（材料学专业论文）植生型多孔混凝土材料的制备与性能研究.pdf

东南大掌工程硕士掌位论文中文摘要 摘要 水泥基胶凝材料是人类与自然界进行物质与能量的交换活动中消费量较大的一种材 料，它的生产与使用，以及其本身的性能极大地影响着地球环境、资源、能源的消费量及 其所构筑的人类生活空间的质量。近年来，保护地球环境，寻求与自然的和谐，走可持续 之路成为全世界共同关心的课题。作为人类最大量使用的建设材料，混凝土今后的发展方 向必然是既要满足其功能要求，又要考虑环境的因素，减轻对地球的负荷，有利于资源、 能源的节省和生态平衡。用多孔混凝土来改造生态环境，如治沙漠、治水、治理城市环境 等应该是其中的一个重要方向。 多孔混凝土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。本文从植生型多孔混凝土的制备、基本性能、降低混凝土 碱度的途径及植生情况等几个方面进行了探讨与研究。 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备的关键，经试验证明， 胶结材浆体流动度范围应控制在1 9 0 m m 2 4 0 m m 之间，水灰f 胶) 比一般在0 2 1 一o 3 0 之间。 新拌多孔混凝士的体积密度随着空隙率的不同在1 8 0 0k g m 3 2 0 0 0k m 3 之间，多孔 混凝士的透水系数达到每秒厘米数量级，透水性能远好于一般土壤。试验配制的多孔混凝 士2 8 d 抗压强度可达到1 6 2 m p a ，9 叫抗压强度可达到2 06 m p a 。可以满足护坡：i 二程的应 媚。 植生型多孔混凝十的抗压强度与空隙率、水泥强度、骨料粒径、矿物外掺料以及化学 外加剂等紧密相关。 通过掺加矿物外掺料和碳化的作用，可以火幅度地降低多孔混凝土内部的口h 值，以 适应植物生氏。 植生型多孔混凝士植生体系主要是由多孔混凝土、种植基质、营养液及植物种子构 成。根据环境气候条件、各工程应用要求选择适宜的种植基质、营养液及种子，结合恰当 的养护管理能使植物在多孔混凝土上正常发芽并良好生长。 结合生态护坡示范r 程，从原材料质量控制、砌块的制备工艺、铺装以及植物生跃状 况等儿个方面介纠植生型多孔混凝士的应用情况。 关键词：多孔混凝士胶结材浆体空隙率透水系数抗压强度p h 值植生 东南大掌工程硕士掌位论文英文摘要 a b s t r a c t c e m e n tb a s e dm a t e r i a l sa r et h eb i g g e s tc o n s u m p t i o na n de x c h a n g i n go fm a t t e r sa n de n e r g y b e t w e e nh u m a nb e i n g sa n dn a t u r e i t sp r o d u c i “岛u s a g e ，a n dp e r f o r m a n c ea f f e c te n v i r o n m e n t ， r e s o u r c e s ，t h ec o n s u m p t i o no fe n e 。g ya n dt h eq u a l i t yo ft h el i v i n gs p a c er e c e n t l y ，a uo v e rt h e w o r l dc o n c e n t r a t e so nt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，s e e k i n gt h eh a r m o n yw i t hn a m r ea n dt h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n td i r e c t i o na st h em 。s ti m p o r t a n tc o n s t r u c t i n gm a t e r i a l s ，t h ed e v e l o p i “g t r e n d so fc o n c r e t em u s ts a t i s f yn o to n l yt h er e q u i r e m e n to ft h ep e o p i e ，b u ta l s oc o n s i d e rt h e e n v i r o n m e n tt h a tc a na l l e v i a t et h eb u r d e no ft h ee a r t h ，s a v en a t u r er e c o u r s ea n dk e e pm eb a l a n c eo f t h ee c o l o g y p o r o u sc o n c r c t ci so n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a yt or e b u i l dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ， s u c ha sd e s e r t i n c a t i o “p r e v e n t i o n ，w a t e rr e s o u r c 。p r o t e c t i o na n dt h ec i t yc i r c u m s t a n c em a n a g i n g p o r o u sc o n c r e t ei sap a n i c u l a rs y s t e mw i t hc o n n n u o u sp 0 t o u ss t r u c t u r e t h ec o n t i n u o u s p o r o u ss t r u c t u r ep r o v i d e st h ep o s s i b i l i t yo fe x c e l l e n tp e r m e a b i l i t ya n dv e n t i l a t i o no fa i r t h e r e f o r e g r e e np l a n t sa r ea b i et og r 。wd i r e c t l y o nt h es u r f a c eo ft h ec o n c r e t e n a m e da sg r e e n 。g r o w i ”g p o r o u sc o n c r e t e t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e st 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 s c a s t i n g ，t h et e s ta n dd i s c u s s i o no fb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n dt h et e c h n i q u ed e v e l o p m e n to f g r e e np l a n t sg r o w t hi np o r o u sc o n c r e t e t h er a n g eo fc e m e n t i t i o u sb i n d e rn u i d i t yc o n t r o li st h ek e yp o i n tt od e s i g nt h ef e a s i b l em i x p r o p o r t i o n s i ti sp r o v e dt h a tt 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 y i sf r o m 1 9 0 m mt o2 4 0 m ma n dt h ew a t e rt ob i n d e rr a t i oi sb e t w e e no 2 1a n d0 3 0 b a s e do nt h en u i d i t y c o n t r o la n dw a t e rb i n d e rr 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 sw e l lp r e p a r e dw i t hf o u rs t e p sm i x d e s i g n i “gm e t h o d f r e s hp o m u sc o n c r e t eh a sn on 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 m 。t o 2 0 0 0k m 3t h ep e m l e a b i l i t yo 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 l a c c 。r d i n gt ot h e 打p 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 s m a d ei no u rl a b t h e c o m p r e s s i v es t r e “g t ho fp 。r o u sc 。n c r e t er e a c h e sc o1 6 2 m p aa tt h ea g eo f2 8d a y s ，a n d2 06 m p a a t t h e8 9 eo f9 0d a y s t h 。p r o p e r t yo ft h eg r e e n g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t ed e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c h f u l f i l l st h ej a p a nc r i t e r i ao fg r e e n g r o w i n gp 。r o u sc o n c r e t ef o rs l o p ep r o t e c t i o nw e l l t h ec 。m p t e s s i v e 吼r e n g t ho f 萨e e n 一酽o w i n gp o r o u sc o n c t e t ei sc l o s e l y 他l a t et o 恼p o r o s i t y ， t h es t r e n g t ho fc e m e n t ，s i z eo fc o a r s ea g g r e g a t e ，m i n e r a la d m i x t u r e sa n dc h e m i c a la d m i x t u r e ，e t c - u s e di nt h ep r e p a r a t i 。no ft h ec o n c r e t 8 w i t ht h ea d d i t i o no fm i n e r a la d m i x t u r e sa n dn a t u r a lc a r b o n a t i o n ，t h ep hv a l u eo ft h ep o r o u s c 。n c r e t ed e c r e a s e ds i g n i n c a n t l y ，w h i c hm a k et h ec o n c r e t em o r es u i t a b l ef o r t h eg r o w i n go fp l a n t g r e e n g r o w i “gp o r o u s c 。n c r e t em a i n l yc 。n s i s t so fp o r o u sc o n c r e t e ， g r 。w i n gm a t r i x ， n u t r i t i o ns o l u t i o na n dp l a n ts e e d s t h eg r o w i n gm a t r i x ，n u t r i t i o ns 0 1 u t i o na n ds e e d so fp l a n tc a nb e s e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ec l i m a t ea n dt h er 。q u i r e m e n t so ft h ee n g i n e e r i n g w i t ht h ea p p r o p r i a 【e m a i n t e n a n c ea n dm a n 8 9 e m e n t ，t h 。p l a n tc a “口o wi nm 。p o r o u sc o n c r e t ew e l l 查皇查竺三兰! 主兰竺兰苎 墨圭苎兰 i nt h ea p p l i c a t i o no f 留e e n g r o w i “gp o r o u sc o n c r e t ei ns l o p e p r o t e c t i o ne “g i n e e r i “g ，t h e g r e e n - g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t ew a sp r e p a r e dw i c h t h ec o n s i d e r a t i o no fq u a l i t yc o n t r 0 1o fr a w m a t e r i a l s ，m e t h o d so fb l o c kp r e p a r a t i o n ，i n s t a l l a t i o na n dt h eg r o w i “gc o n d i t i o no fp l a n t k 叫 ，d r d ，： p o r 。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 ，s p a c i n gr a t i o s，p e r m e a b i i i t y c o e f f i c i e n t ，p hv a l u e ，s t r e n g t h ，p l a n t 1 1 东南大掌工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 水泥混凝土作为最大宗人造材料，给人类带来了文明，也给环境造成了污染。据统计，加0 3 年全世界水泥年产量己达到2 5 亿吨，按每立方米混凝土需要2 5 0 k g 水泥计算，混凝土方量大约 为6 8 亿立方米。混凝土是人类与自然界进行物质与能量的交换活动中消费量较大的一种材料， 所以混凝士的生产与使用，以及其本身的性能极大的影响着地球环境、资源、能源的消费量及 其所构筑的人类生活空间的质量。 眭期以来，人类只注意到混凝土为人类所用，给人类带来了方便和财富的一面，却忽略了 混凝土给人类和地球带米负影响的另一面。随着时代的进步，人类对生产效率、生活的方便性 与舒适性的要求越米越高，为了满足人类日益增k 的需求，长期以来从事混凝土理论科学与实 际工程的研究人员，不断探索，从素混凝土到钢筋混凝土、预应力混凝土；从干硬性混凝土到 塑性混凝土、高流态混凝土以及高性能混凝土；从手工搅拌、机械振拌，到泵送、自密实混凝 土等，混凝土的理论与技术不断趋于成熟。然而，这些研究的目的大多是为了满足人类单方面 的需求，而对于如何考虑白然环境的因素，使混凝土的生产和使用有利于环境保护和生态平衡， 尽量减轻给环境造成的负担，从白然、环境、生态平衡的角度出发的研究很少。进入八十年代 后期以来，保护地球环境，寻求与自然的和谐，走可持续之路成为全世界共同关心的课题。作 为人类最大量使用的建设材料，混凝土今后的发展方向必然是既要满足现代人的要求，又要考 虑环境的因素，减轻对地球的负荷，有利于资源、能源的节省和生态平衡。 2 1 世纪混凝土的发展方向应该是生态友好型混凝土( e c o f r i e n d l yc o n c r e t e ) 。由于目前对生 态环境的日益重视，使研究者不得不重新考虑这种材料及其科学的发展，除了水泥清洁生产， 提高性能减少_ 【 j 量外，另一个重要的方面是这种材料能为环境作些什么? 其中，扩大水泥的使 用范围，用水泥基胶凝材料来改造生态环境，如治沙、治水、治理城市环境等。因此，胶凝材 料应该突破传统建筑材料的范围，发展生态环境友好型材料，走可持续发展之路。 1 1 传统水泥混凝土材料对环境的影响 在科学技术与生产力水平空前发达的现代社会，人类面临着诸多的环境问题，其中在世界 范同内受到普遍重视的地球环境问题主要有酸雨、地球温暖化、臭氧层破坏、土地沙漠化、海 洋污染、资源能源枯竭、热带雨林减少、野生生物种类减少等。这些公害是人类在高度发达的 工业化生产以及规模庞火的建设活动过程中，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。这些公害有些直接影响人类的日常生活、： 作和社会环 境，例如噪音、粉尘以及振动等；有些则造成气候恶化，生态失调，破坏人类赖以生存的空气、 水、土地等地球环境，如大气污染、水质污染和土壤污染等等。如果不采取有效措施，必将威 胁地球的生命乃至人类的生存与繁衍。 造成环境问题的原冈很多，但主要是2 0 世纪人类所从事的士木、建筑工程活动。毫无疑问， 混凝土是各种建设l ：程中州量最大的建筑材料，2 0 0 2 年我国的水泥产量已达到72 5 亿吨，居世 界首位。混凝十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。：| = 业厂房、商贸火厦、居民住宅、道路、桥梁、地铁、各种地下管线设施等，无一能够 离开混凝土这种建筑材料。但是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。为了生产混凝土，需要消耗自然界中的石灰石、 粘十砂秆等矿物质资源和煤炭、石油、天然气等能源，在生产过程中要排放出对地球环境有害 的温室效应气体c o ：和粉尘、n 0 。、s o z 等，给地球环境造成负担。使_ l ；i 混凝土材料建造各种民 用建筑、商厦、工厂、办公楼、道路等设施，为人类营造舒适、方便的生活、生产和社会环境， 但是在建设施一】：过程中要消耗能量、同时产生噪音、粉尘、振动等公害，严重影响人类的身体 健康平生活质量。 混凝十材料对环境造成的负荷，主要包括以f 几个方面： 东南大掌工程硕士掌位论文 第一章绪论 ( 1 ) 消耗大量的自然资源和能源 混凝土体积的7 0 8 0 为砂石骨料，混凝土中的胶凝材料一水泥的原材料是天然的石灰石 和粘土，所以生产混凝土的原材料主要是天然的矿物资源。据统计我国每年要开采5 0 亿吨以上 的粘土、石灰石汞】砂石等矿物质材料用于生产水泥汞】混凝土。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。用于混凝土成型的模板还有相当大部分采 用水模板，消耗犬量的森林资源，造成热带雨林的破坏，间接地影响野生动物的生息环境和生 态平衡。 为开采这些原材料以及生产水泥，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 公厅，砂石的开采与破碎、运输也需要耗费大量的能量。混凝土的大量使用，导致 对资源、能耗的巨大消耗。 ( 2 ) 排放山人量的c 0 2 、s 0 2 、n o 。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 ，) ，是火约3 5 亿年前的远古时期，将大气中的c 0 2 作为岩石同定的一种矿物质。在制 造水泥时石灰币i 分解生成石灰( c a 0 ) ，同时排山具有温室效应的c o ：气体。生产一吨水泥熟料， 从理论上计算要排放出人约8 0 0 公斤c 0 2 ，o 7 4 公斤的s 0 2 ，同时水泥的烧成反应所需能量在 我国主要是由煤炭燃烧获得的，由此将产生c 0 2 和s 0 2 、n o 。等有害气体。目前全世界每年c 0 2 的排放量人约为1 0 0 亿吨，其中由于生产水泥而产生的c 0 2 气体约占l 1 0 ，是产生温室效应气 体的火户。 ( 3 ) 混凝十的生产与施：。r 是造成城市公害的主要因素 在混凝士的运输与施一l 过程中，除了需要消耗大量的能量之外还产生振动和噪音，是城市 公害的主要来源。据调查城市噪音的1 3 是来白于建筑施二r = ，其中由于混凝土施工所产生的噪音 l i l 主要部分。同时每生产一吨水泥要产生1 3 0 公斤的粉尘，混凝土的搅拌与施j 也要产生粉尘， 这是造成空气污染的原冈之一。 ( 4 ) 混凝十的非透气、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。目前城市表 面8 0 以上的面积被建筑帚蛹昆凝土路面覆盖，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，使城区的温度比郊区和乡村高2 3 ，产生所谓的“热岛现象”。 雨水长期不能渗入地f ，造成城市地f 水位f 降，影响地表植物的生长，城市绿色面积减少， 生态系统火调。 ( 5 ) 混凝土材料的视觉和触觉效果差 混凝十为现代社会火宗建设材料，但是混凝土质地脆硬，表面粗糙且呈强碱性，触觉效果 著。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，所以绝人多数混凝士结构的表面都要使用装修与装饰材料。 1 2 生态友好型混凝土材料的研究意义 综上所述，混凝十材料是支持现代人的生活、尤其是城市功能正常运行不可缺少的物质基 础。但传统混凝十材料对人居环境又带米诸多负面的影响，在全世界瞩目地球环境问题，确立 了走持续发展之路这一方针的背景f ，开发绿色混凝十材料，充分发挥混凝土材料的正面作用， 减少对环境的负面效应，为现代人营造更加舒适的生存环境，同时为后代留f 更加美好的地球 家尉是时代赋予我们的使命。 所谓绿色混凝士应具备以r 特点： ( 1 ) 具有比传统混凝十材料更优秀的强度和耐久性，即满足结构物的力学要求、使用功能 以及使_ l j 年限的要求。 ( 2 ) 具有与白然环境的协调性，减轻对地球环境系统的负荷，实现非再生性资源的可循环 使用，节省能源，以及有害物质的“零排放”。 2 东南大掌工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 能够为人类提供温和、舒适、便捷的生存环境。 生态友好型混凝十( 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 ) ，是一种能够适应生物生长，对调节生 态平衡，美化环境景观，实现人类与白然的协调具有积极作用的绿色混凝土材料。有关这类混 凝十的研究和开发还刚刚起步，它标志着人类在从事土木： 程活动中，在生产和使用混凝土过 程中，要保护地球环境、维护生态平衡的意识更加强烈了，对自己在建筑材料方面的开发研究 ：i 作提出了更高的要求。开发研究减轻环境负荷型混凝土的出发点，是人类承认最大宗建筑材 料一混凝土的生产和使用给环境带来负担是不可避免的，与此同时，面对大量产生的工业垃圾 和混凝土给地球环境带来的负面影响，以尽量减轻这种危害的程度为目标所进行的种种努力和 尝试，在对待混凝土材料与环境的关系上应该说是一种被动的行为。而生态型混凝土的提出， 在处理混凝土材料与环境的关系中体现出更加积极的、主动的态度。它的目标是混凝土不仅仅 作为建筑材料，为人类构筑所需的建筑物，而且它是自然融合的，对自然环境和生态平衡具有 积极的保护作_ 【： j 。 开发生态友好型混凝士的主要途径有：( 1 ) 降低混凝土生产过程中的环境负担，主要通过 i 古1 体废弃物的再生利_ l = | 米实现，例如，采_ l | i 城市垃圾焚烧灰、f 水道污泥和工业废弃物作原料 生产的水泥来制备混凝十。这种混凝土有利于解决废弃物处理、t i 灰石资源和有效利用能源等 问题。也可以通过将火山灰、高炉矿渣等工业副产物进行混合等途径生产混凝土，这种混合材 料生产的混凝土有利于1 7 省资源、处理刚体废弃物和减少c o ：排放量。另外，还可以将用过的 废弃混凝土粉碎作为骨料再生使_ l j ，这种再生混凝土可有效地解决建筑废弃物、骨料资源、石 灰_ i 资源、c o ，排出等资源和环境问题。( 2 ) 降低使用过程中的环境负荷，主要通过使用新技 术和新方法来降低混凝士的环境负担，例如，在混凝土的施：【过程中，采用免振捣、自密实混 凝十，降低施i 噪音。( 3 ) 通过提高性能来改善混凝士的环境影响。这种技术途径是通过改善 混凝士的性能米降低其环境负担。此外，开发研究高耐久性混凝士，延长公路、桥梁、大坝等 结构物的使用寿命，也是减少混凝土的生产量，实现减轻环境负荷的重要途径。 1 3 多孔混凝土 通过提高性能米改善混凝士的环境影响，目前研究较多的是多孔混凝十( p o r o u sc o n c r e t e 又 称为p o c ) ，这种混凝十内部有火量连续的孔隙。孔隙特性不同，混凝土的特性就有很大差别。 通过控制不同的孔隙特性和不同的孔隙量，可赋予混凝士不同的性能，如控制适当的空隙率配 制用丁轻交通、道路、j 。场、人行道铺筑的透水、排水性混凝土，可以解决城市排水不畅、地 f 水位r 降和地表透水、透气性能带米的生态平衡失调；p 0 c 放置在河流、湖泊和海滨等水域 后，在其凹凸不平的表面和连续孔隙内有陆地的和水中的植物和小动物附着栖息，因彼此的相 互作用利共生作川而形成食物链。从而创造了多样性生物的生存基础；通过附着在p o c 内、外 表面上的各种微生物间接的净化河流和湖泊的水质，其本身所具有的连通孔隙的吸附作用可直 接h 丁水质净化：p 0 c 如形成独立孔隙的加气混凝土板具有良好的隔热性，而且比强度大于普 通混凝士：以不具吸收性的超轻质骨料和泡沫苯乙烯为骨料的混凝土可在水中漂浮，可用作浮 桥、浮码头等；骨料粒径为l m m 的多孔混凝士，在骨料和胶结材料中使_ 日 了特定的气体吸收物 质如离子交换容量人的无机材料后，可以吸附硫化物、氮化物等有害气体而实现无公害化。 多孔混凝十的另一个重要的应用就是植生型多孔混凝土，众所周知，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 h ) 2 ，使得混凝土呈 强碱性，d h 值高达1 2 1 3 。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 不被腐蚀的作川。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、内部具有一定的空隙，能够提供植物根部或水中生物的生k 所必 需的养分存在的空间，适应生物生| 支的混凝土是生态混凝七的一个重要的研究方向。 据资料介智 ，在日本栖息的1 7 4 种哺乳动物中有8 0 种哺乳动物中处于危险之中，为了保护 濒临灭绝的生物种群，日本建设省提山，在河流的整治：l ：作中不再像以前那样用混凝土铺设路 3 二查! 查兰三兰! 竺兰! 竺墨 兰二兰竺兰 面，要向重视生物的多白然性的河流改造方向转变。同时在道路建设方面，要建造与生物共存 平舒适的道路。 在具有连续i l 隙的p 0 c 上直接播种草坪和各种杂草类的种子及移植草苗，或者在p o c 表 面覆盖士层后进行播种或移植，使植物在其上能茁壮成氏。过去利用混凝土栽种植物，主要是 先成型箱式和井格式制品，留出空间，填入土壤、再栽培。采用生态种植混凝士时，情况则不 同，主要是利_ f ! 其内部的连续空隙，作为植物根须的生长空间，可扩大应用于河川护岸、停车 1 4 植生型多孔混凝土材料的研究现状 由于环境保护的需要水士保持、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。人们试幽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( g r e e n g r o w i n gp o r o u sc o n c r e t e ) 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 有一定的强度同时义具有透水性和透气性，是一种植物能直接在其中生长的生态友好型混凝土。 在美国、日本、欧洲等国家得到了较为j 、泛的应州。 植生型多孔混凝士之所以能获得这些优异的性能，主要取决于它的结构，如图1 1 显示了 植生型多孔混凝。十二的断面情况，可以看出，它主要由以下3 大部分构成： c 黑? 。c t 蝣n o fg r e e n g r o w m ge o n c r 宣e c o a 蹴且嚣g f t g a 蚀 c e m e n t k 鍪警嚣城嘲 图1 1 植生型多孔混凝土断面结构 1 多孔混凝十。多孔混凝士由粗骨料、水泥、适量的细骨料混合配制而成。是植被型生态 混凝士的骨架。 填充材料。多孔混凝土的孔隙中填充有保水材料、难溶肥料等。保水材料常用无机人工 吸水性高分子、苔泥炭及其混合物。 3 表层十。铺设丁多孔混凝十表面，形成植物发芽的空间并减少混凝十中水分蒸发，同时 提供制备发芽初期的养分供给。 考虑到根系的扎入和俐定，骨料以1 3 2 0 m m 碎t i 或2 0 4 0 m m 碎石为宜。混凝士可以现 场浇筑也可以在i ：厂做成制品。在施工现场，为使孔隙表面碳化，需在白然条件f 放置一个月 左右。如果想尽早地种植植物，在制品上喷射液化硫酸铁，也能使其碱度降低。然后在p o c 的孔隙中填充蛭_ i 和碳泥等保水性好的士，即做成混凝土种植床。关于肥料，可在覆盖在表面 的薄士层中掺入颗粒状肥料，也可在种植植物后施加液体肥料。种植混凝十用丁_ 河流、道路和 住宅地区的坡面。p o c 完成后，在其表面种植草坪、杂草类、矮灌木等。 4 东南大掌工程硕士掌位论文 第一章绪论 植生型多孔混凝土已在国内外的各类工程中得到了很好的应用，如图1 2 。 图1 2 植生型多孔混凝土在工程上的应用 在交通、水利：程等的建设中，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雨i 重建，如用于河道护岸、沟渠驳岸等的修建和恢复中。植生型 多孔混凝士既能保护堤岸防j l 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 厉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， 从而建成白然生态型的河道护岸、河渠护坡。 近年米，日本在植生型多孔混凝土方面做了大量的研究： 作。今井实提出种植混凝土要求 ( 1 ) 确保连续空隙，使根系在混凝士中生k 繁茂，连续孔隙率在1 8 3 5 ；( 2 ) 必要的水分、 肥料、以确保植物生k ；( 3 ) p h 值维持在不影响植物生k 的水平。 日本混凝十 ：学协会在1 9 9 4 一1 9 9 5 年设立了“生态混凝土研究委员会”，以植生型生态混 凝十为主要课题进行了为期两年的研究 作，取得了人量的研究成果。不仅成功配制出空隙率 在2 2 一2 6 之间、强度人于1 0 m p a 、植生状况良好的植生掣多孔混凝土，而且提出了比较成 熟的生产和施j 艺，并应用于河岸的护堤与护坡 ：程之中。在欧洲，将多孔混凝土用来减少 环境负荷的技术也已经达到了实用化阶段。目前，利= j 多孔混凝_ 十特有的透水功能、可供生物 栖息的功能以及消声、隔音功能，欧洲和日本已用来构筑堤坝、河岸，铺设公路，建造人造海 礁，制作能降低铁路、机械等噪音的吸音板。2 0 0 1 年4 月，日本“先端建设技术中心”制定了 植生型多孔混凝十河川护岸。i ：法，以推进具有生态效应的植生型多孔混凝土的应用进程。 国内对植生型多孔混凝十的研究还处于起步阶段，中国建材研究院曾经进行透水混凝士的 研究，吉林省水利实业公司与三峡大学合作做了一些研究，并配制出利用建筑废砖石作骨料， 抗压强度为5 2 0 m p a 以及利川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 混凝十，上海同济人学进行了利川多孔混凝十进行水质净化的研究 ：作，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十的研究：l ：作，并取得了一定的进展。但国内对这方 东南大掌工程司l 士掌位论文 第一章绪论 面的研究基本上都没有得到广泛的应_ f ；| 。 国务院常务会议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，因地制宜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 多孔混凝士的性能来看，其对阻l 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。 植生型多孔混凝土材料是生态友好型胶凝材料，它是一种绿色混凝土。它以适应环境为特 征，吲沙、固土的胶凝材料，可以种植树木、花草；同岸、同堤的胶凝材料，可以适合海洋生 物生k 、栖息和繁殖。从材料科学的观点出发，生态环境友好型胶凝材料应具有适宜的酸碱度 和孔隙率。像硅酸盐水泥混凝土等传统胶凝材料，碱度很高，孔隙率比较低，显然不适合用于 环境治理和保护。在我国，北方的一些地区存在沙漠侵蚀、水土流失等生态环境问题，需要大 量的同沙、l 司_ 十材料；南方的沿海地区存在海岸线不稳、塌陷等问题，也需要大量的同堤护岸 材料；城市的混凝十_ 化和高热环境，需要得到治理，开发可植被混凝土是最可行的解决措施。 将植生型多孔混凝十用丁| 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 多孔混凝十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+ 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。 对植生型多孔混凝+ 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f l 混凝士的透水、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。 根据我国目前研究和应j _ ；| 状况，有关植生型多j l 混凝士的研究二f 作刚刚起步，与国外相比 有很火的差距。冈此，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) 中镇江北同山一人东沟段生态护坡示范： 程的 应用，植生型多孔混凝士的研究：1 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 f 新的篇章。 1 5 本文的研究目的、思路和主要研究内容 1 5 1 研究目的 基于国内外植生型多孔混凝十研究的结果，同时结合现阶段本地区的实际情况 北俐山一人东沟段8 6 3 示范t 程的需要，本文的研究目的要达到以下儿个方面： h 解决植生弛多孔混凝+ 胶凝材料低碱度获得的途径： a 解决植生玳多7 l 混凝七的配制与成型等相关技术问题： 浊了解植生型多孔混凝士材料的结构与性能，以及结构与性能之间的关系； h 解决种植基的配制与形成以及植生型多i l 混凝十的植生技术等问题。 1 52 主要研究内容利研究思路 本文的主要研究内容为： 研究植生型多孔渑凝士胶结材的组成和性能； 研究植生型多孔混凝_ 十胶结材低碱度获得的途径； 研究植生型多孔混凝十的配合比设计方法及制备技术与成型：l 艺 6 东南大掌工程硕士掌位论文 第一章绪论 研究植生型多孔混凝土物理力学性能； 研究植生型多孔混凝士种植基的配制及植生技术； 研究植生型多孔混凝土砌块的制备及在示范： 程中的应用。 在混凝士中形成连续的孔隙通道是制备植生型多孔混凝土的关键。在某种程度上和无砂大 孔混凝士的制作有相似的地方，因此可以借鉴一些无砂大孔混凝土的制备方法。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。包括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：。1 = 艺成型多孔混凝土，同时严格控制 成型时间，即如何控制适当的7 l 隙率和连通孔隙，同时保证所需的强度； 另一方面，通过各种途径解决植生型多孔混凝土材料的高碱度问题，即如何有效地降低孔 溶液的碱度。提高混凝士制品与植物以及环境的相容性。 此外，为了便于植物的生氏和蚓定，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义有一定的肥效性，以保证植物长期有效地生长。在植生研究的基础上， 制备适宜的多孔混凝士砌块应用于生态护坡示范工程，种植植物进行现场观察，收到了良好的 效果。 东南大掌工程硕士掌位论文 第一章绪论 参考文献 1 吴中伟，陶有生中国水泥与混凝土工业的现状与问题硅酸盐学报，1 9 9 9 ，2 7 ( 6 ) ：7 3 4 7 3 7 2 + 吴中伟绿色高性能混凝- 十与科技创新建筑材料学报，1 9 9 8 ，1 ( 1 ) ：1 7 3 唐明述2 1 世纪水泥混凝土的发展远景中国建材，1 9 9 8 ( 1 1 ) ：3 6 3 8 4 吴中伟环保型高效水泥基材料? 昆凝土，1 9 9 6 ( 4 ) ：3 6 5 玉井元治z ，j7 ，u ho 将米展望j7 ，1 j 一 工学，1 9 9 8 ，3 6 ( 3 ) ：4 9 5 1 6 杨静蒋国梁浅谈混凝土新材料的开发与人居环境的改善混凝土，1 9 9 9 ( 4 ) ：1 0 一1 3 7冷发光水泥混凝土造成的生态环境问题与绿色高性能混凝士上海建材，2 0 0 0 ( 1 ) ：3 5 3 7 8 邓敏、唐明述_ 昆凝士的耐久| 生与建筑业的可持续发展混凝土，1 9 9 9 ( 4 ) ：8 1 2 ，2 3 9 吴中伟绿色高性能混凝土混凝土的发展方向混凝士与水泥制品，1 9 9 8 ( 1 ) ：3 6 1 0 刘新菊，赵宇光，任子明多孔混凝七的研究开发中国建材科技，1 9 9 9 ，8 ( 4 ) ：1 5 1 1 今井实植生j7 岁，j r o _ 面一j ，j h ：学，1 9 9 8 ，3 6 ( 1 ) ：2 4 2 6 1 2 柳桥邦生植生型zjj ，u p j y ，j p ：i ：学，1 9 9 8 ，3 6 ( 3 ) ：2 8 3 1 1 3 铃术达雄人l 海底山脉一彳i 炭灰j7 ，j r7 j 口y ，o 利用一j7 ，1 j r 工学， 1 9 9 8 ，3 6 ( 1 ) ：1 3 一1 5 1 4 鹤谷广一植生j7 岁，j h 工j 求一p j ，夕j p i ：学，1 9 9 8 ，3 6 ( 1 ) ：2 7 2 9 1 5 陈志山用与水污染治理的生态混凝士技术建筑材料学报，2 0 0 1 ，4 ( 1 ) ：6 0 一6 4 1 6 杨静蒋国梁透水性混凝士路面材料强度的研究混凝土，2 0 0 0 ( 1 0 ) ：2 7 3 0 1 7 刘新菊多孔混凝_ 十- 的结构与性能中国建材科技，1 9 9 9 ( 6 ) ：4 3 4 6 1 8 徐惠忠无机非金属材料微孔构造形成方法非金属矿，1 9 9 9 ，2 2 ( 1 ) ：4 7 1 9 重庆建筑r 程学院，南京工学院编著混凝土学。j e 京：中国建筑二l ：业出版社1 9 8 1 2 1 1 2 4 5 2 0 廉惠珍，童良，陈恩义建筑材料物相研究基础b 京：清华大学出版社，1 9 9 6 1 1 1 1 1 3 2 1 刘秉京编著7 昆凝士技术一e 京：人民交通出版社，1 9 9 8 1 8 8 1 9 3 东南大掌工程硕士掌位论文第= 章植生型多孔混凝土的配合比设计和制备 第二章植生型多孔混凝土的配合比设计和制各 植生型多j l 混凝土是由水泥、粗骨料和水按照一定的比例拌和而成，它一般不含细骨料 ( 根据实际情况，可掺加少量细骨料调整混凝土的拌和性能) 。它是粗骨料颗粒与水泥石胶 结而成的多孔堆聚结构。从大孔的形成的方式看它属于物理堆聚法。研究混凝土的结构破坏 特征可以发现，水泥石与粗骨料界面是混凝土中最薄弱的环节，因为骨料的强度远高于混凝 士的强度，结构的破坏常常是发生在骨料界面间的水泥石层中。胶凝材料的活性、品种和数 量是决定混凝士强度的关键因素。水泥的最佳用量以刚好能够完全包裹粗骨料的表面为适 度，以最小水泥心量为原则。 粗骨料是无砂多孔混凝士的结构骨架。粗骨料是一般碎石或卵石，也可以是浮石、粉煤 灰陶粒、粘土陶粒等高孔隙率骨料，甚至也可以用碎砖等。粗骨料粒径的大小根据多孔混凝 土结构的厚度而定