椰纤维植被混凝土性能研究
2013-09-17刘光锐龚明子刘君秀陈茜苏艺凡
刘光锐，龚明子，刘君秀，陈茜，苏艺凡
（1. 厦门市建筑科学研究院股份有限公司，福建 厦门 361100；2. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）
0 引言
植被混凝土是采用特定的混凝土配方和种子配方，对岩石类边坡进行防护和绿化的新技术。该技术从日本引进后，经国内技术人员的研究和改进[1]，已得到迅速的推广和应用。
椰纤维是椰工业中的一种副产品，是目前自然纤维中强度和柔韧性最理想的材料。用于水土保持工程中的椰纤维产品主要有：椰纤维板砖、椰枕、椰棕垫、椰捆、椰毯。文献[2]中详细地介绍了各个产品在水土保持中的作用、机理及应用。
有学者将这种植被混凝土与椰纤维技术结合起来，用于边坡防护和绿化。文献 [3]中介绍了一种椰纤维网复合喷射植被混凝土的边坡绿化方法，具体做法是在喷射完植被混凝土后，在植生基层上铺挂一层椰纤维网，椰纤维网前期起加固植生基材的作用，后期降解为有机质，为植物生长提供养分。
本文在研究喷射植被混凝土基材的过程中，使用椰土作为腐殖质，椰土是一种从椰子壳中提取出来的纤维肥料，其中含有 5%（质量比）的长短不齐的植物纤维，纤维直径在0.2mm 左右。以椰土作为腐殖质配制的植被混凝土，综合性能较好，其中椰纤维的作用不可或缺，故本文称其为椰纤维植被混凝土。
1 试验
1.1 原材料
（1）水泥：华润水泥有限公司生产的润丰牌 P·O42.5 水泥，3d 抗压强度为 28.7MPa，28d 抗压强度为 51.3MPa；
（2）粉煤灰：华阳电业漳州后石电厂生产的 F 类 Ⅱ级粉煤灰，活性指数为 70%；
（3）矿粉：市售矿渣粉，7d 活性指数为 76%，28d 活性指数为 102%；
（4）砂壤土：普通砂壤土，含砂量小于 10%；
（5）腐殖质：蛭石、椰土、泥炭土，均为市售；
（6）复合肥：农用复合肥；
（7）保水剂：市售花草专用保水剂，高分子吸水树脂，吸水倍率在 300 以上；
（8）硫酸亚铁：市售农用铁肥，硫酸亚铁含量为 90%～93%；
（9）引气剂：烷基苯磺酸盐类引气剂；
（10）草种：选用市售的黑麦草种；
（11）水：自来水。
1.2 试验方法
1.2.1 强度试验方法
采用 (100×100×100)mm 试块进行试验，每组成型 3 个试块，试块成型时，将混凝土一次性装入铁模中，振动 2s。试块成型后置于温度 (20±5)℃、湿度大于 50% 的环境中，2d 后拆模，并测试 2d 强度；其他试块移至温度 (20±2)℃，湿度大于 95% 的养护室内，分别测试 7d、14d 强度。强度测试时采用控制行程的方式[4]，试块的加载速率为 1mm/min，以峰值强度作为试块的抗压强度；强度测试结果评定可参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。
1.2.2 植生性能试验方法
植生试验采用一次性塑料碗进行，塑料碗底部钻两个小孔，孔直径为 5mm。每次试验至少应设置一组空白试验，空白试验采用普通壤土加少量腐殖质作为基材，表层播撒 1g 草种。
试件成型时，将混凝土装入塑料碗中，在塑料碗底部垫一根直径 10mm 的金属棒，沿相互垂直的两个方向各轻振 5次。在表层 5mm 厚的混凝土中加入 1g 草种，试样制作完成后，混凝土表面应低于塑料碗表面 5mm 左右。用透明塑料薄膜覆盖试样表面，将试样置于室外阳光充足处，注意防止暴晒，根据混凝土的湿润程度适量浇水，至混凝土润湿为宜；待草种发芽后，取下薄膜，早晚定期浇水，浇水以塑料碗底部有水溢出为宜。分别记录 7d、14d 试样的草苗数量，以草苗数量表征混凝土的植生性能，单位：棵。
1.2.3 保水性能试验方法
采用 (100×100×100)mm 试块进行试验，每组 3 个试块，试块成型时，将混凝土一次性装入铁模中，振动 2s。试块成型后，置于温度 (20±5)℃、湿度不大于 50% 的环境中，2d 后拆模，拆模后测试混凝土试块的质量 Mi，之后每隔一天测试一次试块质量，10d 后将试块放置在温度 (60±5)℃的烘箱中烘干至恒重，并测试干混凝土的质量 M0。
按下式计算混凝土试块的含水率：
其中：Wi——第 i 天混凝土试块含水率，%；
Mi——第 i 天湿混凝土试块的质量，g；
在最大功率640 kW、0～120 km/h速度下仿照实际动车组加速的过程，得到DC/DC变换器电池侧电流Ibat和直流侧电压Udc的仿真波形如图4所示。
M0——干混凝土试块的质量，g。
试验中注意轻拿轻放，防止试块损坏。以三个试块含水率的平均值作为该组试样的含水率代表值。
2 试验配合比
通过大量的尝试试验[7-12]，本文得到植被混凝土配比（见表 1）。采用该配比配制的植被混凝土具有良好的植生性能。
表1 植被混凝土配比 kg
3 试验结果
3.1 保水性能试验结果
试验中测试了 X1、Y1、Z1 组植被混凝土的保水性能，试验结果见图 1。
图1 植被混凝土含水率与时间的关系
从图 1 可以看出，随着时间的推移，混凝土的含水率呈下降趋势，Z1 组混凝土的含水率的下降速度高于其他两组，即 Z1 组混凝土的保水性能最差，混凝土的保水性能大小为：X1＞Y1＞Z1。
植被混凝土的保水性能除了与保水剂有关，还受腐殖质的影响。蛭石为颗粒状矿物，吸水能力一般、保水能力不好，故配制的混凝土保水性能不好；泥炭土是山谷中分解不充分的植物残体形成的腐殖质，具有很好的吸水、保水性能；椰土中含有很多椰壳碎屑，这些碎屑具有疏松的多孔结构，故能起到很好的吸水保水作用。
3.2 植生性能试验结果
混凝土的植生性能试验结果见图 2。
图2 植被混凝土不同龄期的草苗数量
从试验结果可以看出，胶凝材料的用量会影响混凝土的植生性能，其基本规律是胶凝材料用量越大，混凝土的植生性能越差。主要原因是胶凝材料用量越高，混凝土的碱性越强，当碱性强到一定程度就会影响植物的发芽生长。虽然本文采用硫酸亚铁作为 pH 调节剂，但只能在一定范围内调节混凝土的 pH 值，关键还是应该控制水泥的用量。喷射植被混凝土中水泥用量一般在 5%～12%[5]。
相同的水泥用量下，泥炭土配制的混凝土植生性能最好，其次是椰土、蛭石。主要原因是泥炭土为疏松的腐殖质，配制的混凝土具有良好的团粒结构，有利于植物生长；椰土的结构类似泥炭土，但疏松程度不及泥炭土，故植生性能略差。
总的来说，用本文所列出的配合比配制的植被混凝土，植生性能差别不大，均能达到较好的植生效果，对于植物的后期生长状况，有待进行长期跟踪研究。在实际工程中，如果出现植物生长状况不佳，亦可进行后期追肥及补苗，以达到良好的生态修复效果。
3.3 强度试验结果
混凝土强度试验结果见图 3。
图3 植被混凝土强度
从强度试验结果可以看出：
（1）混凝土 2d 强度均不高，故在混凝土喷射完成后，有必要采取相应的防护措施，以保证混凝土不受外力（如暴雨）破坏；
（2）相同腐殖质种类的混凝土，胶凝材料用量高的强度也较高，所以在保证植生性能的前提下，适当提高胶材用量，能提高植被混凝土的强度；
（3）X 组混凝土的强度较低，且后期增长不明显，主要受腐殖质的影响，泥炭土为未完全分解的植物残体，强度极低，加入到混凝土中，容易形成力学性能上的薄弱环节，严重的影响到混凝土的强度[6]；
（4）Y、Z 组混凝土强度较接近，且均满足植被混凝土的强度要求（大于 0.3MPa），其中，Y 组混凝土破型后，部分破碎的混凝土在椰纤维的作用下仍然连接在一起，Z 组混凝土破型后，呈普通混凝土碎裂形态，可见，用椰土配制的植被混凝土，抗破坏能力更强。
综上所述，椰纤维植被混凝土的保水及植生性能好，抗破坏能力强，是一种良好的植生基材。
4 结论
（1）泥炭土配制的混凝土保水性能最好，其次是椰土和蛭石配制的植被混凝土；
（2）泥炭土配制的混凝土植生性能最好，其次是椰土和蛭石配制的混凝土；
（3）泥炭土配制的混凝土强度最低，且后期强度增长不高，椰土与蛭石配制的混凝土强度相近，但椰纤维植被混凝土的抗破坏能力更强；
（4）椰纤维植被混凝土的综合性能好，是一种良好的植生基材，建议在实际工程中加以利用。
[1]许文年，夏振尧．植被混凝土生态防护技术理论与实践[M]．北京：中国水利水电出版社，2012．
[2]郭红艳，王百田．椰纤维制品在水土保持工程中的应用[J]．水土保持应用技术，2007(1): 34-37．
[3]李留振，李阿根．椰纤维植被护坡技术在岩石类边坡上的应用[J]．林业建设，2007(6): 29-31．
[4]许文年，夏振尧．植被混凝土无侧限抗压强度试验研究[J]．水利水电技术，2007(4): 51-54．
[5]郭声波，叶建军．边坡防护植被混凝土的施工及验收[J]．国外建材科技，2006(27): 53-56．
[6]刘大翔，李少丽．植被混凝土有机质类型与配比的合理选取[J]．水利水电科技进展，2012(4): 37-40．
[7]肖雪军，刘文斌．不同矿物掺合料对植被混凝土性能的影响[J]．商品混凝土，2009(7): 36-37．
[8]刘飞．岩质边坡喷射植被混凝土植生基材研究[D]．重庆：重庆交通大学， 2009．
[9]韦书勇．改进型植被混凝土绿化添加剂制备方法：中国，201110380711.2[P]．2011-11-25．
[10]四川省励自生态与环境工程技术有限公司．岩石边坡植被护坡种植基；中国，00120508.0[P]．2000-10-27．
[11]青岛高次团粒生态技术有限公司．一种植物生长土壤培养基及其植被方法；中国，200910215993.3[P]．2009-12-31．
[12]许文年．混凝土绿化添加剂：中国，01138343.7[P]．2001-12-21．
