植生再生骨料生态混凝土研究进展*

吴光军，陈建国，徐金霞，张世城，濮琦

（1. 广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁 530023；2. 河海大学，江苏 南京 210098；3. 苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

植生再生骨料生态混凝土研究进展*

吴光军1,2，陈建国1，徐金霞2，张世城1,2，濮琦3

（1. 广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁 530023；2. 河海大学，江苏 南京 210098；3. 苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

以再生骨料取代天然骨料配制植生再生骨料生态混凝土，对提高再生骨料资源利用率、保护生态环境具有积极作用。本文通过国内外文献资料整理，综述了植生再生骨料生态混凝土的概念、特点及配制方法；以及再生骨料对植生生态混凝土力学性能、耐久性能和植生性能的影响；并分析了植生再生骨料生态混凝土当前存在的主要问题，展望了植生再生骨料生态混凝土的应用前景。

再生骨料；植生生态混凝土；配制方法

0 引言

随着经济水平的不断提高，我国建筑行业得到了迅猛发展，每年都有大量房屋建筑和基础设施被拆毁重建，产生了数量巨大的废弃混凝土块和废弃砖，如果不能合理利用，而是直接堆放或填埋处理，将对生态环境带来极为严重的负面影响。因此，提出通过将废弃混凝土、废弃砖等建筑垃圾经机械破碎制成再生骨料，以实现建筑垃圾二次利用[1]。但是，由于再生骨料表面粗糙、棱角多、孔隙率高、密度小、吸水性大、强度较低，严重制约了再生骨料的应用[2]。植生生态混凝土属于多孔生态混凝土，不含细骨料，仅仅依靠粗骨料及包裹在粗骨料表面的胶结浆体相互咬合，强度较普通混凝土低，因此，高品质的天然骨料性能在这里得不到完全发挥，造成资源浪费；反之，将再生骨料应用于植生生态混凝土，不仅不会造成资源浪费，还能缓解再生骨料由于性能缺陷而使用受限的局面。因此，与天然骨料相比，再生骨料更适合用于制作植生生态混凝土。目前，在植生再生骨料生态混凝土研究方面已经进行了大量工作，本文介绍了植生再生骨料生态混凝土的概念及特点，综述了近年来植生再生骨料生态混凝土的配制方法、力学性能、耐久性能及植生性能方面的研究进展。

1 植生再生骨料生态混凝土的概念及特点

植生再生骨料生态混凝土是在植生生态混凝土的基础上，利用再生骨料取代天然骨料配制而成，主要由再生骨料多孔混凝土、填充营养土、表层客土及植物等组成[3]，是能够适应绿色植物生长，满足绿色植物作业要求[4]的绿色生态混凝土。多孔混凝土作为结构骨架，给结构提供强度支撑；其内部分布的连续孔隙则为植物根系的生长提供空间[5]；填充营养土和表层客土为植物的生长提供营养。由于植生再生骨料生态混凝土在结构形式上的特殊性，决定了其具有较好的透水性能、透气性能、抗冲刷性能和植生性能，用于生态护坡、屋顶绿化及停车场建设等工程建设中，能够起到降低地表径流量、修复生态、净化水质、调节环境温湿度等作用。据文献[6-9]介绍，在欧美、日本及韩国等国家，植生生态混凝土技术已被广泛应用于道路护坡、屋顶绿化和生态型河川建设中。国内对植生生态混凝土的研究起步较晚，大部分研究仍处于试验阶段[10]。

2 植生再生骨料生态混凝土配制方法

2.1 配合比设计方法

目前常用的配合比设计方法是体积法，即在粗骨料紧密堆积孔隙率的基础上，通过目标孔隙率，来计算胶结浆体用量体积，采用该配合比设计方法能较好地控制混凝土的孔隙率[10]。此外，水灰比和骨胶比是配合比设计中的两个主要参数。研究表明[11]，水灰比过大，会导致胶结浆体发生离析，而产生堵孔、积浆现象；水灰比过小，则会因为胶结浆体干硬而无法搅拌均匀，影响骨料间的粘结，从而影响混凝土的强度。在制作多孔生态混凝土时，水灰比不宜过大，应控制在 0.25～0.35 之间[12-13]。同时，当骨胶比较大时，水泥用量少，导致强度降低；相反，骨胶比较小时，虽然强度增强，但是由于胶结浆体用量增大，会导致内部孔隙减小，不利于植物生长，经过对比试验，植生生态混凝土灰骨比宜控制在 0.13～0.20 之间[14]。另外，考虑到再生骨料的高吸水率特点，在植生再生骨料生态混凝土配制时宜通过附加水量或采用饱和骨料。

2.2 搅拌、成型及养护方法

由于植生再生骨料生态混凝土较普通混凝土在结构形式、骨料特点上存在着明显差异，因此其搅拌、成型及养护方法也会有所不同。蒋正武[15]、吴磊[16]等的研究表明，采用水泥裹石法的搅拌方式成型的植生再生骨料生态混凝土强度较一次加料法明显提高。因为通过该搅拌方式，胶结浆体能够均匀地包裹在再生粗骨料表面，使得骨料间的粘结效果增强，进而达到混凝土强度提高的作用。汪健[17]则对比研究了机器振捣和人工插捣压实下植生生态混凝土强度、孔隙率等指标的变化，结果显示，机器振捣的试件强度较人工插捣压实要高，但是其渗透系数和孔隙率较低，不利于植物生长。因此植生再生骨料生态混凝土宜采用人工插捣压实的成型方法。由于植生再生骨料生态混凝土内部孔隙较多，水分很容易蒸发流失，所以不宜选择自然养护方法，为了防止因水分流失过多而造成混凝土强度损失，在试块养护过程中，试块表面覆盖一层塑料薄膜能起到很好的保水作用，有利于混凝土养护。相关研究表明[17-18]，采用连同模具一起标准养护的方法对提高混凝土强度效果显著，为了防止表面骨料因粘结强度不足而脱落，宜在成型后的第 3 天进行拆模。

3 植生再生骨料生态混凝土力学性能

植生再生骨料生态混凝土的多孔骨架结构主要由再生粗骨料、胶结浆体及内部空隙组成，其强度主要依靠骨料表层的胶结浆体相互咬合，因此强度较普通混凝土低。而作为最主要的组成成分，再生骨料的品质、粒径及取代率将直接影响植生再生骨料生态混凝土的力学性能。

3.1 再生骨料品质对植生生态混凝土力学性能的影响

由于再生骨料在机械破碎过程中，产生了微小裂纹，使得骨料表面疏松，孔隙率增大，骨料强度下降，吸水率较高，在配制植生生态混凝土时，导致再生骨料表面的旧砂浆与新拌水泥浆体粘结不牢固，存在明显的界面薄弱区，导致再生骨料生态混凝土强度较天然骨料低[19]。Vivian W.Y.Tam 等[20]研究了盐酸、硫酸及磷酸3 种酸液对再生骨料表面的改性作用，结果表明，酸液预处理后再生骨料的吸水率降低，而强度明显提高，制成的生态混凝土抗压强度、抗弯强度和弹性模量均得到显著提高。肖开涛[21]采用 PVA 聚合物溶液和有机硅防水剂对再生骨料改性，也使得再生骨料的吸水率明显下降。刘荣桂[22]采用盐酸溶液对废弃混凝土再生骨料进行改性，制备的生态混凝土 28d 抗压强度得到明显提高。 Bhutta 等[23]则采用聚合物改性方法对再生骨料进行强化，配制的再生骨料多孔生态混凝土的抗压强度提高了 79%。

3.2 骨料粒径对植生生态混凝土力学性能的影响

由于骨料粒径的不同，即使在相同孔隙率、水灰比条件下配制的混凝土强度也会有所不同。P. Chindaprasirt[24]的研究表明，在相同的孔隙率下，多孔混凝土的强度取决于骨料粒径大小，且多孔混凝土强度呈现出随着骨料粒径的增大而减小的规律。美国田纳西大学的 Crouch. P. E[25]研究发现减小骨料尺寸，生态混凝土强度提高。Ducman V.[26]研究了骨料类型和骨料尺寸对生态透水混凝土性能的影响，结果表明，骨料尺寸比骨料类型对生态混凝土性能的影响大，且更小尺寸的骨料生产的生态混凝土力学性能较好。宋超[27]、王玉军[28]、赵佳[29]等对多种粒径下的再生骨料生态混凝土进行抗压、抗折强度试验分析，也得出了类似结论，试件强度随骨料粒径的增大有减小的趋势，因为小粒径骨料比表面积较大，骨料与水泥浆的粘结面积变大，接触点增多，粘结作用增强，宏观上就表现为强度的提高。

3.3 骨料取代率对植生生态混凝土力学性能的影响

由于再生骨料较天然骨料表面粗糙且强度要低，因此，随着再生骨料取代率的增加，混凝土强度必将受到影响。Kou Cong Shi 等[30]的研究发现，生态混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量随着再生骨料取代率的增加而不断降低，且当取代率为 100% 时，较全天然骨料的生态混凝土抗压强度低 8.9%，抗拉强度低 6.9%。由于再生骨料具有疏松多孔的特性，骨料－砂浆界面存在微裂缝，弱化了骨料之间的粘结力，因此再生骨料取代率对混凝土强度值有直接的影响，取代率越高，强度值越低[31]。而 Senng Park Bum 等[32]的研究得出了不同结果，发现目标孔隙率为 25% 时，再生骨料的取代率为 50% 的多孔生态混凝土的抗压强度值最高。Chetna M Vyas[33]利用废弃混凝土块生产的垃圾制作绿色混凝土，发现再生骨料取代率为 40% 时，混凝土抗压强度最高。国内学者张新华[34]、吕京录[35]等的研究结果表明，当再生骨料取代率处于较低水平 25%～40% 时，再生骨料中的水泥粉末、石料粉末等具有微集料效应，在搅拌成型过程中，改善多孔混凝土的界面，使多孔生态混凝土抗压强度提高；当再生骨料取代率处于中高水平 50%～75%时，由于再生骨料自身性能缺陷，导致多孔生态混凝土强度明显下降；当不同材料属性的骨料通过胶凝材料粘结，形成的不同刚度材料在同一结构中共同作用时，整体结构更容易受到破坏；而当再生骨料取代率为 100%时，则不存在这种问题，因此，当取代率为 100% 时，28d 龄期抗压强度下降不明显[35]。

4 植生再生骨料生态混凝土耐久性能

由于植生再生骨料生态混凝土内部孔隙较多，使得自由水、空气等很容易进入，容易受到冻融、碳化、干缩及硫酸盐侵蚀等作用的影响。姚明来等[36]的研究表明再生骨料生态混凝土经 25 次冻融循环后的抗压强度损失率为 5.93%，质量损失率为 1.08%。因为界面薄弱层有微裂缝存在，在经多次冻融循环作用后，裂缝不断扩展，最终导致试件结构破坏。钱振生[37]研究了碳化对植生混凝土碱环境及力学性能的影响，结果表明，碳化对早龄期植生混凝土的 pH 值及抗压强度的影响明显，3d 试件的 pH 值上升约 6%，抗压强度下降 20% 以上，而随着养护龄期的增长，碳化对于植生混凝土的碱环境和力学性能影响不再明显。崔正龙[38]考虑到再生骨料植生生态混凝土干燥的工作环境，通过掺入钙系膨胀剂参与水化反应，以生成的钙矾石和氢氧化钙填充混凝土结构内部微小的毛细孔，从而缓解毛细孔由于水分蒸发而产生的收缩应力，起到抑制干燥收缩的效果明显。潘佳文等[39]对干湿交替作用下加速硫酸盐侵蚀对植生生态混凝土耐久性的影响进行研究，结果表明，骨料粒径越小，抗硫酸盐侵蚀性能越好。Li-Jeng Huang[40]的研究发现，在生态混凝土中掺入适当的废轮胎粉、废弃液晶玻璃砂能有效提高生态混凝土耐硫酸盐侵蚀性能。由于再生骨料生态混凝土的需水量很大，导致混凝土的收缩大、氯离子渗透系数大、碳化速度快以及抗冻性差等，但是经过对再生骨料表面进行整形，去除薄弱层，需水量明显降低，生态混凝土耐久性得到显著改善[41]。

5 植生再生骨料生态混凝土的植生性能

对植生再生骨料生态混凝土而言，其最主要的性能就是植生性能。相关研究表明，孔隙率、孔径大小及pH 值是影响生态混凝土植生性能的 3 个关键因素。孔隙率越大，且平均孔径越大，越有利于植物生长[42]，然而，强度却会随着孔隙率的增加而降低，因此，对植生生态混凝土而言，存在一个较合理的孔隙率范围。日本生态混凝土护岸工法中对植生护岸混凝土提出了明确要求，认为孔隙率应在 21%～30% 之间才能满足植物正常生长的需要[43]。胡勇为等[44]研究了孔径大小对植生生态混凝土植生性能的影响，发现平均孔径越大，植物生长越好，且采用单一级配粗骨料拌制的生态混凝土的平均孔径比采用多种级配骨料拌制的生态混凝土的平均孔径大。此外，植生生态混凝土孔隙内部碱性水环境对植物能否正常生长起决定性作用。Chen F.[45]的研究表明，随着 pH 值的增加，植物生长率呈下降趋势。因此，为了满足植物生长需要，须对再生骨料生态混凝土内部孔隙的碱环境进行改善。根据目前的研究，主要的降碱处理方法包括溶液浸泡法[18]、酸碱中和法[46-47]、蜡封法等。胡春明[48]考察了孔隙状态、萘系高效减水剂以及蜡封处理方法对生态混凝土碱性水环境的影响，结果表明，生态混凝土孔隙水环境的 pH 值与孔隙的平均孔径成反比关系；另外，增加萘系减水剂掺量，可降低pH 值，蜡封处理也可有效抑制碱性物质的释放。

6 结语

植生再生骨料生态混凝土给再生骨料的利用拓宽思路，实现垃圾资源变废为宝，减轻环境压力；同时，其良好的透水、透气性能和植生性能，对缓解“热岛效应”、“城市内涝”及“全球气候变暖”等环境问题具有积极作用。由于上述优点，植生再生骨料生态混凝土逐渐受到人们的关注，并在其配制方法和性能特点方面进行了大量研究，取得了一些成果，但想进一步推广应用，仍有诸多难点亟待深入研究。与天然骨料相比，经机械破碎的再生骨料性能较差，且目前再生骨料表面改性或强化的技术手段很多，但是工艺都较复杂，很难应用在工程中；而在配合比设计方面，国内还没有形成统一、有效的植生再生骨料生态混凝土的配合比设计方法，对于如何解决强度和孔隙率的矛盾关系还有待进一步研究，对于生态混凝土性能指标和检测方法缺乏相关规范作为指导；目前采用的普通硅酸盐水泥造成混凝土内部碱性过高，在这样的环境中植物无法存活，而已有的系列降碱措施还有待考证，对于这些降碱方法是否会对生态混凝土性能产生影响还需进一步研究。

[1] Brito J D, Saikia N. Recycled Aggregate in Concrete[J].2013.

[2] Bhashya,Ramesh G, Bharat Kumar,B. H. Iyer,Nagesh R. Investigations on recycled aggregate concrete made using field demolished waste concrete as coarse aggregates[J]. Journal of Structural Engineering，2015(6)∶140-148．

[3] 柳橋，邦生．植生型エココンクリート[J]．コンクリート工学，1998,36(2)∶ 28-31．

[4] 冯乃谦．新实用混凝土大全[M]．北京：科学出版社， 2005．

[5] 李学军，王明祥．无砂多孔混凝土试验研究[J]．水资源与水工程学报，1997(4)∶ 28-31．

[6] Ping H E. Research and Application of Vegetationgrowing Concrete for Road Slope Protection[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008, 36(28)∶ 12092-11521.

[7] Yanagibashi K, Yonezawa T.Properties and performance of green concrete[C]. Recent Advances in Concrete Technology, 1998∶ 141-158.

[8] 水口裕之．工ココンクリ一トとは[J]．コンク一ト工学，1998(3)∶ 9．

[9] 周斌，王发洲，张运华．植物相容性生态混凝土研究进展与应用展望[J]．新型建筑材料，2005(8)∶ 37-39．

[10] 王桂玲，王龙志，张海霞，等．植生混凝土的含义、技术指标及研究重点[J]．混凝土，2013(1)∶ 105-109.

[11] 程娟，杨杨，陈卫忠．透水混凝土配合比设计的研究[J]．混凝土，2006(10)∶ 81-84．

[12] Phan H D, Le T A.Effect of aggregate type on properties porous concrete[J]. Journal of Engineering Technology, 2012∶ 148-153.

[13] 刘兰，马瑞强．透水性水泥混凝土的研制[J]．新型建筑材料，2007, 34(10)∶ 16-19．

[14] 孙永军，刘学功，程庆臣，等．环保型绿色植被混凝土的开发与应用[J]．水利水电技术，2004,35(1)∶ 85-86．

[15] 蒋正武，孙振平，王培铭．若干因素对多孔透水混凝土性能的影响[J]．建筑材料学报，2005, 8(5)∶ 513-519.

[16] 吴磊．生态植草混凝土工程应用研究[D]．武汉：武汉理工大学，2011．

[17] 汪健，李向辉，宁珍．生态植生混凝土实验研究[J]．水利科技与经济，2014(11)∶138-140.

[18] 翟家欢，王成名．植生型再生砖瓦混凝土制备与试验[J]．山东农业大学学报（自然科学版），2016,47(2)∶286-291.

[19] 朱启贵，何仕英．再生骨料多孔生态护坡混凝土的研制与性能[J]．工程与建设，2010, 24(3)∶ 301-303.

[20] Tam V, Tam C M, Le K N. Removal of cement mortar remains from recycled aggregate using pre-soaking approaches[J]. Resources Conservation amp; Recycling, 2007,50(1)∶ 82-101.

[21] 肖开涛．再生混凝土的性能及其改性研究[D]．武汉：武汉理工大学，2004.

[22] 刘荣桂，张瑶，徐荣进，等．再生透水型生态混凝土试验研究[J]．混凝土，2012(7)∶ 89-92．

[23] Bhutta M A R, Hasanah N, Farhayu N, et al. Properties of porous concrete from waste crushed concrete (recycled aggregate)[J]. Construction amp; Building Materials, 2013, 47∶1243-1248.

[24] Chindaprasirt, Hatanaka, Mishima, et al. Effects of binder strength and aggregate size on the compressive strength and void ratio of porous concrete[J]. Int J Minerals.Metall Mater, 2009, 16(6)∶ 714-719.

[25] Crouch, P.E. et al. 2007. Aggregate Effects on Pervious Port-land cement Concrete Static Modulus of Elasticity.Journal of materials in civil engineering 19(7)∶ 561-568.

[26] K. Ćosić, L. Korat, V. Ducman, et al. Influence of aggregate type and size on properties of pervious concrete[J]. Construction amp; Building Materials, 2015,78∶69-76.

[27] 宋超，刘筱玲，苏炫溢，等．再生骨料多孔生态混凝土抗压强度试验研究[J]．施工技术，2016,45(3)∶19-21.

[28] 王玉军，翟爱良，高涛，等．再生砖骨料多孔混凝土强度和透水性能研究[J]．混凝土，2016(2)∶ 90-95．

[29] 赵佳，翟爱良，吴明明，等．再生砖骨料多孔混凝土护坡技术研究[J]．新型建筑材料，2017,44(1)∶ 64-67.

[30] Kou S C, Chi S P, Chan D. Influence of fly ash as cement replacement on the properties of recycled aggregate concrete[J]．Journal of Materials in Civil Engineering,2007, 19(9)∶ 709-717.

[31] 王玉梅，邓志恒，覃英宏，等．多孔再生骨料混凝土强度及透水性能研究[J]．混凝土，2015(7)∶ 26-30．

[32] Seung Bum Park, Dae Seuk Seo, Jun Lee. Studies on the sound absorption characteristics of porous concrete based on the content of recycled aggregate and target void ratio[J]. Cement amp; Concrete Research, 2005, 35(9)∶ 1846-1854.

[33] Chetna M Vyas, Darshana R Bhatt. Concept of Green Concrete Using Construction Demolished Waste As Recycled, Coarse Aggregate[J]. International Journal of Engineering Trends amp; Technology, 2013, 4(7).

[34] 张新华，解曙辉，江媛，等．再生粗骨料制作渗透生态混凝土强度变化规律试验研究[J]．科技资讯，2014(30)∶ 71-72．

[35] 吕京录，陈静茹，赵铁军，等．再生粗骨料取代率对植生型透水混凝土性能的影响[J]．混凝土与水泥制品．2017(5)∶ 84-87．

[36] 姚明来，陈洲，刘秦南，等．再生骨料无砂透水混凝土抗冻性能试验研究[J]．三峡大学学报（自然科学版），2017,39(3)∶ 53-57．

[37] 钱震生．碳化对植生混凝土碱环境及力学性能的影响[J]．福建交通科技， 2016(3)∶ 20-22．

[38] 崔正龙，北辻政文，田中礼治．固体废弃物再生骨料混凝土的耐久性试验研究[J]．硅酸盐通报，2009,28(5)∶ 1042-1045．

[39] 潘文佳，高建明，宋文峰．多孔混凝土在干湿交替作用下加速硫酸盐侵蚀的耐久性评价[J]．混凝土与水泥制品，2007(6)∶ 5-8．

[40] Hunag L J, Wang H Y, Wang S Y. A study of the durability of recycled green building materials in lightweight aggregate concrete[J]. Construction amp; Building Materials, 2015, 96∶ 353-359.

[41] 高嵩，李秋义，陈建珍．再生骨料混凝土耐久性能影响因素研究[J]．中山大学学报（自然科学版），2009,48(s2)∶ 20-22．

[42] 蒋昌波，刘易庄，向泰尚，等．多孔混凝土植生性能试验研究[J]．混凝土，2014(5)∶ 152-156．

[43] ポquot;テスコンケリquot;トの制造とこれからがわかゐ本[M]．日本：株式会社セメントジセquot;ナル社，2001∶ 6．

[44] 胡勇有，胡春明，谢磊，等．植生型生态混凝土孔隙状态对植物生长的影响[J]．华南理工大学学报（自然科学版），2006,34(12)∶ 5-9．

[45] Chen F. Effects of concrete consent on seed germination and seedling establishment in vegetation concrete matrix slope restoration[J]. Ecological Eng,2013,9(58)∶ 99.

[46] 李荣炜，汪守淳，舒国志，等．植被型生态混凝土孔隙内碱环境改造方法研究[J]．新型建筑材料，2014,(09)∶ 11-14．

[47] 王桂玲，王龙志，张海霞，等．多孔种植混凝土孔隙碱度改造方法的研究[J]．中国包装科技博览：混凝土技术，2012(12)∶ 29-33．

[48] 胡春明，胡勇有，虢清伟，等．植生型生态混凝土孔隙碱性水环境改善的研究[J]．混凝土与水泥制品，2006(3)∶ 8-10．

Research on recycled aggregate ecological concrete

Wu Guangjun1,2, Chen Jianguo1, Xu Jinxia2, Zhang Shicheng1,2, Pu Qi3
(1. Guangxi Hydraulic Research Institute, Guangxi Key Laboratory of Water Engineering Materials and Structures, Nanning 530023; 2. Hohai University, Nanjing 210098;3. Suzhou Concrete Cement Products Institute Co., Ltd., Suzhou 215004)

To make up ecological concrete with recycled aggregate instead of natural aggregate plays positive effect to improve the utilization of recycled aggregate resources and protect the ecological environment. Based on the research of domestic and foreign data, this paper illustrate the concept, characteristics and preparation methods of recycled aggregate ecological concrete, and further discuss the influence recycled aggregate made for the mechanical properties, durability,implant and growing capacity of zoophytic ecological concrete. The main problems existing in ecological concrete is analyzed also, and provide an outlook of the application prospect of recycled aggregate ecological concrete.

recycled aggregate; zoophytic concrete; preparation method

广西自然科学基金 2016GXNSFBA380056；广西水利科技项目 201616；绿色建材国家重点实验室开放基金 YA-533。

吴光军 (1991－)，男，河海大学硕士研究生，主要从事水工材料研究。

［通讯地址］江苏省南京市江宁区佛城西路 8 号（210098）