型生态环保技术一植被混凝土边坡防护绿化技 术。2 0 0 5 年李志清口1 等进行了生态防护在高速公路护坡中的应用研究。在系统 总结国内外常用护坡方法的基础上。提出了要将工程护坡和植被护坡相结合的思 想。并介绍了一种新的特别适用于膨胀土边坡的生态防护方法一锚杆框架梁护坡 并对这种防护的护坡原理、力学机制、施工工艺等做了较为详细的阐述。另外， 中国科学院武汉岩土力学研究所”8 1 对植物固坡的力学性能进行了分析。讨论了植 物固坡中的有关力学问题，着重分析了树根抗拉性能、生长方向与土坡稳定性的 关系，探讨了固坡植物与人工结构物共同作用的问题，指出植物固坡的双向作用 和适用条件。 1 5 本文的研究目的与方向 综合国内外的研究现状，生态混凝土作为一种新型的建筑材料在工艺研究方 面结合实际工程情况已研制了较多的分支类型：另外对大孔隙混凝土的力学分析 9 上海大学硕士学位论文 进行了初步分析；结合实际工程对生态混凝土的应用也作了大量研究。然而生态 混凝土由于材料本身的特殊的大孔隙结构和植生性的考虑，必然有别于普通混凝 土的高碱度和高强度，如何在保证生态混凝土满足护坡要求的情况下通过采用低 碱材料来降低生态混凝土的碱性，从而避免由于碱度不能满足植生要求而导致工 程中通过降碱材料二次加工来降低碱度，从而降低施工成本。 另外本文通过生态混凝土的注浆研究，探索生态混凝土注浆前后的特性变 化，为工程中利用淤泥质土大规模注浆提供理论依据。立足于以往研究并结合试 验，将岩土注浆技术与生态混凝土研究相结合来，开辟一种生态混凝土工艺的新 方法。 上海大学硕上学位论文 第二章“沙琪玛骨架”植生型生态混凝土配比试验 研究 植生型多孔混凝土是生态混凝土的一个分支，一般应用于人行路面、河道护 堤、岩体和土体边坡的防护工程中。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，外观 上看如同食用的“沙琪玛”，这可以说是植生型多孔混凝土的最主要的结构特点。 普通的混凝土由于其组成材料之一是水泥，水泥在水化时将产生占水泥石体积 2 0 - - 2 5 的c a ( o n ) 2 ，使得混凝土呈强碱性，p h 值高达1 2 1 3 e 3 9 1 。这种碱性对 用于结构物的钢筋混凝土来说是有利的，具有保护钢筋不被腐蚀的作用。但对于 道路、港湾、护岸用的混凝土构件等，这种碱性不利于植物和水中生物的生长， 所以开发低碱性、内部具有较大的孔隙，能够提供植物根部或水中生物的生长所 必需的养分存在的空间，适应生物生长的混凝土是生态混凝土的一个重要的研究 方向。 2 1 陶粒骨料“沙琪玛骨架”植生型生态混凝土配比设计 为了了解掌握胶凝材料掺量，骨料与胶凝材料级配及外加剂对此类混凝土的 强度和碱度的影响，进行了“沙琪玛骨架”混凝土的四因素三水平的正交研制试 验，并对混凝土的强度，酸碱度进行了测试，从而分别考察水灰比、灰骨比、减 水剂掺量及水泥粉煤灰比例对混凝土强度、酸碱度的影响。 2 1 1 试验原料 根据以上的要求试验采用的材料为硅酸盐水泥、陶粒、粉煤灰、减水剂等。 1 硅酸盐水泥：本次试验采用的水泥为上海海螺4 2 5 # 水泥 2 陶粒：作为混凝土骨料，陶粒是一种无机非金属材料，它是一种轻质多 孔岩石，矿物主要成分由一种灰色火山岩( 硅铝酸盐) 构成。是一种封 上海大学硕士学位论文 闭的轻质固体，密度小，为o 0 3 - o 1 6 克厘米3 ，孔隙率约为9 3 ，其中 空气容积约为5 3 ，持水容积约为4 0 ，具有白色、美观、轻质、无味、 无毒、不易碎又便于清洗等优点。该岩石的p h 值为7 0 - 7 5 ，所含成分多 数不能被植物吸收利用。作为基材它的优点是易于排水、易于通气，物 理和化学性质比较稳定，吸水能力强，是一种良好的保肥、固水材料。 该材料微观照片见图2 1 表2 1 所示为轻质陶粒的主要化学成分。 表2 1 轻质陶粒化学成分 t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f c a r e m i s i t e s i 0 2 a i 2 0 3 n a 2 0k 2 0 f e2 0 3f e o m g o 6 6 5 9 _ 7 5 0 l1 0 2 5 - - - 1 4 3 l2 3 l 4 7 42 0 1 - - 5 2 10 2 7 2 6 9o 2 i - - i 6 00 9 5 - - 1 0 5 图2 - l 骨料微观结构 f i g2 - la g g r e g a t e sm i c r o c o s m i cs t r u c t u r e 3 粉煤灰：粉煤灰为上海吴泾热电厂提供的二级粉煤灰，粉煤灰化学成分 表见表2 2 。 表2 - 2 粉煤灰化学成分 t a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f f l ya s h ( m a s s ) s i 0 2f e 2 0 3a 1 2 0 3 c a o m g os 0 3 l o it o t a l 5 6 7 7 6 3 82 2 4 32 5 71 1 51 7 03 2 49 4 2 4 4 减水剂：减水剂型号为h y 一1 型。减水率2 0 左右。 2 1 2 混凝土的浇注与成型 上海大学硕上学位论文 首先对骨料进行筛选，剔除较小与较大粒径，一般粒径控制在2 - 3 c m 左右。 由于混凝土要求较大孔隙率、透水性，所以采用人工浇注，控制胶凝材料用 量，控制标准为：使胶凝材料附着在骨料上的量基本不至产生流动，即尽量保证 骨料在原始堆积情况下孔隙状况。试模为1 5 0 m m x1 5 0 m i n x1 5 0 m m ，骨料分2 - 3 次搅拌( 控制胶凝物用量) ，倒入试模后轻微压实，不进行震捣，防止胶凝料流 动。投料顺序如图2 - 2 去除不符合粒径要求骨料( 2 - 3 c m ) - 按配比对水泥、粉煤灰、减水荆称重 r 按养护模型称重骨料用量 将骨料与胶凝料三等份，按每组水 灰比加水，分三次搅拌，入模成型 2 2 试验方案 图2 - 2 混凝土投料顺序 f i g 2 - 2c o m p o u n d i n go r d e r 表2 - 3 试验各因素水平表 t a b l e 2 3f a c t o r sa n dl e v e l so f e x p e r i m e n t 水平减水剂( )水灰比w c 灰骨比c g 水泥，粉煤灰 1oo 3 8 o 2 01 8 2o 50 4 0 0 2 5 6 4 3lo ，4 20 3 05 ，5 上海大学硕士学位论文 试验采用正交设计，选取水灰比、灰骨比、减水剂掺量及水泥粉煤灰比例四 个因素，考察四因素在7 天、1 4 天、2 8 天周期下，按照b ( 3 4 ) 进行9 次试验。 表2 3 为9 次试验配比情况。 表2 _ 4b ( 3 4 ) 正交试验表 t a b l e 2 - 4 k ( 3 4 ) c r o s s - r a n g ee x p e r h n e n t 组别减水剂( )水灰比w c灰骨比c g水泥粉煤灰 f 10o 3 8o 27 3 f 200 4o 2 56 4 1 ：3oo 4 2o 3s 5 f 40 5o 3 8o 2 55 ，5 f 5o 50 4 o 31 f 3 f 6o 5o 4 2o 26 谴 f 7l0