植生型生态混凝土趋势研究

庞致远，彭玉林，赵 杨

（云南农业大学水利学院,云南 昆明 650201）

0 引言

从1993年,日本推出植生混凝土技术[1]；2001 年,日本编制《多孔植被混凝土河川护岸工法》推进了生态混凝土的应用和发展[2],到今天,研究、发展已有20 多年。应该指出的是,植生型生态混凝土在许多方面仍然存在缺陷。比如,植生型生态混凝土自身强度低,无法作为承重结构,这一点就使得在许多工程应用上受到限制。与素混凝土相比,由于植生型生态混凝土自身结构内部和表面骨料不平整,受力分散,一旦出现裂缝,结构强度就得不到保障,引起结构失效。而且,植生型生态混凝土还受周遭环境、种物、水泥碱度等影响。当然,植生型生态混凝土既然能被研究,自然有他的优势。从最新研究表明：植生型生态混凝土不仅可以降低降雨径流量,还可以减小热岛效应[3]；因为其独特的孔隙,在降噪方面也有优势[4]；在湿地保护,河道护岸中具有净化水质,去污除杂功能[5-9]；在施工方法、植物生长性能等也有相关研究,娄可可[10]等通过CT扫描法研究生态混凝土最佳成型方式,探讨施工技术难点；马秋娟[11]等发现当粗骨料粒径为15 mm～20 mm、水胶比为0.28～0.30 时,最适宜植物生长。

目前,我国还处在研究初级阶段,力学性能、植生性能的规律还在探索中,应用也不广泛,施工经验也很缺乏。经济上,许多低效益、高耗能水泥企业在推进供给侧转型,这必然导致水泥价格上涨,植生型生态混凝土的成本增加,但是可以通过政府引导,刺激企业创新,利用工业废渣替代部分水泥制备生态混凝土,促进物质循环利用；同时,提高工业废渣利用率,降低工业废渣处理成本,进一步节约能源和降低成本。政策上,由《“十三五”节能减排中和工作方案》和《工业绿色发展规划（2016-2020）》指导下,节能减排是当今,也是未来的首要任务。工信部下发文件显示：2020年,中国生产水泥高达23.8 亿t,连续35 年位居世界第一,在未来城市整改,拆除老旧小区也将产生更多的废弃混凝土堆积材料,使用废弃混凝土等再生粗骨料制备植生型生态混凝土将会成为趋势。为促进人类可持续性发展,解决生态环境问题,生态混凝土应用在河道护岸、湿地保护、城市环境改造是非常有必要的。

1 生态混凝土区分

1.1 生态混凝土概念

究其生态混凝土本质,就是通过现有的科技水平,采用高性能添加剂以及特殊的工艺,制造出能减轻环境负荷,提高生态混凝土与生态环境的相容性,改善局部生态环境的混凝土。

1.2 生态混凝土分类

生态混凝土分成环境友好型生态混凝土和生物相容型生态混凝土。环境友好型混凝土能够减轻环境负荷,生物相容性生态混凝土能够促进植物、动物和谐共生。本文主要探讨植生型生态混凝土,所以除去了非多孔结构生态混凝土,大致分为以下几类,见图1。

图1 多孔生态混凝土分类

1.3 植生型生态混凝土

植生型生态混凝土属于生物相容混凝土,它是建立在混凝土之上的一种特有功能的多孔混凝土,所以植生型生态混凝土是建立在多孔生态混凝土研究基础之上的。其次,为满足其独特的植生性能,其骨料粒径、孔隙率、透水率、酸碱度等都要满足植物生长条件,使植物根本能够顺利穿过生态混凝土内部,植生在土壤里,达到固土、防洪、护坡等作用。

2 植生型生态混凝土研究现状

2.1 孔隙率选取

对于植生型生态混凝土来说,控制孔隙率是为了使植物能够顺利植根于土壤,并且一定程度上可以控制强度[12]。以下列举部分研究近况,以此来初步选择植生型混凝土的孔隙率。

孙嘉卿[13]等发现抗压强度随着孔隙率的升高而降低,且主要的强度降低发生在孔隙率为30%之前。高建明[14]等认为连续孔隙率低于20%时,植物难以生存。颜小波[15]发25%～27%孔隙率进行工程应用有良好效果。江辉[16]等从实验中得到：适量的添加砂,可以满足孔隙率,强度以及植生性能的效果。Haiyan Ma et al.[17]发现在生态混凝土中加入足够的膏体作为骨料间大尺寸空隙的填料,可以降低空隙率。目前孔隙率的研究还是以日本护岸工法为基础,对于植生混凝土孔隙率在21%～30%[2]。过去的研究者拓宽了孔隙率控制的技术和方法,使其稳定在这个区间上。比如：适当调整水泥、砂用量,优化配合比；合理选择骨料粒径；或者加入膏体缩小植生型生态混凝土孔隙内体积,以此来达到控制孔隙率的目的。

2.2 降碱技术现状

大多数植物的不适宜在pH＞9和pH＜2.5环境下生长,而水泥水化反应呈高碱性（（CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+ H20）,且pH高达12）不适宜植物生长。

早先,日本就采用高炉B、C型水泥替代高碱性水泥,制备植生型生态混凝土,且pH值能维持在8～9,直到2016年也有用高炉矿渣替换水泥,使生态混凝土处在低碱环境[18]。但是在我国,使用这样的方法有很大阻碍,具体见下文经济性分析。目前降碱技术有加入酸性物质化学中和反应[19-20]；在生态混凝土表面进行防腐处理[21];碳化降碱[22-23]。目前存在问题也很多,比如：在工程应用中应该考虑生态混凝土中培养基是否会被水流带走,以至于影响植生性能以及孔隙内酸碱环境；对于生态混凝土的碱析出是动态过程,加入酸性物质中和,维持酸碱平衡并不稳定；单一的碳化降碱效果并不明显,需要结合其他降碱手段共同完成才能达到植物生长条件。

2.3 耐久性能

从混凝土耐久的含义而言,混凝土抵抗外界复杂环境,保持自身工作性能为耐久性。国内外研究生态混凝土耐久性表现在抗冻性、抗侵蚀、抗冲刷性能等,研究方式则采用长期浸泡、干湿循环、冻融循环等。

抗冻性是通过冻融循环次数以及生态混凝土的质量损失率和抗压强度损失率来评价[24-25]。抗侵蚀是通过干湿循环次数,然后通过测定侵蚀后生态混凝土的抗压强度,最后算得侵蚀系数[26]。抗冲性主要表现在受流体冲刷后,多孔生态混凝土质量损失率来表示[27]。研究多孔生态混凝土都有的共性表现在抗压强度与质量的损失率,所以要提高耐久性能,需建立一个抗压强度与质量最低损失率标准,通过改善水泥品质、外掺高效外加剂、替代部分水泥、优化配合比、对多孔生态混凝土表面处理来保护内部结构,不断提高最低损失率,为未来制定标准做铺垫。

3 生态混凝土未来发展分析

3.1 经济性

成本决定着推广应用的难度,植生型生态混凝土与素混凝土水泥用量不同,成本肯定有所差异,而通常情况下,植生型生态混凝土的水灰在0.3 左右[9],混凝土的水灰比在0.4～0.6,且植生型生态混凝土为多孔结构,一般不用掺砂,整体需要泥浆包裹的体积少,需水量少,根本上决定了植生型生态混凝土水泥用量要小于混凝土,所需成本就大大降低。对于工业废渣替代水泥的生态混凝土而言,工业废渣替代水泥可高达60%[18],减少了水泥使用量,但对于大面积施工来说,存在很大的问题,一是没有相关规范,二是即使充分搅拌,也无法保证每个施工区域混凝土中,工业废渣替代水泥的替代率能维持在一个稳定区间,这使构件工作性能得不到保障。所以当下只能利用废弃混凝土、砖、瓦等再生粗骨料、其他低成本粗骨料制备生态混凝土,或者寻找更有效代替水泥的方法等制备生态混凝土,并且提高机械化水平,优化施工工艺这样才会节约更多的成本。未来应该研究工业废渣替代水泥在施工、运输过程中,出现的水泥与工业废渣混合不均匀,早日克服这种不均匀性。

3.2 能源消耗

由国际能源署（IEA）数据,中国水泥产出占全球55%以上；2016年水泥生产能源耗能越3.2 亿t,约占全国能耗7.5%,且逐年增长,要维持可持续性发展,从2018年起到2030 年,全球水泥直接生产的CO2强度必须每年下降0.8%。就中国而言,必须加快推动产业转型、调整能源结构、节能减排、推动生态发展,所以应尽早实现硬化护坡、护岸的转变,采用植生型生态混凝土护坡、护岸,从根本上直接减少水泥用量,减少能源消耗。

所以,发展植生型生态混凝土是非常有必要的。而我国许多研究者只关心其他国家植生型生态混凝土的研究进展,忽略了国家发展形势所带来的影响,这对后续研究者造成信息收集不准确、研究目的不明朗、研究缺乏动力,所以在未来研究中,应多思考国家战略发展政策,以此来改进植生型生态混凝土的功能和发展方向。

3.3 体系化

应尽快实现植生型生态混凝土的体系化研究,单一化的研究无法看出植生型生态混凝土的工程上缺陷,而对于植生型生态混凝土体系的形成是需要大量实践的,时间、人力、物力、财力消耗也是一大困难。解决单一化与体系化的矛盾需要国家重视,政策引导,企业扶持,只有早日形成体系化研究,及时发现体系化过程中存在的问题,才能够更好地改善并应用于海绵城市的生态建设,并对未来推出行业标准、制定植生型生态混凝土的相关规范有举足轻重的作用。

4 结语

本文主要总结了孔隙率、降碱技术、耐久性能的研究现状。分析了国家发展方向以及形势,说明植生型生态混凝土发展的必要性。由于植生型生态混凝土具有与环境兼容的特性,并且在护岸和护坡,水质净化等领域有良好的应用前景,所以植生型生态混凝土是未来保护生态的发展趋势。但是未来还有一些问题还有待解决：（1）植生型生态混凝土为多孔结构,又是脆性材料,而应力集中现象造成的脆性破坏毫无征兆。所以,应该考虑应力集中的影响,设置其对生态混凝土破坏的安全值,防止工程应用出现脆性破坏。（2）目前,我国使用的大多是普通硅酸盐水泥,这使得植生型生态混凝土内环境呈高碱性,不适宜植物生长。所以,要培育出适应高碱性环境的植物；另一方面,采用高效的降碱技术,或者采用适合植物生长且经济的中性或低碱材料替代部分水泥,以维持生态混凝土内部酸碱度。（3）生态混凝土会出现石子脱落情况,会造成强度得不到保证,造成结构失效,这是骨料未与浆体充分粘合导致的,未来可以研发更高效的添加剂使其充分粘合,或者改良制备工艺,优化配合比。