植生混凝土的降碱技术及种植效果研究.pdf

2 0 1 3 年 第 7 期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mbe r 7 i n 2 0 1 3 ( To t a 1 No2 8 5) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHN0L0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 4 4 植生混凝土的降碱技术及种植效果研究 廖文字 ，石宪 ，黄泽峰 ，崔宏志 ( 深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 5 1 8 0 0 0 ) 摘要 ： 添加外加剂降碱的技术具有方便易行的特点 ， 碳化对植生混凝土具有降碱和增加强度的作用。 利用 X R D分析添加一 种外加剂后的水泥净浆试块中的碱性变化情况和对植生混凝土强度的影响情况 ， 还采用了实地模拟试验研究碳化处理技术的实 际降碱效果 。 试验结果表明， 所使用的外加剂具有降低植生混凝土内部碱性的作用 ， 并且在外加剂含量为 5 6 之间时 ， 不仅起 到降碱作用 ， 还能很好地提高植生混凝土的强度。 在实地模拟试验 中， 碳化的降碱效果好 ， 对植生混凝土的强度也有小幅增强作 用。 碳化植生混凝土的进一步研究和研究降碱外加剂的作用机理打下基础。 关键词 ： 植生混凝土；降碱 ；强度 ；快速碳化 ；外加剂 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 一 叭5 5 0 4 St u d y o n d e c r e a s i n g a l k a l i n i t y o f p l a n t i n g c o n c r e t e a n d t h e r e s u l t i n g p l a n t i n g e ffe c t LI AO We n yu， SHI Xi a n， HUANG Ze f e n g， CUIHo n g z h i ( De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g， S h e n z h e nUn i v e r s i t y ， S h e n z h e n 5 1 8 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h et e c h n o l o g yo f a d d i n g a d d i t i v ei n t o c e me n t p a s t e ， wh i c hi s c h a r a c t e r i z e d b y c o n v e n i e n c e a n d e a s y ， c a nd e c r e a s e a l k a l i n i t y e f f e c t i v e l y Me a n wh i l e ， c a r b o n a t i o n i s s u i t a b l e f o r d e c r e a s i n g a l k a l i n i ty a n d i n c r e a s i n g s t r e n g t h o f p l a n t i n g c o n c r e t e I n t h i s r e s e a r c h ， XR D t e s t e r wa s u s e d t o s t u d y t h e c h a n g e o ft he a l k a l i n i t y a n d s t r e n g t h o ft he c e me n t c u bi c s a mpl e s I t o bs e r v e d t h e p e r f o r ma nc e of pl a n t i ng c o n - c r e t e t r e a t e d b y a c c e l e r a t e d c a r bo n ati o n， s i mul a t i ng t h e s ma l l s c a l e fie l d o f pl a n t i n g c o n c r e t e Th e r e s ul t s i n di c a t e d t h a t the a d d i t i v e u s e d i n t he r e s e a r c h wa s u s e f ul t o d e c r e a s e a l k a l i ni t y o f i nt e r i o r po r e wa t e r o f c e me nt s a mp l e s a nd 5-6 a d d i t i v e a d de d t o the c e me n t s a mpl e s c o u l d a l s o i n c r e a s e t h e i r s t r e n g t h g r e atl y S e c o n d l y， c a r b o n a t i o n c o u l d d e c r e a s e the a l k a l i n i t y a n d i n c r e a s e d the s t r e n gth o f p l a n t i n g c o n c r e t e s l i g h t l y Th i s r e s e a r c h e s t a bl i s he d the g o od b a s i s f o r the f u r t h e r s tud y o f c a r b o ni z e d pl an t i n g c o n c r e t e a n d the me c h a n i s m o f a c t i o n of a d di t i v e for d e c r e a s i n g a l k a l i n i ty o f c o n c r e t e Ke y w or ds： pl a n t i n g c o n c r e t e； d e c r e a s i n g a l ka l i n i t y； s tre ng t h； a c c e l e r a t e d c arb o nati o n； a d d i t i v e 0 引 言 用 硅酸盐水泥生产 的混凝土是 现代社 会常用 的建筑 材料 ， 目前城市表面 8 0 以上的面积被建筑物和混凝土路 面覆盖 。 这种密实结构 的混凝土质地脆硬 ， 表面粗糙 ， 触觉 效果差 ， 给人 以粗 、 硬 、 冷 、 暗的感 觉 ， 所 以绝大多数混凝土 结构 的表面都要使用装修与装饰 材料 。 同时该混凝 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， 形成所谓 的“ 热 岛效应 ” ， 而且雨水长期不能渗人地下， 造成城市地下水位下降， 影响 地表植物的生长 ， 绿色面积减少 ， 生态系统失调。 植生混凝 土( P l a n t i n g C o n c r e t e ) 又称作绿 化混凝 土或 生态混凝土 ， 它是一种能让植物直接在上面生长 的环境友 好型特种混凝土 ， 同时也是一种将植物引入到混凝土结构 中的技术。 植生混凝土以多孔混凝土为骨架 ， 通过往多孔混 凝土内的大量连通孔隙填充能为植物提供生 长所需营养 、 水分的适生材料 ， 保证植物根系在多孔混凝土孔隙内生长 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 1 0 3 延伸 ， 最终连成一体 。 植生型混凝土之所以能在一些工程中 得到很好的应用 ， 以下几个特点非 常重要 11 ： ( 1 ) 植生混凝土有着较高的强度和较好 的耐久性 ， 而 且能象土壤一样种植多种植物。 ( 2 ) 保水保肥的种植基必不可少 。 ( 3 ) 植生混凝土可 以预制 ， 能有效地缩短工期 ， 又可根 据不 同的坡面实际情况进行现场浇筑。 植生混凝土可大量用于城 市休 闲绿地 、 停车场 、 屋顶 花 园等 ， 大幅增加城市 的绿化面积 ， 改善城市 的生态环境 ； 还可用于高速公路的护坡 、 江河的护堤 ， 既能固土 ， 又能改 善生态环境 ； 进一步开发 ， 可用于沙漠 固沙 ， 为沙漠改造提 供新 的途径 。 因此 ， 植生混凝土在涵养水土 、 边坡绿化 、 观 赏装饰 、 防灾减灾和人类保健等环保 、 生态平衡方面具有 广 阔的应用前景 。 普通混凝土组成材料之一 的水泥在水化时 ， 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， p H 值 高达 1 2 1 3 ， 不利于地表植物和港湾混凝土工程附近的水 中 1 5 5 生物生长【2 l 。 南京工业大学奚新国等进 行了低碱度生态混 凝土的初步研究 ， 以粉煤灰为主要原材料配制低碱度生态 多孑 L 混凝土， 在试验室内所配制 的多孔混凝土 9 0 d p H值为 9 0 1 0 5 ， 孔隙率为 2 7 7 4 ， 9 0 d 抗压强度在 0 7 2 1 7 0 MP a 之间3 _ 。 扬州大学徐 飞等进行 了无砂多孔混凝 土配合 比研 究 ， 引入无砂多孑 L 混凝 土拌合物稠度等级 的概念 ， 提出了 无砂多孔混凝土配合比设计优化方法 ， 所配制多孔混凝土 2 8 d 抗压强度在 6 4 1 2 6 MP a 之间 。 重庆交 通科研设 计 院魏涛等研制出一种结合圬工 防护与生态 防护 的植被混 凝土公路护坡技术 ， 在多孔混凝土 ( 抗压强度为 7 0 l l e a ， 抗折强度为 1 7 MP a ， 平均孔 隙率为 2 9 6 ) 护坡上种植草 坪植物， 达到了绿化公路的效果5 。 据文献 6 ， 经过对孔隙 内碱性水环境 的形成与表现形式 的试验 与分析 ，结合化 学 、 物理 、 农艺 、 结构 、 土壤化学 、 生物化学等方式 ， 提 出了 元素形态转变 、 离子动态平衡 、 分子筛效应等理论 ， 采用 自 制 的改性剂等十几种方法 ， 不仅使硅 酸盐水泥绿化混凝 土 孔 隙内水环境的 p H值为 7 7 5 ， 而且增加了缓 冲容量 ， 将 有害元素转化 为有利于植物生长和提高混凝 土耐久性 的 材料 。 目前 ， 植生混凝土研 究中存 在的主要 问题是 ， 在现 有 的技术 中 ， 经 降碱处理后 ， 植生混凝土的力学强度等物理 力学性能相 比普通 的多孔混凝土有不同程度的降低。 因此， 本研究着力于植生混凝土降碱技术的探究 ， 目 的是在不降低多孔混凝土的强度 的基础上 ， 使制得的植生 混凝土的孑 L 隙内环境 的碱性降低 。 采用添加外加剂的方式 降碱是相对比较简单方便的技术 ； 碳化虽然会降低钢筋混 凝土的耐久性 ， 但是却对素混凝土不仅有降碱 的作用而且 有增加强度的作用 ， 而植生混凝土不需要配制钢筋 ， 又要求 孑 L 隙 内部呈低碱性 ， 因此 ， 利用碳 化技术对植生混凝土进 行降碱具有理论可行性 ， 但 目前暂未见到国内外有相关研 究报道。 所以 ， 本研究 的主要 内容包括 ： ( 1 ) 研究一种外加剂 的降碱效果和对植生混凝土强度 的影响。 ( 2 ) 采用实地模拟试验研究快速碳化处理植生混凝 土 的降碱技术 的实际效果 ； 同时 ， 研究该技术对植 生混凝 土 强度的影响 。 本研究 的技术路线见图 1 。 图 1 本研究的技术路线 1 试验材料与 方法 1 1 试验材料和仪 器 水泥 ： P O4 2 5 R级水泥。 粗骨料 ： 单一粒径级配为 1 4 1 9 mm的石灰岩碎石。 外加剂 ： 一种 降低碱 含量的试剂。 1 5 6 测 p H值 的化学试剂 ： 酚酞试剂。 测试仪器 ： 万能压力试验机 ， X R D测试仪 D X 一 2 5 0 0 。 1 2试 验 方 法 1 2 1 制备水泥净浆试块 按表 1 中的水泥净浆试块配合比， 取水灰比W C = 0 。3 5 ， 制备尺寸 为 1 0 0 m mx l 0 0 mmx l 0 0 m m 的水泥净浆试块 ， 2 4 h以后脱模放人标准养护室 中进行养护。 表 1 水泥净浆试块配合比 外加剂含量 水泥用量 g水用量 儋 外加剂用量 儋 数量 块 1 2 2 制备植生混凝土 本研究中采用“ 造壳法” 啊 来制备植生混凝土， 具体为： 在粗骨料中加入预拌水 ， 搅拌使碎石表面湿润后再加入水 泥， 搅拌约 3 0 S ， 使碎石表面均匀包裹上一层水泥浆壳； 再 加入剩余的拌和水继续搅拌约3 ra i n ， 使碎石表面水泥浆壳 变厚变均匀。 然后将拌合料分三次浇筑到 1 0 0 mm x l 0 0 mm x 1 0 0 m m模上， 每一层压平压实 ， 轻度震荡以减少粒间距离 ， 使植生混凝土的组织结构更加密实和稳定。 浇筑成型 2 4 h 后放人标准养护室进行养护。 植生混凝土配合比见表 2 。 表 2 植 生混凝 土 配合 比 |c 灰骨 骨料粒径 设计连续 混凝土配合比 ( k g m ) 试块数量 比 m m 孑 L 隙率 水 水泥 石子 块 0 3 027 l 4 l 9 2 0 l 5 0 5 00 1 8 5 0 1 6x 2 1 2 3 测试方法 ( 1 ) 外加 剂含量为 0 、 2 、 4 、 6 、 1 0 的水泥净浆试 块各制备三个试块， 在标准养护时间分别为 4 、 7 、 1 5 d时， 从 标 准养护室里各取 出一个试块 ， 烘干 、 敲成小碎块并研 磨 成粉末状后 ， 制成试样进行 X R D测试。 ( 2 ) 将 3 2 个植生混凝土试块进行标准养护 2 8 d 以后取 出， 均分成两组后分别进行处理然后用于实地模拟试验 。 分组处理 ： 一组烘干后 放入快 速碳化箱 ( 二氧化碳浓 度 ： ( 2 0 _+ 3 ) ； 控制温度 ： ( 2 0 -+ 1 ) ； 控制湿度 ： ( 7 0 _+ 5 ) 中 两个月 ， 一组不做处理。 实地模拟试验： 通过灌注泥浆的方式使得植生混凝土 的孔隙内部充满土壤 ， 然后分别摆放在 7 0 0 minx 7 0 0 mmx 1 5 m 1 n的两个木箱 中 ， 再在混凝土上面进行覆土 ， 覆土的 厚度为 1 2 n l i n 。 最后 ， 在土壤中播 种百喜 草 ， 观察植物生 长情况并记录。 2 试验 结果 与分析 2 1 外加剂的降碱效果研究 2 1 1 水泥净浆试块 X R D测试结果与分析 本研究通过对水泥净浆试块进行 X R D 测试来观测 的 试块中 C a ( O H) ： 的含量来研究试块内部孑 L 隙水的碱性情况。 X R D测试 曲线上标有强度值的峰对应 的矿物为 C a ( O H) ， 峰的强度值的反映 出试样 中 C a ( O H) ： 含量大小。 水 泥净浆 试块 的 X R D测试曲线如图 2 4 所示。 2 0， ( 。 ) 图 2 养护时间为 4 d的试块的 X R D测试 曲线 2 0， ( ) 图 4 养护时间为 1 5 d的试块 的 X R D测试 曲线 表 3 为 C a ( O H) ： 对应的所有峰的峰值求和得到的 ， X R D 测试曲线上对应矿物为 C a ( O H) 。 的所有峰的强度值的之 和侧 面反映出试样 中 C a ( O H) 含量大小 。 表 3 显示 在标准 养护的 1 5 d内 ， 外加剂含量为 0的普通试块碱性增强 ， 而 2 、 4 、 6 、 1 O 的试块 的碱性均减弱。 表 3 C a ( OH ) 对应的所有峰的峰值总和 不同外加剂含量的水泥净浆碱含量变化曲线 ， 从图中可 以看 出， 外加剂含量为 0的普通试块的碱性前期增长后趋于 稳定 ， 而添加了外加剂的试块的碱性表现为初始碱性较强 ， 但随着养护时间而逐渐递减 ， 并且外加剂含量为 2 6 的 试块 在 1 5 d之后 的碱性 都明显 比普通 的试 块 的碱 性低 ， 碱性降低的幅度最大的是外加剂含量为 2 的试块， 可达 2 3 。 说 明该外加剂可以快速 降低初始状态 中 c a ( 0 H) 的 含量 ， 且 添加 了外加剂的植生混凝土的碱性在 1 5 d 后普遍 低 于普通试块 。 另外 ， 当养护时间相 同时 ， 随着外加剂含量 的增加 ， 试块 的碱性呈现 出先减小后增 加的趋势 ， 其 中在 外加剂含量为 1 0 的试块在 1 5 d 的养护时间内 ， 碱性会一 直大于普通混凝土。 因此， 外加剂的含量控制在 2 6 对 混凝土试块的降碱效果较好。 通过本研究的实际应用可知， 直接添加降低碱含量的 外加剂是一种较为简单方便的措施 ， 但掺加的外加剂的具 体含量应通过试验的方式来确定 。 2 1 2 水泥净浆试块强度测试结果与分析 由表 4可知 ， 当外加剂含量为 2 和 4 时 ， 强度 比普 通 的要低 ， 其 中含量为 4 的强度值最低 ， 为 1 9 8 MP a ； 当 外加剂含量为 6 时， 强度有大幅度的增长， 高于普通试块 的强度 ； 当外加剂含量为 1 0 时， 强度最 大 ， 比不掺外加剂 的普通试块的强度要高 7 0 。 结合 图 7可知 ， 外加剂含量 为 4 时， 强度降到最低 ， 碱性也降到最低 ， 可推测外加剂 对水泥净浆试块早期强度可能有抑制作用 ， 阻碍了水泥水 化反应。 表 4 水泥净浆试块 2 8 d强度 外加剂含量 试块 2 8 d强度值 MP a 0 2 4 6 1 O 3 0 0 20 _ 3 1 9 8 4 0 3 5 2_ 3 当外加剂含量在 2 - -4 时 ， 强度比普通 的要低 ； 当外 加剂含量为 4 6 时， 强度有大 幅度 的增长 ； 之后强度增 速减缓 ； 且 由表 4可知当外加剂含量在 5 1 0 之 间时 ， 试块的强度要大于普通试块的强度 。 因此 ， 外加剂含量为 5 6 时 ， 不仅可 以使得植 生混 凝土的碱度降低 ， 还能提高其强度 。 2 2 碳化 处理 的降碱 技术研 究 2 2 1 普通多孔混凝土 种植在普通多孔混凝土上表 面的植物的生长情况如 图 5所示。 由图 5 可知 ， 播种后 1 周 ， 植物 生长正常 ； 第 3周 ， 植 物有枯萎的迹象； 第 5 周， 植物几乎死亡 ； 但在第 l 0 周 ， 混 凝土 的周 围土体里或混凝土块空隙间有较多杂草生长起 来 ， 而混凝土正上方 的土体 ， 植物无法生长 ， 说 明混凝 土孔 隙 内部填充 的土壤 的碱性 比周 围的土壤 的碱性要强上许 多 ， 不适合植物 的生长。 2 2 2 碳化植生混凝土 在快速碳化箱 中放置两个月后 的植生混凝 土试块表 面形成 了一层碳化层 ， 在试块表面喷酚酞试 剂 ， 酚酞试剂 没有变色， 说明碳化植生混凝土表面p H值小于 8 2 。 种植在碳化混凝土 匕 表面的植物的生长隋况如图 6 。 由图 6 可知 ， 碳化植生混凝 土上 的植物在前 3 周植物 生长速度最快 ， 在第 3 周到第 5 周之间生长速度相对较慢 ， 但在第 1 0 周 ， 植物生长态势依然 良好 ， 说明植 生混凝土碳 1 5 7