（道路与铁道工程专业论文）岩质边坡喷射植被混凝土植生基材研究.pdf

摘要 随着我国经济建设的蓬勃兴起，公路、铁路、水电、市政等基础设施建设得 到迅猛发展，同时引发了一系列的环境问题，其中，遇到大量的边坡问题。喷射 植被混凝土是一项新型的边坡防护技术，兼有圬工防护与生态防护的优点，在边 坡整体稳定的前提下，特别适合于岩质边坡的防护与绿化。 岩质边坡缺乏植物生长的基本条件，喷射植被混凝土技术就是人工在坡面胶 结一层植物生长的必要物质。分析得出该技术的关键问题是寻找不影响植物生长 的胶结材料。其次，针对目前常用的水硬性胶凝材料，从胶结材料的碱度和强度 入手，分析三大系列水泥的性能和进一步降低水泥液相碱度的方法；另外，分析 讨论了一种新型胶结材料凝石的性质及其粘结原理。最后，指出植生基材的基本 组成材料以及材料的配合比，提出了喷射植被混凝土技术的设计方法及养护管理 方法。 采用理论分析、室内试验等手段，对三大系列水泥以及凝石的性质进行较系 统的分析讨论，得出硫铝酸盐水泥液相碱度较普通硅酸盐水泥和铝酸盐水泥低， 且掺入高炉矿渣、粉煤灰、石膏、碳酸钙等材料可进一步降低其液相碱度；凝石 属于硅铝基胶凝材料，不同于高钙体系水泥类材料，具有良好的胶结性能且液相 碱度较低。据此，建立了以改性硫铝酸盐以及凝石为胶结材料的植生基材的配合 比设计方法，在重庆忠垫高速公路进行现场试验应用，对植被护坡技术具有指导 意义。 关键词：道路工程；喷射植被混凝土；试验；胶结材料；凝石 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o nr i s i n gu pi n0 1 1 1 c o u n t 巧) t h eh i g h w a y s ，r a i l w a y s , h y d r o p o w e r ，m u n i c i p a la n do t h e ri n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o nh a sb e e nd e v e l o p m e n t r a p i d l y ，a tt h es a m et i m et r i g g e r e da s e r i e so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，s u c ha sm a n y s l o p ep r o b l e m s p r a yv e g e t a t i o ni san e w t y p et e c h n o l o g yf o rs l o p ep r o t e c t i o n ，i tm a d e u pt h ea d v a n t a g eo fm a s o n r yp r o t e c t i o na n de c o l o g i c a lp r o t e c t i o na t t h ep r e m i s eo f o v e r a l ls l o p es t a b i l i t y ，p a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rr o c ks l o p ep r o t e c t i o na n dg r e e n i n g r o c ks l o p el a c kt h eb a s i cc o n d i t i o n $ f o rp l a n tg r o w t h , v e g e t a t i o ns p r a y e d c o n c r e t e t e c h n o l o g yi sal a y e ro fa r t i f i c i a lc e m e n ts u r f a c ef o rp l a n tg r o w t hs u b s t a n c e s a n a l y s i s i n d i c a t et h a tt h ek e yq u e s t i o n so ft h et e c h n o l o g yi sl o o k i n gf o rc e m e n t i n gm a t e r i a lw i l l n o ta f f e c tt h ep l a n tg r o w t ho ft h e s e c o n d l y ，c o n t r a r yt ou s u a l l yu s e dt h ew a t e rm a d e r i g i dc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s ，s t a r tf r o mc e m e n tm a t e r i a l s 。i n t e n s i t y o fa l k a l i n i t y ， a n a l y z e st h et h r e em a j o rs e r i e so fc e m e n tp e r f o r m a n c ea n dp h a s em e t h o df o rf u r t h e r r e d u c em ea l k a l i n i t yo f t h ec e m e n tl i q u i d ；i na d d i t i o n ，a n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n ga n e w t y p eo fc e m e n t i n gm a t e r i a lc o n d e n s a t es t o n ep r i n c i p l ea n dt h e n a t u r eo ft h eb o n d f i n a l l y ，p o i n to u tt h a tv e g e t a t i o nc o m p o s i t i o na n d t h eb a s i cm a t e r i a lm i xo ft h e s u b s t r a t em a t e r i a l ，c o m eu pw i t ht h ed e s i g nm e t h o do f c o n c r e t es p r a y e dv e g e t a t i o na n d c o n s e r v a t i o nm a n a g e m e n tp r a c t i c e s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ru s e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s 、l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n do t h e r m e a n s m a d es y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ed i s c u s s i o na g a i n s tt h r e es e r i e so fc e m e n ta n dt h e n a t l l i eo fc o i l d e n s a t es t o n e ，c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h el i q u i dp h a s eb a s i c i t yo f s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ti s l o w e rt h a nt h eo r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n ta n da l u m i n a t e c e m e n t ，w h a t ，sm o r e ，t h ei n c o r p o r a t i o no f b l a s tf u r n a c es l a g ，f l y a s h ，g y p s u m ，c a l c i u m c a r b o n a t ea n do t h e rm a t e r i a l sc a l lb ef u r t h e r r e d u c e di t sl i q u i dp h a s eb a s i c i t y ； c o n d e n s a t es t o n eb e l o n gt os i a 1 b a s e dc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s ，d i f f e r e n tw i t ht y p e so f c a l c i u mc e m e n ts y s t e mm a t e r i a l ，h a sag o o dc e m e n tp e r f o r m a n c ea n dl o w e rl i q u i d a l k a l i l l i 锣a u t h o ra c c o r d i n g l yt ot h i ss e tu pa m o d i f i e dc o n d e n s a t es u l p h o a l u m i n a t ea n d s t o n em a t e r i a l sf o r n l ec e m e n tp l a n t s u b s t r a t em i xd e s i g nm e t h o d s ，a p p l i e di n c h o n g q i n ge x p r e s s w a yf r o mz h o n g x i a nt o d i a n j i a n ge n t i t i e sp r o j e c t ，h a sg u i d i n g s i g n i f i c a n c eo ns l o p ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：r o a de n g i n e e r i n g ；s p r a yv e g e t a t i o nc o n c r e t e ；e x p e r i m e n t ； c e m e n t i n gm a t e r i a l s ；c o n d e n s a t es t o n e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：年月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年月日日期：年月日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 指导教师签名： 日期：年月日 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 我国公路、铁路、水电等基础设施建设发展迅速，有力促进了沿线政治、经 济、文化的长足发展。然而在建设过程中必然破坏原有的表层土及原生植物群落， 出现大量无法恢复植被的岩土边坡以及产生严重的水土流失和土地沙化现象，导 致一系列生态环境破坏问题。因此，如何快速恢复开挖边坡的生态环境并实现坡 面的植被保护是一个亟需研究和解决的课题。生态环境保护已成为人类社会可持 续发展的制约因素，由于人口、资源和环境问题的日益严峻，以节省资源、保护 环境为前提的社会可持续发展战略观已成为全世界的共识。高速公路建设强调“安 全、舒适、环保、和谐 等设计理念，注重建设中的边坡生态防护、绿化、水土 保持、景观等已成为当前公路建设的趋势。 目前，对于岩石边坡，坡面防护措施主要有圬工防护和植被防护两大类。圬 工防护的优点是结构稳定，见效快，但生态环境效益差、使用年限有限等。植物 防护的优点是随着植物的生长、植物的繁殖，对减轻坡面不稳定性和侵蚀方面的 作用会越来越大，它不但可解决边坡工程建设与生态环境破坏的矛盾，还有助于 贯彻落实国家环保方针政策的实施。但岩石边坡一般较陡较高，植物生长的养料 和水分等基本条件差，在自然情况下植物很难生存。喷射植被混凝土护坡术可以 将浆砌片石和锚喷两者有机结合起来，把植物赖以生存所必需的土壤稳固在岩石 边坡上，像“花盘 一样保证了植物生长所必需的基本条件。这种护坡技术结构 稳定、防雨水和地表水的侵蚀、抗冲刷能力强、美化环境、保持水土，兼顾了工 程防护和生态防护的优点。该技术是一种新生的植被护坡技术，目前还处于发展 阶段。 与普通公路边坡防护措施比较，植被混凝土防护技术不仅具有圬工防护结构 安全、显效快的特点，而且具有一般生态防护美化环境、净化空气、吸滞灰尘、 保持水土和调节气候等优点，具有非常明显的环境效益。据有关研究，每一万平 方米草地一年可释放0 2 2 3 9 吨，吸收c 0 2 3 2 8 吨，比裸地多除尘3 5 万吨，多吸收 s 0 2 2 2 公斤【l 】。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，环保意识得到极大的 提升，采用生态防护改善公路边坡生态环境越来越受到重视。公路、铁路等工程 建设必将形成大量的边坡，若按照每公里路程有4 0 0 0 平方米的边坡需要防护计算。 则预计在今后的1 0 年内，我国将有3 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 万平方米的边坡需要防护。尤 其是占国土面积6 0 0 旷7 0 左右的西部地区，边坡的绿化更是到了库绿化的重点和 2 第一章绪论 难点。因此，采用植被混凝土护坡技术肯定有广阔的应用前景。 植被混凝土把岩土工程、植物园林、环境生态、土壤肥料、高分子化学等多 学科技术综合于一体，将特定的粘结材料和土壤、腐殖质、保水剂、长效肥及混 合种子等多种材料复合在一起，从而对坡面进行绿化并保障岩石边坡浅表层的稳 定性，可以一劳永逸地解决岩石边坡防护与绿化问题。喷射植被混凝土具有施工 简单快捷、性能稳定、成本低、防护效果好、生态效益好、景观效果好、容易管 理等特点，因此，该技术具有很大的市场需求，本研究课题具有广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 植被护坡的实践历史久远，最初植被护坡主要用于河堤的护岸及荒山的治理。 但植被护坡形成一门学科，还是近十年的事情，1 9 9 4 年9 月，专门以植被护坡为 主题的首次国际会议在牛津举行。国外一般把植被护坡定义为【2 】：“用活的植物， 单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合，以减轻破面的不稳 定性和侵蚀”。 国内，在植被护坡技术的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般多采用撒草 种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等方法。经过十多年 的研究和发展，我国边坡防护技术得到了较大的发展，已开发出了多种既能起到 边坡防护作用，又能改善工程环境和体现自然环境美的边坡植物防护技术，与传 统的坡面工程防护措施共同形成了边坡工程植物防护体系。1 9 8 9 年，广东省水利 水电科学研究所从香港引进1 台喷播机，开始在华南地区进行液压喷播试验。 1 9 9 0 1 9 9 1 年，中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进行了 坡面喷涂绿化技术试验研究。此后，经过十年左右的发展完善，液压喷播技术已 广泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护，并取得了较 好的效果。1 9 9 8 年重庆交通科研设计院提出了复合营养土喷播植被技术，该技术 类似于厚层喷播技术，可用于风化破碎岩石和干旱地区边坡的绿化问题。章梦涛 ( 2 0 0 0 ) 、张俊云( 2 0 0 1 ) 、李绍才( 2 0 0 1 ) 、舒翔( 2 0 0 1 ) 、周颖( 2 0 0 1 ) 等在借 鉴日本有机基材喷播技术的基础上，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、渝怀等铁路及都江堰高速公路进行现 场试验，取得了一些研究成果，并在铁路公路上得到应用。许文年等( 2 0 0 2 ) 开 发的植被混凝土边坡绿化技术，与喷混植生技术较为相似，该技术是用喷射机将 水泥、土、腐殖质、长效肥、保水剂、混凝土添加剂和种子的混合物喷射到岩质 边坡上，已在三峡工程、清江电站上得到应用。2 0 0 3 年，作为西部交通科技项目 成果，重庆交通科研设计院研制了植被型多孔混凝土，先预制多孔混凝土构件， 第一章绪论 3 涂敷植生基材，然后铺设于坡面对边坡进行防护和绿化。 经过多年探索和工程实践，我国公路行业在边坡防护逐步形成共识：放缓路 基，保证边坡稳定，在此基础上进行植物防护，尽可能少用或不用圬工防护。在 植物种类的选择和配合上，根据国内外经验，以乔、灌、草结合的方式最佳。天 然植被一般都是草木混生的，在较高的贫瘠土质或石质边坡上，采用草灌结合的 客土喷播或喷混植生技术施工，可以将草种和灌木树种进行混播，早期以草坪防 护为主，后期以灌木防护为主，构建乔灌草立体防护生态体系，达到恢复自然植 被的目的。国内外经过大量的工程实践已认识到，植物种子的选择及配置应走本 地化的道路，以地带性植被、乡土植物为基调，适当引进适于本地生长条件的野 生植物和外地植物。同时也应考虑浅根植物和深根植物的结合、豆科植物与非豆 科植物的结合，还要尽可能配置抗逆性强的植物和水、肥、光、热利用率高的植 物，这样才能使植物更能适应当地气候与自然植被融为一体，建设一个具有生物 多样性的稳定的、生命力强的立体生态群落。 在边坡绿化养护工程中，在某些特殊条件下，一些新型的灌溉养护技术如滴 灌、渗灌、插管根灌、膜孔灌等是具有节约水资源、提高成活率、促进草灌木植 物生长的。在这些新技术的应用过程中，正在进一步研究如何使其成本更低、操 作更为简单、效果更好。 国外，世界许多经济发达国家( 如日本、美国、德国、法国、加拿大、澳大 利亚、瑞士、瑞典等) 都非常重视公路生态环境保护与恢复，已有很多成熟的边 坡防护绿化技术，边坡植被率相当高，到处绿色成茵。许多国内公路建设者参观 欧美的公路边坡生态防护后，受到很大触动和启发，对我国公路边坡防护起到了 积极的推动作用。对于岩质边坡，2 0 世纪5 0 年代出现了液压喷播技术并得到广泛 应用。1 9 5 8 年日本大阪香里团开发了喷射种子法，后改用沥青乳剂覆盖养生。1 9 7 3 年日本开发处纤维土绿化法标志着岩体绿化工程的开始，这也是日本最早开发的 厚层基材喷射工法，并获得专利。该方法采用了砂质土和水泥，呈台阶型喷射。 该方法有加大缺陷，主要是初期p h 值过高、易腐蚀，喷层保水、保肥性能不佳1 3 。 1 9 8 3 年开发出高次团粒s f 绿化工法，添加了团粒剂，胶结材料为特殊的沥青材料， 基材的p h 值呈中性，利于植物生长。1 9 8 7 年，日本引进连续纤维加筋土工法， 开发出纤维绿化工法( t g 绿化工法) 。该方法使用了连续纤维和砂质土，喷层具 有更高的抗侵蚀性，施工机械化程度高。t g 绿化法1 9 8 8 年开始实用化，已经推 广应用多个国裂4 l 1 6 j 。 目前，国内外常用的岩质边坡植被防护方法概括起来主要有以下各大类： ( 1 ) 土工网植草 土工网植草是近十多年开始使用的一项集坡面加固和植物防护于一体的复合 4 第一章绪论 型边坡植物防护措施。该技术所用土工网为三维立体网，不仅具有加固边坡的功 能，在播种初期还起到防止冲刷和保护草籽发芽生长的作用，随着植物生长，坡 面逐渐被植物覆盖，这样植物与土工网就共同对边坡起到了长期防护和绿化作用。 目前，国内土工网植草护坡在公路、堤坝边坡防护工程中使用较多。 ( 2 ) 挖沟( 钻孔) 工程 按一定平面布置在边坡上挖沟或钻孔，然后沟或孔体内填土进行绿化。适合 于硬度较大的土质边坡或岩质边坡。优点是抗冲刷能力较强，缺点是施工难度较 大。 ( 3 ) 框架植被绿化 钢筋混凝土框架护坡是指在边坡上现浇钢筋砼框架或将预制件铺设于坡面， 在框架内回填客土并采取措施使客土固定于框架内，然后在内植草。通常采用的 固土方法有框架内填空心六棱砖，即在框架内铺满并浆砌预制好的空心六棱砖， 然后在空心六棱砖内填土植草。该方法使回填客土有很强的稳定性，能抵抗雨水 的冲刷，可适用坡率1 ：0 3 的岩质边坡。空心砖也可以单独使用，主要用于低矮 路堤边坡的植被防护。另外，还可以在框架内设土工格室植草护坡。土工格室由 高密度聚乙烯材料压延后焊接而成。框架内固定土工格室，并在格室内填土，挂 三维网喷播植草绿化，从而可以在较陡的边坡上培土2 0 5 0 c m t 7 】。 ( 4 ) 藤蔓植被护坡 是指栽植攀缘性或垂吊性植物，以遮蔽硬质岩陡坡和挡墙、锚锭板墙等圬工 砌体。藤蔓植物护坡各地均可以应用，对边坡也没有限制，该方法特别适用于已 修建的圬工砌体，如挡土墙、抗滑桩挡土板、护面墙等。 ( 5 ) 客土喷播 客土喷播植生是在边坡坡面上挂网机械喷填一定厚度适宜植物生长的土壤或 基质( 客土) 和种子的边坡植物防护和绿化措施。该技术的特点是可根据地质和 气候条件进行基质和种子配方，从而具有广泛的适应性，多用于普通条件下无法 绿化或绿化效果差的边坡。由于客土可以由机械拌和，挂网实施容易，因此施工 的机械化程度高，速度快，无论从效率和成本上都比浆砌片石和挂网喷砼防护要 优越，而且植被防护效果良好，基本不需要养护即可维持植物的正常生长。该技 术在公路边坡防护中已被大量应用，在日本等国家已经被作为边坡绿化的常规方 法加以应用。 ( 6 ) o h 液植草护坡 通过专用机械，将新型化工产品h y c e l o h 液用水按一定比例稀释后和草籽 一起喷洒于坡面，使之在极短时间内硬化，而将边坡表土固结成弹性固体薄膜， 达到植草初期边坡防护目的，3 - 6 个月后其弹性固体薄膜开始逐渐分解，此时草种 第一章绪论 5 已生长稳定，已能独立起到边坡防护和绿化双重效果。o h 液植草具有施工简单、 迅速，不需后期养护，边坡防护和绿化效果好等特点。该项技术是国外近年来开 发的一项边坡化学植草防护措施，尚未见成熟的国内产品，还处于小规模尝试阶 段。 ( 7 ) 植被型多孔混凝土护坡 该技术始于2 0 世纪9 0 年代中期，是在多孔混凝土的孔隙中填入种籽、保水 剂、有机质和肥料等的混合物，然后浇水促使植物发芽。该技术的特点是结构稳 定，造型美观、规整，同时具有很好的环境效益。 ( 8 ) 喷射护坡绿化技术 最早介绍客土喷播技术的是去日本考察的李旭光等【8 l 。喷射护坡技术的发展主 要集中在喷射机械设备的发明、喷射材料配方的研发和施工工艺的革新上。近几 年来，我国一些科研等单位，如：三峡大学许文年教授等采用喷射植被混凝土技 术；西南交大周德培教授、张俊云博士也开发了厚层基材植被护坡技术。这些技 术已大规模应用于工程实践。但从总体上讲，国内在这个领域还是很薄弱。 1 3 研究内容 虽然强调在边坡防护中优先选择植物防护或植物一工程综合防护形式，但是， 岩石边坡存在缺少肥料、夏天水分极易蒸发、植被立地条件差、温差大等恶劣条 件，如何在岩体表面提供植被生长的基本条件；如何把植物防护与工程防护有机 的结合。 本文以喷射植被混凝土防护岩质边坡为研究对象，以喷射植被混凝土所需的 植生机材研究重点，应用混凝土材料学、岩土工程学、植物学等观点和方法，采 用理论分析、室内试验等手段，探索适合于喷射植被混凝土护坡技术的胶结材料 以及植生机材的配合比。其中，分析得出该技术的关键问题是人工附着层的胶结 材料，从胶结材料的碱度和强度入手，分析了三大系列水泥的性能以及讨论进一 步降低水泥液相碱度的方法；另外，探讨一种新型胶结材料凝石的性能。选择合 适的胶凝材料，进行植生基材的配合比设计，通过室内试验验证植生基材的碱度 中和性能已经抗雨水冲刷性能，根据现场实体工程试验进一步说明喷射植被混凝 土护坡技术的优越性。 本文研究思路与技术路线可以下面的框格表达，见图1 1 ： 6 第一章绪论 喷射植被混凝土的技术特点 l i 对胶结材料的要求l iii l 胶结材料的比较l 陡择胶结材判胶结材料试验分析i i 植生基材配合比设计l i t 陋牛基材碱度中和性能l1 桔牛慕材抗冲刷性能l i 室内试验分析 l 喷射植被混凝土设计方法 i 实体工程应用 图1 1 论文结构图 f i g 1 1s t r u c t u r eo f t h ep a p e r 根据以上思路，本文重点对以下内容进行了研究： ( 1 ) 低碱度胶凝材料的探讨； ( 2 ) 胶凝材料的选用； ( 3 ) 植生基材配合比设计； ( 4 ) 实体工程试验与应用； ( 5 ) 喷射植被混凝土设计、施工及养护管理。 在学习前人研究的基础上，掌握喷射植被混凝土护坡技术基本原理及方法， 分析该技术的优点及其良好的应用前景。针对本文所要研究的内容，采用理论分 析及室内试验的方法，结合重庆交通科研设计院已有科研成果，提出适合于植被 混凝土护坡技术的胶凝材料及植生基材的配合比。 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 7 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 喷射植被混凝土就是将胶结材料、植生基材、添加剂与植物种子均匀混合后， 喷射到边坡坡面，形成一层有定强度、不龟裂、抗冲刷、稳定附着在坡面上的 防护与绿化基层。该技术兼有圬工防护和植物防护的作用，一举两得，特别适合 于岩质边坡的防护与绿化。 由于岩质边坡不具备植物赖以生存的土壤( 养分和水分) 等必要条件，需要 人工附着层以满足植物生长的需要，而且，岩质边坡一般较高较陡( 坡率 l ：0 7 5 ) ， 植物立地条件差。这就对植被混凝土提出三个方面的要求： ( 1 ) 人工附着层自身要稳定； ( 2 ) 人工附着层与坡面结合要稳定； ( 3 ) 人工附着层能使植物正常生长。 以上三个要求可以归结为一个关键问题人工附着层的胶结材料。现有的 技术中主要有两种方法：一是选用有机胶结材料，有机材料的优点是不含对植物 生长影响较大的强酸、强碱等有害物质，缺点是成本高，胶结能力弱，人工附着 层抗冲刷能力差；二是选用水泥为胶结材料，水泥的优点是胶结能力强，原材料 来源广泛，缺点是含有害碱，且碱性很大，对植物生长影响很大。普通硅酸盐水 泥水化后，p h 值约1 2 1 4 ，植物难以生长，这是长期以来植被混凝土未能在我国 推广应用的根本原因。 2 1 喷射植被混凝土用胶结材料要求 实际工程中，常用的是的硅酸盐水泥作为胶凝材料。我们知道，硅酸盐水泥 在低碱度条件下，其胶凝性能较差，且其形成的人工附着层具有以下缺陷。 ( 1 ) 强度：众所周知，增加混凝土的空隙率，混凝土的强度就会下降，一般 在引气混凝土中，每增加1 的含气量，强度就会损失5 左右。生态混凝土的空 隙率多达3 0 以上，强度的大量损失使其很难在各种结构混凝土中发挥作用，要 是为了降低人工附着层的碱度而过分减少胶凝材料的用量，连护坡所需的强度都 很难达到。 ( 2 ) 硅酸盐多孔混凝土氢氧化钙的溶出：在水泥各种水化产物中，氢氧化钙 的溶解度是最大的( 2 5 时约为1 2 9 c a o l ) ，混凝土的多孔性增加了硬化浆体表 面积，更加加剧了氢氧化钙溶解的可能性，所以，生物基层在雨水等淡水的不断 浸析下，氢氧化钙会不断溶出，水泥的水化产物最终会变成毫无胶结能力的物质 ( 例如硅酸凝胶、氢氧化铝等) ，从而降低了混凝土的强度，其耐久性也大打折扣。 8 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 ( 3 ) 强碱：硅酸盐水泥硬化浆体液相平衡时的p h 达1 3 5 t 9 】左右，这对于植 物生长的生物基层来说，能否改善硬化浆体液相的碱度，直接决定植物能否在此 环境中生存。在实际使用中，降低水泥混凝土材料碱性的方法有以下几种【lo 】： 在混凝土成型后不直接投入使用，而是将它在空气中停置，碳化一段时间 后，再投入使用，p h 值会降低； 如果在混凝土上栽种植物，可以向混凝土中灌入磷酸氢铵进行中和，残留 的磷酸氢铵可以做肥料； 将混凝土材料放在水中，或往其表面喷射硫酸铁雾，可以加速碱的溶出； 在进行混凝土配合比设计时掺磨细的高炉矿渣或者硅粉。 但是，由于硅酸盐水泥硬化浆体中含有较多的c s h 凝胶，而且水泥浆体的强 度也与c s h 密切相关。c s h 在液相碱度p h 1 2 5 快硬硫铝酸盐水泥1 1 5 1 2 o i 型低碱度硫铝酸盐水泥 1 0 5 z b q l l 0 0 3 - 8 6 低碱度硫铝酸盐水泥 ：1 2 9 1 ： 3 c a o 2 s 1 0 2 ( a q ) ：1 2 9 1 ； c a o s i 0 2 ( a q ) - 0 0 3 1 - - 0 5 2 9 1 。 据研究，2 5 c 溶液中不同含量氧化钙相对应的p h 值见表2 1 0 【1 7 1 。 表2 1 0 不同氧化钙含量溶液的p h 值 t a b 2 1 0c a l c i u mo x i d ec o n t e n to f t h ed i f f e r e n ts o l u t i o np hv a l u e s c a o ( g n ) 1 2 0 1 0 00 7 00 4 0 o 2 0o 1 0o 0 5 p h 值 1 2 8 51 2 4 5 1 2 3 01 2 0 5 1 1 7 51 1 4 71 1 1 5 对表2 1 0 中的数值进行回归分析，得出下列方程，其相关系数为0 9 9 9 2 。 y _ 1 2 8 5 x 5 - - 4 0 7 5 x 4 + 4 9 2 7 x 3 - - 2 8 7 6 x 2 + 9 0 6 x + 1 0 7 7 ( 2 5 ) 式中：y p h 值；x 一溶液中c a o 浓度( 酊) 。 由方程式2 5 可知，硅酸盐水泥硬化浆体液相在p h 值小于1 1 时，作为硬化 浆体强度主要来源的水化产物c s h 会分解。要想通过对硅酸盐水泥改性而使其硬 化浆体液相的碱度降到p h 值小于1 1 以下，理论上的分析是不现实的。必须选择 不同矿物组成的水泥，这种水泥能在弱碱性条件下水化，且最终的水化产物在弱 碱性条件下能稳定存在。 2 3 2 2 硫铝酸盐水泥碱度的降低 硫铝酸盐水泥的碱度能否再进一步降低，关键取决于硫铝酸盐水泥的主要水 化产物钙矾石能否在更低碱度环境下稳定存在。沈威等人【2 0 】认为钙矾石形成的碱 度范围为液相p h 在1 0 8 1 2 5 之间，最适宜的p n 是在1 1 2 1 1 9 ；但从许温葭等 人【2 l 】的试验结果看，钙矾石能稳定存在的液相p h 可达到8 4 9 ，表2 1 1 为许温葭 等人的试验结果。 据此，硫铝酸盐系列水泥较其他两种系列的水泥的硬化浆体液相碱度是最低 的，并且还有进步降低的潜力，试采用改性材料来调整其的硬化浆体的强度及 液相碱度的综合性能；同时，一种新型材料凝石也较为适合作为喷射植被混 凝土护坡的胶结材料。本文选用改性硫铝酸盐水泥及凝石作为胶结材料，分别予 以分析讨论。 2 0 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 表2 11 石膏和氧化钙混合物液相分析 t a b 2 1 1t h ea n a l y s i so fl i q u i dp h a s eg y p s u ma n dc a l c i u mo x i d em i x t u r e 混合物组分( ) 液相组分( m 朗) 编号 _ p h 固相 c 4 a 3 s csc a o a 1 2 0 3 csc a o h 7 0 一1 92 3 o o7 6 6 70 3 322 3 6 41 6 9 5 9 a f t ，c s h 2 ，a h h 7 0 1 52 2 7 l7 5 7 01 5 922 5 8 51 68 8 9 a f t ，c s h 2 ，a h h - 7 0 1 0 2 2 3 6 7 4 5 2 3 1 2 3 2 3 6 41 4 8 5 8 a f t ，c s h 2 ，a h h 一7 0 一o 5 2 2 。0 17 3 。3 8 4 。6 l 22 3 9 81 59 4 0 a f t ，c s h 2 ，a h h 6 0 1 93 1 6 86 7 8 80 4 422 7 5 509 4 l a f t ，c s h 2 ，a h h 一6 0 1 53 1 1 36 6 7 02 1 732 3 6 46 28 8 3 a f t ，c s h 2 ，a h h 6 0 1 o3 0 4 66 5 2 84 2 53 l2 4 9 98 38 4 9 a f t ，c s h 2 ，a h h 6 0 一o 52 9 8 36 3 9 26 2 4 3 l 2 6 6 9o8 6 6 a f t ，c s h 2 ，a h 2 4 胶结材料性能试验 2 4 1 试验原料 针对喷射植被混凝土护坡技术对胶结材料要求的特殊性，综合胶凝材料的砂 浆强度及液相碱度，初步选定合适的胶结材料；随后，根据选定的胶结材料进行 植生基材配比试验研究。 本文所用试验原材料有硫铝酸盐水泥熟料、凝石、高炉矿渣、石膏、碳酸钙、 粉煤灰、沙、腐殖土、保水剂、氮磷钾肥等。其中，本项目选用了重庆环亚建材 有限公司生产的$ 9 5 级别的粒化高炉矿渣；重庆珞璜发电厂生产的“珞电牌 i 级 粉煤灰，其各质量指标均满足国家标准用于水泥和混凝土中的粉煤灰；石膏采 用重庆石膏矿生产的硬石膏粉，其主要成分硫酸钙含量8 6 ，过8 0 9 m 筛的筛余量 为1 。 2 4 2 改性硫铝酸盐水泥作为胶结材料的试验分析 2 。4 2 1 改性硫铝酸盐水泥的制备 由上文得出，硫铝酸盐水泥的水化介质碱度较低，其p h 值约1 0 5 1 1 ，特别 是外惨一定数量混合材，如矿渣、石膏等，可进一步降低碱度【2 2 1 。 ( 1 ) 高炉矿渣、粉煤灰：高炉矿渣、粉煤灰等改性材料的掺入能吸收硅酸二 钙( c 2 s ) 水化时产生的碱性物质，从而抑制其液相碱度的过度升高；同时，由于 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 2 l 高炉矿渣、粉煤灰等掺合料的大量掺入，熟料的相对含量减少，对水泥硬化浆体 液相o h 一浓度能起到“稀释的作用；且还能改善其硬化浆体的强度等性能。 ( 2 ) 石膏：石膏的大量掺入，对硫铝酸盐水泥碱度的降低，是非常有效的。 当石膏掺量为6 0 时，其硬化浆体液相的p h 值最大时仅为1 0 8 ，进一步增加石膏 的含量，应该能使其碱度再降低一些。 ( 3 ) 碳酸钙：碳酸钙的加入能降低水泥硬化浆体液相的p h 值，且在碱度相 当的情况下能减少强度的损失。 试验选择改性硫铝酸盐水泥基准配比 9 1 做参照，见下表2 1 2 ： 表2 1 2 改性硫铝酸盐水泥的配比方案( ) t a b 2 12t h ep r o g r a mo f m o d i f i e ds u l p h o a l u m i n a t ec e m e mr a t i o ( ) 编号熟料石膏碳酸钙 矿渣 粉煤灰 基准配比 4 0 0 06 0 0 00oo 改性材料13 56 5 o o o 改性材料22 7 7 82 7 7 8o2 2 2 22 2 2 2 改性材料35 0 0 02 0 o o3 0 0 00o 2 4 2 2 试验方法及结果 试验中，强度采用水泥砂浆的标准立方体抗压强度指标，其测试方法执行水 工混凝土试验规程有关内容；水泥石孔隙液的碱度测试采用原位置溶出法【2 3 】， 孔隙液p h 值采用p h s 2 c 型数字酸度仪直接测定。 据许温葭等【2 1 】的研究，在c a o a 1 2 0 3 c a s 0 4 h e o 系统中，石膏掺量为 6 0 7 0 时，液相c a o 的平衡浓度接近三相不变点c a o 的最低浓度，其液相p h 值在9 0 左右，试验根据基准配比，在硫铝酸盐水泥熟料中掺加石膏、碳酸钙、高 炉矿渣、粉煤灰等改性材料，具体配比方案见表2 1 2 。 在砂浆的拌和过程中，通过不断地调整水灰比，最终确定砂浆的配合比为水： 胶凝材料：砂= o 5 5 ：l ：2 5 ，为使试验结果具有可比性，试验中均采用相同的配 合比。碱度测试试样和抗压强度测试试样均用立方体试模( 长宽高= 1 0 c m x l o c m x l o c m ) 成型。为消除外来水对砂浆硬化浆体液相碱度的影响，使试验 结果更具真实性，硬化浆体液相碱度测试的试样用塑料薄膜把试样封起来，使试 样在相同的水量水化条件下比较其o h 一的浓度。砂浆的拌和由于量少而采用人工 拌制，拌和好的砂浆立即装入立方体试模，把碱度测试试样密封后放入标准养护 室中( 温度：2 0 3 ；湿度9 5 ，以下标准养护室的条件均相同) 养护；同时， 将抗压强度测试试样装入立方体试模，置于震动台上震动2 0 s 、抹平，6 小时( 终 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 凝) 后拆模，并放入标准养护室中养护。 养护至规定龄期，分别测定各龄期试件的抗压强度；同时，采用原位置溶出 法测试试样的碱度，具体的方法就是在水泥硬化浆体表面上钻一个直径为5 毫米， 深2 5 毫米的圆孔，再在孔中注满不到1 毫升的中性水，用微型酸度计测得平衡时 水的p h 值即为水泥硬化浆体孔隙液的p h 值。试样硬化浆体强度及其液相的p h 值分别见表2 1 3 和表2 1 4 。 表2 1 3 改性硫铝酸盐水泥强度测试试验结果( m p a ) t a b 2 13t h er e s u l t so f m o d i f i e ds u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ts t r e n g t ht e s t s ( m p a ) 龄期( d ) 编号 l372 89 0 改性材料1 8 2 1 0 71 3 8 1 6 52 1 改性材料29 21 01 22 3 9 2 9 4 改性材料3 1 1 81 2 41 0 91 6 51 9 2 表2 14 改性硫铝酸盐水泥液相p h 值测试结果 t a b 2 1 4t h er e s u l t so f m o d i f i e ds u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tl i q u i dp hv a l u et e s t 龄期 编号 5 hl d 3 d7 d2 8 d9 0 d 改性材料1 l o 2 89 3 59 5 69 5 99 6 89 7 8 改性材料2 1 0 7 51 0 3 79 7 61 1 2 91 0 3 l1 1 2 5 改性材料3 1 1 9 51 1 5 31 1 4 51 1 5 81 1 8 61 2 0 1 2 4 2 3 改性材料对碱度和强度影响分析 ( 1 ) 熟料和石膏相对含量的影响 我们知道，硫铝酸盐水泥硬化浆体液相的碱度，与水泥熟料、石膏的相对含 量密切相关，石膏含量较少时，其水化产物为单硫型水化硫铝酸钙，液相氧化钙 的浓度较高，石膏含量较大时，其水化产物主要是三硫型水化硫铝酸钙，液相氧 化钙浓度接近三相不变点c a o 的最低浓度。当熟料减少、石膏含量增加时，水泥 硬化浆体液相的碱度降低，但是，对硬化浆体前3 天龄期的液相碱度影响不大， 主要影响7 天龄期以后液相碱度l l _ 7 1 。 ( 2 ) 碳酸钙的影响 碳酸钙的含量增加，石膏用量的减少，硫铝酸盐水泥水化生产的氢氧化钙消 第二章喷射植被混凝土胶结材料选择 耗完所有石膏后，剩下的氢氧化钙导致液相碱度升高。所以其各龄期碱度均增加 不少，也大于j c t 6 5 9 1 9 9 7 中对其碱度的规定值，这可能是由于碱度测定的方法 和其硬化浆体的养护不同；且其强度虽然在l 天龄期较高，但后期表现出不稳定 性。另外，其砂浆的和易性较差。 ( 3 ) 矿渣、粉煤灰的影响 水泥在硬化过程中，浆体中的矿渣、粉煤灰、石膏互为激发剂，在碱性物质 存在的情况下，生成c s h 、含硫的络合物等凝胶物质，并且具有一定的强度。但 是，由于有c s h 的生成，其碱度较有所升高，强度增加。本且在试验过程中发现， 矿渣、粉煤灰的掺入，浆体的和易性明显较好。 从强度和低碱度等方面比较，改性材料l 和改性材料2 的比较适合作为喷射 植被混凝土用的胶结材料。 2 4 3 凝石产品胶结性能测试 据凝石的发明人介绍，凝石具有诸多优点，是较为理想的胶结材料。本文以 凝石胶结自然土的抗压强度来说明其胶结性能。胶土后抗压强度测试试样也用立 方体试模( 长宽高= 1 0 c m x l o c m x l o c m ) 成型，标准养护7 天后测试，结果见下 表2 1 5 。 表2 1 5 凝石的胶结性能测试结果 t a b 2 15t h er e s u l t so fc o n g e a l i n gs t o n ec e m e n t a t i o nc a p a c i t y 编号 土 料水 入水前g入水后g 耐抗压强度m p a n o 19 461 22 1 1 22