多孔植被混凝土的制備工藝

石從黎，譚免志，宋開偉，孫棟梁

(1. 重慶市建筑科學研究院，重慶400015；2. 新興棧（重慶）建材有限公司，重慶400020；3. 西卡（中國）建筑材料有限公司，重慶400020)

1 引言

多孔植被混凝土起源于日本，由多孔混凝土和植生基材（人工土壤）兩部分組成（見圖1），其中多孔混凝土是由粗骨料表面包覆一層膠結材料漿體相互粘結成的,含有大量孔隙的,蜂窩狀結構的混凝土，植生基材由土壤、粉煤灰、肥料、保水劑等組成。其主要特點是在具有工程防護性能的同時，還具有適合植物生長、恢復和保護環境、改善生態條件等功能，具有顯著的生態效果[1]。

目前，日本應用這種技術已經有數百個工程實例，廣泛用來構筑堤壩、河岸、公路邊坡等[2]。國內對多孔植被混凝土的研究與應用還處于起步階段，應用工程不多，技術也不成熟，更沒有系統、全面和合理的制備工藝，因此，提出一套系統全面、切實可行的多孔植被混凝土制備工藝是十分必要的。

2 原材料選擇

2.1 膠結材料的選擇

相比于其他膠結材料，水泥具有材料來源廣泛、價格便宜、不易老化、耐久性好、施工工藝簡單、易大規模生產等優點。因此，水泥是制備多孔混凝土最合適的膠凝材料，考慮到水泥強度對混凝土性能的影響以及水泥購買的方便性，多孔植被混凝土宜選擇P·O42.5或P·O42.5R水泥。

2.2 集料的選擇

多孔植被混凝土對于集料的選擇主要取決于孔隙率、孔徑大小和強度的要求。一方面，粒徑大、針片狀少且級配單一的集料，其孔隙率和孔徑較大；另一方面，粗集料強度及其針片狀含量也直接關系到制備的多孔植被混凝土的力學性能。為了能夠保證連通孔隙率滿足植被生長的要求，且使混凝土獲得足夠的強度，配制多孔植被混凝土的粗集料應選擇級配單一、粒徑較大、針片狀較少和母巖強度較高的粗集料。因此，制備多孔植被混凝土的粗集料應選擇玄武巖或石灰巖材質的碎石，級配宜為16.0～19.0mm 、19.0～26.5mm或26.5～31.5mm，針片狀含量控制在5%以內。

表1 不同攪拌工藝對比試驗結果

表2 振動和壓制復合成型結果

2.3 外加劑選擇

通過摻加減水劑的方法可以提高膠結材的強度，從而提高制備混凝土的力學性能；同時，為了保證多孔混凝土的成功成型，又必須保證膠結材漿體均勻以及具有足夠的粘度。因此，多孔植被混凝土在制備過程中應選用減水率較高且保水性好的減水劑，或是復合使用高效減水劑和保水劑。

2.4 植生基材的選擇

多孔植被混凝土的植生基材由土壤、粉煤灰、肥料、保水劑等組分構成，其中土壤應采集表面上長有植物的土樣，土樣在陰涼處晾干后，碾碎過4.75mm篩；粉煤灰采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級粉煤灰均可；肥料主要有磷酸二氫鉀、硫酸亞鐵和硼酸；草種宜選用根系發達的高羊茅。

3 配合比設計方法

多孔植被混凝土的配比設計思路，即以孔隙率為首要設計參數，然后根據所用材料的性質，確定出多孔混凝土的基本參數，再精確計算各原材料用量，具體步驟如下：

②水泥用量（MC）為：

③拌合水用量（Mw）為：

④外加劑用量按廠家推薦摻量計算。

式中：

a——為折減系數，是為了修正要求孔隙率與實際孔隙率的誤差而引入的系數，一般為0.98；

r——為粗集料的緊密堆積密度（kg/m3）；

rG——為粗集料的表觀密度（kg/m3）；

rJ——為膠結材漿體密度（kg/m3），參照標準JGJ70— 2009 《建筑砂漿基本性能試驗方法》 中密度試驗方法進行測定，測試的水灰比采用最佳水灰比。

4 施工工藝

4.1 攪拌工藝

常規的混凝土攪拌方法為一次投料攪拌，由于多孔混凝土在材料組成和結構上與普通混凝土有很大區別，一次投料攪拌會使攪拌機內的膠結材漿體包裹集料不完全，部分膠結材漿體成球狀或結成團塊，填充在集料之間的孔隙中，使得多孔混凝土在結構上不能形成很好的連續孔隙，從而影響了強度和連通孔隙率。因此，根據多孔混凝土的特點，其攪拌工藝宜采用裹漿法。

裹漿法攪拌過程分三步完成：首先，將全部粗集料和60%～80%的水，放入攪拌機中，攪拌1min，使粗集料表面得到有效清洗，并使粗集料表面石粉等雜質作為外摻料與膠結材漿體混為一體，有利于粗集料與膠結材漿體的粘結，避免形成強度低的粘結過渡帶；然后，加入50%～60%的水泥和全部外加劑，攪拌1～2min，使水泥和水形成流動性非常好的漿體，在粗集料之間起到潤滑作用，使粗集料避免因摩擦過大而擠碎，有利于攪拌，并能保證孔隙率；最后，將剩余的的水泥和拌合水加入攪拌機中，攪拌1～2min，使水泥與水形成流動度適宜的漿體，新拌膠結材漿體在機械攪拌的作用下，均勻包裹于粗集料表面，包裹了膠結材漿體的粗集料間相互以點、面接觸、粘結，使得多孔混凝土既保證了連通孔隙率，又能提高多孔混凝土的強度，還提高了結構整體穩定性。

通過與常規攪拌方法的對比試驗，結果見表1，說明采用裹漿法攪拌成型的多孔混凝土形成的連通孔隙率較大且強度較高。

4.2 成型工藝

施工現場對多孔混凝土的成型工藝的選擇直接影響到多孔混凝土的多項性能，通過對比振動法和壓制法兩種成型方法，可以發現，振動成型和壓制成型工藝都能使多孔混凝土達到一定的密實度，但試驗中發現這兩種方法均存在一定的問題。振動成型時多孔混凝土試件底部比較密實，而表面層集料在振動時跳動，并沒有充分密實；壓制成型時由于集料顆粒大，壓力只能使多孔混凝土試件表面密實，試件下層沒有密實而存在缺陷，從而影響多孔混凝土整體強度。所以，為了克服兩種成型方法的缺陷，在施工現場應選擇邊振動邊在表面施加壓力復合成型工藝。

通過試驗得出，試驗結果見表2，最佳的現場成型方法為振動20s，再施加0.1～0.15MPa壓力。由此法制備的多孔混凝土強度最高。

4.3 養護工藝

多孔混凝土與普通混凝土相比孔隙率要大的多，并且基本上為連續孔隙，新拌成型后拌合水更易蒸發損失，因此必須采取適當的養護方法和相應的措施才能保證多孔混凝土的強度正常發展。由于在施工現場養護條件有限，考慮采用塑料薄膜覆蓋多孔混凝土表面防止其內部水分過快的蒸發，并不定時在其表面灑少許水以保持多孔混凝土在早期階段表面的濕潤。此外，早期養護還應注意防止暴雨的沖刷，暴雨會導致集料外部漿體被雨水沖刷帶走，造成局部結構的薄弱。

4.4 植生工藝

首先，植物生長對堿度有一定要求（一般情況下土壤的pH值在3.5～9.5之間），由于多孔植被混凝土用普通硅酸鹽水泥作為膠結材，造成混凝土孔隙水環境的堿度太高（pH值＞12），不利于植物的生長。因此，必須對多孔混凝土的孔隙堿度進行改造。通過試驗發現，采用表面處理液對多孔混凝土進行處理，可以有效地阻止可溶性堿溶解于土壤中，使孔隙環境的pH值保持在一個較合理的范圍，滿足植物生長的要求。

其次，植生基材的鋪設在孔隙堿度改造完成后進行，植生基材分兩部分，一部分采用灌漿的方式灌入多孔混凝土孔隙中，另一部分則覆蓋在多孔混凝土表面，覆蓋厚度1～2mm，植被種子播入表面覆土層。

最后，播種完成后，為保證種子的正常發芽應進行必要的養護管理，在天氣炎熱干旱時應適當的灑水，保證植物根系的正常生長。灑水的同時注意觀察植物的生長發育狀況，若夜間溫度很低還應采取一些保溫措施，如用塑料薄膜覆蓋等。

表3 多孔混凝土配比

表4 植生基材組成配比 kg

5 工程應用

重慶某邊坡防護工程，坡腳設置漿砌條石護腳擋墻，墻頂高出相鄰地面4m；墻后邊坡按不小于1：0.75的坡比削坡穩定后采用多孔植被混凝土護坡，草種采用高羊茅和狗牙根混合播種。多孔混凝土和植生基材施工配比分別見表3和表4。

通過對植被生長情況的跟蹤監測，植被生長情況良好，120天后邊坡的綠化覆蓋率達到80%以上（見圖2和圖3），實現了邊坡防護和植被恢復的雙重效果。

圖2 施工前邊坡情況

圖3 施工120天后邊坡情況

6 結語

[1]王智,錢覺時,張朝輝,等.生態混凝土的應用研究及存在問題[C].2007高技術新材料產業發展研討會暨《材料導報》編委會年會論文集[A], 2007.

本文首先分析了制備多孔植被混凝土對原材料的要求，然后提出了適合多孔混凝土的配合比設計方法，接著探討了多孔植被混凝土的施工工藝，包括攪拌工藝、成型工藝、養護工藝和植生工藝。從而構成了一套完整全面的多孔植被混凝土制備工藝，并通過工程實例證明了該工藝是切實可行的，可為該類混凝土的制備提供參考，促進多孔植被混凝土的應用與推廣。

[2]張朝輝,多孔植被混凝土研究[D].碩士學位論文[A].重慶:重慶大學,2007.

[3]王智,錢覺時,張朝輝等.多孔混凝土配合比設計方法初探[J].重慶建筑大學學報,2008,30(3):121-124.

[4]王智,石從黎,錢覺時.多孔植被混凝土的耐久性研究[J].新型建筑材料,2009,(1):28-29

[5]石從黎,王智,張意.生態混凝土在城市建設中的應用[J].科學咨詢,2009(2):67-68