綠色生態(tài)混凝土研究進展

       綠色生態(tài)混凝土作為近幾年發(fā)展起來的新型環(huán)保建筑材料，既具備普通混凝土的性能，又能達到生態(tài)化的需求，是一種能為人類構(gòu)造和諧舒適環(huán)境的生態(tài)混凝土，其產(chǎn)生的生態(tài)效益和社會效益十分顯著，對我國推行低碳、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略起著重要的促進作用。

 

      1995年，日本混凝土工學協(xié)會首先提出了生態(tài)混凝土（Environmentally Friendly Concrete / Eco-concrete）的概念。所謂綠色生態(tài)混凝土，是指以一定強度、一定孔隙率的特制混凝土為骨架，在混凝土孔隙內(nèi)填充植物生長所需的物質(zhì)，能夠適應(yīng)綠色植物生長的混凝土及其制品，在結(jié)構(gòu)上亦屬于多孔混凝土結(jié)構(gòu)。綠色生態(tài)混凝土包括環(huán)境友好型生態(tài)混凝土和生物相容型生態(tài)混凝土，環(huán)境友好型混凝土是指在混凝土的生產(chǎn)和使用過程中，能夠降低混凝土給環(huán)境帶來的負荷；生物相容型混凝土是指能與自然環(huán)境相融合，能促進人與自然和諧共處的一類混凝土。綠色生態(tài)混凝土具有如下特點：①由于自身多孔性，具有良好的排水和透水性能；②由于植被的生長，不僅能美化環(huán)境，還能促進生態(tài)平衡；③由于表面呈凹凸構(gòu)造，具有良好的抗滑和吸聲功能。

 

       雖然早在1956年蘇聯(lián)科學院布德尼柯夫院士便提出了一種新型的建筑材料—多孔混凝土，但只是系統(tǒng)地概述了這一類新型建筑材料的制造方法及性能。生態(tài)混凝土的研究最早還是始于日本，20世紀90年代曾有日本研究者用多孔混凝土作為護岸材料的試驗工程，證明了多孔混凝土適合植物生長，并能用于河川護岸工程，日本秩父小野田（株）和前田制管（株）通過進行混凝土植生性能的研究也證明了此觀點。2001年日本先端建設(shè)技術(shù)中心制定了綠色生態(tài)混凝土河川護岸工法，旨在推進具有生態(tài)效應(yīng)的綠色混凝土的發(fā)展進程。

 

       在國內(nèi)，中國工程院院士吳中偉最早提出綠色混凝土概念，并指出綠色高性能混凝土為今后混凝土的發(fā)展方向，為生態(tài)混凝土在我國的發(fā)展研究奠定了基礎(chǔ)。21世紀，吉林省水利實業(yè)公司提出了用建筑廢磚石作為粗骨料制成的復合隨機多孔型綠化混凝土，其采用高強度混凝土作為周邊保護框兼模具，解決了多孔混凝土邊緣強度低、有效面積小等問題。上海大學提出了以水泥、粗粒徑建筑廢料（碎石）、耐沖刷營養(yǎng)土、減水劑等為原料研制的“沙琪瑪骨架”綠化混凝土，具有良好的耐沖刷和耐踐踏能力，可廣泛應(yīng)用于城市綠地建設(shè)。華南理工大學許燕蓮等通過實驗提出采用絕對體積法能夠有效計算出綠色生態(tài)混凝土的配合比，在一定程度上打破了配合比設(shè)計無據(jù)可依的局面，并提出了一種“預包裹”攪拌技術(shù)，為綠色生態(tài)混凝土的制備提供了參考。中南林業(yè)科技大學尹健等對綠色生態(tài)混凝土膠凝材料漿體的流變性能進行了研究，得出礦物摻合料對水泥基膠凝材料漿體流變性能的影響規(guī)律，為綠色生態(tài)混凝土目標孔隙率的實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

 

綠色生態(tài)混凝土性能研究現(xiàn)狀

1 力學性能研究

 

生態(tài)混凝土的力學指標主要是指強度要求。文獻表明，集料的級配、粒徑和強度對生態(tài)混凝土的強度存在影響，連續(xù)級配配制的生態(tài)混凝土抗壓強度大于單一級配配制的生態(tài)混凝土抗壓強度；隨著集料粒徑的增大，相同設(shè)計孔隙率下生態(tài)混凝土的抗壓強度減??；在同等條件下，集料強度越高，配制的混凝土強度也越高。

 

膠結(jié)材料的種類和強度也顯著影響生態(tài)混凝土的力學性能。高建明等認為膠凝材料摻入礦物外加劑后不僅能調(diào)整混凝土拌合物的工作性能，還能改善其力學性能，其中硅粉、礦渣微粉或粉煤灰與礦渣微粉復摻的效果更佳。文獻表明，膠凝材料用量對孔隙率、強度的影響較水膠比更為顯著，大孔生態(tài)混凝土的抗壓強度隨著膠凝材料用量的增加而增大，孔隙率隨膠凝材料用量的增加而減小，但膠凝材料用量增加對強度的增大效應(yīng)遠大于對孔隙率的減小效應(yīng)。

 

Milani S. Sumanasooriya, Narayanan Neithalath基于目標孔隙率及其相關(guān)性能要求，研究了骨料尺寸對多孔生態(tài)混凝土的影響，結(jié)果表明：隨著骨料尺寸的增加，多孔生態(tài)混凝土的孔隙率和孔徑大小都在增大。同時對多孔混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征之間的相互關(guān)系進行了研究，基于體積法和圖像分析技術(shù)，建立了高膠凝材料量與低膠凝材料量配制的多孔混凝土的體積孔隙率與滲透系數(shù)之間的關(guān)系式；文獻對綠色生態(tài)混凝土力學性能進行研究發(fā)現(xiàn)，在水泥用量和粗骨料用量一定的情況下，骨料粒徑越大，有效孔隙率和透水系數(shù)也越大，但強度卻越小。當摻入礦物摻合料時，綠色生態(tài)混凝土強度隨礦物摻合料摻量的增大而減小，這是因為粉煤灰及礦粉的水化速率低于水泥的水化速率。且減小作用從高到低依次為：粉煤灰＞粉煤灰+礦粉＞礦粉，原因在于礦粉的活性強于粉煤灰，且能增強混凝土后期強度，并在雙摻時產(chǎn)生增強效應(yīng)。

 

上海大學采用Zwick/RoellZ010型雙向拉壓機對生態(tài)混凝土的力學性能進行了研究，試驗結(jié)果表明，混凝土結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下，在交界面或缺陷薄弱界面會產(chǎn)生微裂紋，當載荷逐漸增大，微裂紋開始連接起來并形成宏觀裂紋，并一直處于恒定的發(fā)展狀態(tài)，在達到極限載荷后，裂紋趨向于不穩(wěn)定發(fā)展。同時還指出，生態(tài)混凝土雙向抗壓強度是單向抗壓強度的1.2倍左右。

 

四川大學采用正交試驗對多孔生態(tài)混凝土的抗壓強度和孔隙率及主要影響因素進行了試驗，結(jié)果表明，當孔隙率超過20%時，抗壓強度隨孔隙率的增大而快速減小，同時得出影響多孔生態(tài)混凝土強度和孔隙率的主要因素是灰集比，且灰集比越大，抗壓強度越高，但孔隙率越小。文獻通過試驗研究也得出了類似結(jié)論，認為強度與孔隙率之間存在一定的線性關(guān)系，不同膠結(jié)材料的生態(tài)混凝土的抗壓強度隨著孔隙率的增大而減小。

 

除材料本身的影響外，混凝土攪拌方法及養(yǎng)護條件對多孔生態(tài)混凝土的抗壓強度也存在影響。用裹漿法制備出的生態(tài)混凝土強度高于一般攪拌方法。采用塑料薄膜覆蓋的養(yǎng)護方法相比一般的室外養(yǎng)護方法，其得到的生態(tài)混凝土強度更高。

 

2 耐久性能研究

 

生態(tài)混凝土的結(jié)構(gòu)不同于普通混凝土，其耐久性破壞是內(nèi)外同時發(fā)生的，破壞程度遠大于普通混凝土。吳智仁等對生態(tài)混凝土耐久性進行了研究，認為其影響因素分為外部因素和內(nèi)部因素，并指出要想深入地了解生態(tài)混凝土耐久性損傷及其發(fā)展規(guī)律，除了進行宏觀試驗及耐久性分析外，還要進行多種尺度的耐久性損傷數(shù)值模擬試驗。

 

東南大學通過研究設(shè)計了一種適合生態(tài)混凝土抗凍性能試驗的方法----單面凍融循環(huán)法，對不同種類礦物摻合料、摻量不同的生態(tài)混凝土的抗凍性能進行研究得出，礦渣微粉有利于生態(tài)混凝土抗凍性能的提高，而粉煤灰則不能。這是因為礦粉的摻入大大增加了C-S-H凝膠體與凝膠孔的數(shù)目，減少了結(jié)冰孔的數(shù)量，從而提高了漿體的抗凍性。而粉煤灰因為與礦粉的活性不同，發(fā)生水化反應(yīng)的時間和速度以及生成的凝膠數(shù)量和結(jié)構(gòu)不同，從而導致生態(tài)混凝土抗凍性能的差異。Yang和Jiang經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)的速度也影響著生態(tài)混凝土的抗凍性能，相同時間內(nèi)經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)多的試件裂化速度更快。

 

青島理工大學對大孔生態(tài)混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能進行了研究，總結(jié)出膠凝材料用量、水膠比及孔隙率均會影響大孔生態(tài)混凝土的耐硫酸鹽侵蝕性能。研究結(jié)果表明，隨著膠凝材料用量的增加，其抗硫酸鹽侵蝕能力增強，經(jīng)過60次干濕循環(huán)后，仍能保持良好的抗硫酸鹽侵蝕性能。當孔隙率相同時，大孔生態(tài)混凝土耐硫酸鹽侵蝕能力隨水膠比的減小而增大，水膠比越小，包裹在粗骨料表面的硬化水泥石包裹層越密實，硫酸鹽溶液越不容易向過渡界面區(qū)滲透，從而有效地提高了大孔生態(tài)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；當膠凝材料用量相同時，抗硫酸鹽侵蝕能力隨著孔隙率增大而減小，主要原因在于，孔隙率越大其內(nèi)部膠結(jié)點的數(shù)量及接觸面積就越小，在冷熱干濕不斷交替的硫酸鹽腐蝕環(huán)境中，其內(nèi)部損傷就越大。文獻對硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕作用下生態(tài)混凝土的耐久性也進行了研究，提出生態(tài)混凝土相對動彈性模量的變化規(guī)律能反映其受硫酸鹽侵蝕的破壞程度。試驗結(jié)果表明，在孔隙率一定的情況下，生態(tài)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能隨骨料粒徑的減小而增大；當水膠比介于0.25～0.29時，抗硫酸鹽侵蝕性能隨凈漿水膠比的增大而增大；當?shù)V粉摻量介于20%～40%時，抗硫酸鹽侵蝕性能隨礦粉摻量的增大而減小。

 

3 植生性能研究

 

綠色生態(tài)混凝土最大的特點是它的植生性，其透水、透氣等性能有利于植物的生長，可用于河川護堤工程，還可以用于城市道路兩側(cè)及中央隔離帶、停車場、樓頂?shù)炔课?，既能吸附空氣中的有毒氣體，又能有效吸收城市噪音和太陽反射光線，對保持城市氣候的生態(tài)平衡具有積極作用。

 

植物適生性主要取決于生態(tài)混凝土的孔隙率、孔隙平均孔徑及孔內(nèi)水環(huán)境的pH值3個因素。粗骨料粒徑與水膠比直接影響生態(tài)混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征，文獻指出，粗集料粒徑越大，孔隙率越大，且孔隙平均孔徑越大，越有利于植物的生長。對百喜草而言，相比于孔隙率為36%、平均孔徑小于4mm的生態(tài)混凝土，它在孔隙率為39.45%、平均孔徑為6.4mm的混凝土中長勢更好；對狗牙根而言，在低孔隙率（20%、25%）情況下，其覆蓋率隨水灰比的增大而增大，但在高孔隙率（30%）情況下，其覆蓋率隨水灰比的增大呈先增大后減少趨勢。文獻研究發(fā)現(xiàn)，磚石配制的生態(tài)混凝土植草試驗時草根穿透混凝土孔隙后由土向四周擴展，對綠化混凝土不產(chǎn)生膨脹破壞作用，有較好的穿透穩(wěn)定性。

 

福建農(nóng)林大學對綠化混凝土植物相容性進行了研究，總結(jié)了綠化混凝土草種選擇原則，以及適合亞熱帶地區(qū)種植的部分草種，并通過對綠化混凝土的各組成因素進行優(yōu)化配比試驗得出植物生長最優(yōu)環(huán)境條件為水泥用量4.5kg，耕植土用量17.3kg，外加劑用量2.9kg，珍珠巖用量7.2kg，最優(yōu)pH值為8.39。

 

美國加州大學Wekde等通過植生實驗發(fā)現(xiàn)，種植在厚度為150～300mm的綠化混凝土中的花草，其耐旱性良好，耐淹性基本與普通土壤中生長的植物相同，在積雪融化和集中暴雨等水流速度較快的情況下，還表現(xiàn)出良好的抗沖刷性。文獻中指出，生態(tài)混凝土中水泥的含量對狗牙根的發(fā)芽率和存活率有著重要的影響，當水泥含量在0～8%時，種子的發(fā)芽率呈上升趨勢，當水泥含量在8%～16%時，種子的發(fā)芽率呈下降趨勢。且當水泥含量在8%以下時，植物的各生長發(fā)育參考指數(shù)均處于增長趨勢，這說明特定的水泥含量對植物的生長起促進作用，高含量對其有抑制作用。

 

綠色生態(tài)混凝土降堿技術(shù)研究現(xiàn)狀

然而，混凝土由于水泥水化之后呈堿性，孔隙內(nèi)部的水環(huán)境pH一般大于12，不滿足植物的生長條件，因此如何降低綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙的堿度、強度損失較小成為生態(tài)混凝土發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。從材料本身而言，水泥的用量直接影響孔隙內(nèi)水環(huán)境的堿性，隨著膠凝材料中水泥的減少，堿性減弱，但堿度降低幅度很小。

 

董建偉等提出綠化混凝土孔隙中的鹽堿水環(huán)境是動態(tài)的、相互轉(zhuǎn)換并共同對植物構(gòu)成危害，經(jīng)過長期的實驗研究，通過對綠化混凝土孔隙內(nèi)鹽堿性水環(huán)境的形成、表現(xiàn)形式、轉(zhuǎn)變過程、鹽堿構(gòu)成組分的分析，提出了元素形態(tài)改變、離子動態(tài)平衡、分子篩效應(yīng)等理論，根據(jù)上述理論提出了化學、物理、土壤化學、生物化學、結(jié)構(gòu)、農(nóng)藝和植物生理等系列改造方法。理論上不僅使綠色生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)水環(huán)境的pH值達到植物生長的要求，還將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成了有利于植物生長和提高混凝土性能的材料。但實際上該系列方法操作復雜，不適合工程應(yīng)用，且很難達到理想效果。

 

有關(guān)學者認為礦物外加劑能降低綠色生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)的堿度，對萘系高效減水劑和硅粉進行了研究。結(jié)果表明，生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)水環(huán)境的pH值隨萘系高效減水劑、硅粉摻量的增加而減小，當減水劑、硅粉摻量分別為1%、5%時，孔隙內(nèi)水環(huán)境的pH值均下降0.5左右。由此可見，摻加減水劑及礦物摻合料雖能降低一定堿度，但效果不明顯。H. F. W. Taylor等人通過對硅灰、礦渣、粉煤灰等礦物摻合料進行研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)V物摻合料摻量為50%時，膠凝材料水溶液的pH值仍然大于12。J. L. Garcia Calvo、A. Hidalgo等人也驗證了此觀點，當單摻硅灰為45%時，90d孔隙內(nèi)的pH值仍在12.5左右，即使當硅灰摻量超過50%，孔隙內(nèi)pH值仍維持在12左右。因此摻入礦物外加劑對降低生態(tài)混凝土堿度的作用不大。

 

除添加外加劑，有些學者運用酸堿中和的原理進行了一些研究，F(xiàn)eSO4的水溶液呈現(xiàn)弱酸性，可以中和水泥水化過程中產(chǎn)生的堿類物質(zhì)。王桂玲等通過研究表明，當FeSO4摻量在0～4%之間變化時，生態(tài)混凝土內(nèi)部pH值滿足植物生長條件，同時混凝土強度降低不明顯，但當摻量繼續(xù)增加時，混凝土強度降幅較大，不利于混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所以將FeSO4摻量控制在4%左右效果最佳。但經(jīng)上海大學羅仁安等人研究表明，經(jīng)此降堿處理后的生態(tài)混凝土力學性能受到較大的損壞。另一種酸堿中和方法是將綠色生態(tài)混凝土成型后浸泡在一定濃度的草酸溶液中，草酸與孔隙內(nèi)溶出的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土孔隙內(nèi)的pH值維持在合理的范圍內(nèi)。但經(jīng)相關(guān)學者研究發(fā)現(xiàn)，這種浸泡方法對混凝土的強度影響很大，達不到工程應(yīng)用的需求。李榮煒等將浸泡方式改為向其表面噴灑草酸溶液，實驗發(fā)現(xiàn)孔隙內(nèi)堿度明顯降低，3個月后pH值仍保持在8左右，能滿足大多數(shù)植物的生長需求。另外，將綠色生態(tài)混凝土進行碳化處理也能降低其堿性，在碳化過程中，CO2氣體能與孔隙內(nèi)的堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，生成致密的保護層阻礙堿性物質(zhì)的溶出，從而能夠起到較好的降堿作用，但此方法僅在試驗室可行，在室外實際工程中很難實現(xiàn)。

 

有關(guān)學者還通過一些物理方法對綠色生態(tài)混凝土進行降堿處理。如將綠色生態(tài)混凝土進行蠟封，蠟封是在孔隙表面附上一層工業(yè)石蠟，以阻止水泥中堿性物質(zhì)向外釋放的方法，同時對生態(tài)混凝土的孔隙狀態(tài)也不會產(chǎn)生較大的影響，試驗證明蠟封處理后的生態(tài)混凝土的孔隙水環(huán)境pH值可降低0.5～1。用永凝液進行表面處理也能達到相近的效果。不過，物理封閉方法操作難度系數(shù)較高，且封閉材料的耐久性有待進一步研究。

 

         
結(jié)論與展望          

綠色生態(tài)混凝土是一種集環(huán)保與實用為一體的新型建筑材料，它的研究發(fā)展標志著人類逐漸走向與自然和諧共處的道路，同時一些環(huán)境與人文問題都會得到相應(yīng)的緩解。我國在綠色生態(tài)混凝土研究方面起步較晚，在今后的研究工作中，我們還需要解決以下幾點問題：

 

1 到目前為止還沒有統(tǒng)一、合理的綠色生態(tài)混凝土配合比設(shè)計方法，沒有具體的規(guī)范進行操作指導，對于強度與孔隙率之間的矛盾也沒有提出合理的解決方法。

 

2 用普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)出的生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)的水環(huán)境堿度太高，不適合植物生長。一系列降堿方法還有待考證，降堿處理對綠色生態(tài)混凝土性能的影響還需要更深入的研究。

 

3 不同草種對不同環(huán)境的適應(yīng)性及耐踐踏性不同，其與混凝土的匹配性還缺乏研究，草種的混播比例以及播種密度等問題還沒有充分的科學依據(jù)，綠色生態(tài)混凝土可再播種的重復性還需要進一步研究。

 

相信通過不斷的探索與研究，綠色生態(tài)混凝土將逐漸朝智能化、規(guī)模化、體系化、集成化和規(guī)范化方向發(fā)展，其在工程應(yīng)用領(lǐng)域的前景也會更加廣闊。