植生型生態混凝土趨勢研究

龐致遠，彭玉林，趙 楊

（云南農業大學水利學院,云南 昆明 650201）

0 引言

從1993年,日本推出植生混凝土技術[1]；2001 年,日本編制《多孔植被混凝土河川護岸工法》推進了生態混凝土的應用和發展[2],到今天,研究、發展已有20 多年。應該指出的是,植生型生態混凝土在許多方面仍然存在缺陷。比如,植生型生態混凝土自身強度低,無法作為承重結構,這一點就使得在許多工程應用上受到限制。與素混凝土相比,由于植生型生態混凝土自身結構內部和表面骨料不平整,受力分散,一旦出現裂縫,結構強度就得不到保障,引起結構失效。而且,植生型生態混凝土還受周遭環境、種物、水泥堿度等影響。當然,植生型生態混凝土既然能被研究,自然有他的優勢。從最新研究表明：植生型生態混凝土不僅可以降低降雨徑流量,還可以減小熱島效應[3]；因為其獨特的孔隙,在降噪方面也有優勢[4]；在濕地保護,河道護岸中具有凈化水質,去污除雜功能[5-9]；在施工方法、植物生長性能等也有相關研究,婁可可[10]等通過CT掃描法研究生態混凝土最佳成型方式,探討施工技術難點；馬秋娟[11]等發現當粗骨料粒徑為15 mm～20 mm、水膠比為0.28～0.30 時,最適宜植物生長。

目前,我國還處在研究初級階段,力學性能、植生性能的規律還在探索中,應用也不廣泛,施工經驗也很缺乏。經濟上,許多低效益、高耗能水泥企業在推進供給側轉型,這必然導致水泥價格上漲,植生型生態混凝土的成本增加,但是可以通過政府引導,刺激企業創新,利用工業廢渣替代部分水泥制備生態混凝土,促進物質循環利用；同時,提高工業廢渣利用率,降低工業廢渣處理成本,進一步節約能源和降低成本。政策上,由《“十三五”節能減排中和工作方案》和《工業綠色發展規劃（2016-2020）》指導下,節能減排是當今,也是未來的首要任務。工信部下發文件顯示：2020年,中國生產水泥高達23.8 億t,連續35 年位居世界第一,在未來城市整改,拆除老舊小區也將產生更多的廢棄混凝土堆積材料,使用廢棄混凝土等再生粗骨料制備植生型生態混凝土將會成為趨勢。為促進人類可持續性發展,解決生態環境問題,生態混凝土應用在河道護岸、濕地保護、城市環境改造是非常有必要的。

1 生態混凝土區分

1.1 生態混凝土概念

究其生態混凝土本質,就是通過現有的科技水平,采用高性能添加劑以及特殊的工藝,制造出能減輕環境負荷,提高生態混凝土與生態環境的相容性,改善局部生態環境的混凝土。

1.2 生態混凝土分類

生態混凝土分成環境友好型生態混凝土和生物相容型生態混凝土。環境友好型混凝土能夠減輕環境負荷,生物相容性生態混凝土能夠促進植物、動物和諧共生。本文主要探討植生型生態混凝土,所以除去了非多孔結構生態混凝土,大致分為以下幾類,見圖1。

圖1 多孔生態混凝土分類

1.3 植生型生態混凝土

植生型生態混凝土屬于生物相容混凝土,它是建立在混凝土之上的一種特有功能的多孔混凝土,所以植生型生態混凝土是建立在多孔生態混凝土研究基礎之上的。其次,為滿足其獨特的植生性能,其骨料粒徑、孔隙率、透水率、酸堿度等都要滿足植物生長條件,使植物根本能夠順利穿過生態混凝土內部,植生在土壤里,達到固土、防洪、護坡等作用。

2 植生型生態混凝土研究現狀

2.1 孔隙率選取

對于植生型生態混凝土來說,控制孔隙率是為了使植物能夠順利植根于土壤,并且一定程度上可以控制強度[12]。以下列舉部分研究近況,以此來初步選擇植生型混凝土的孔隙率。

孫嘉卿[13]等發現抗壓強度隨著孔隙率的升高而降低,且主要的強度降低發生在孔隙率為30%之前。高建明[14]等認為連續孔隙率低于20%時,植物難以生存。顏小波[15]發25%～27%孔隙率進行工程應用有良好效果。江輝[16]等從實驗中得到：適量的添加砂,可以滿足孔隙率,強度以及植生性能的效果。Haiyan Ma et al.[17]發現在生態混凝土中加入足夠的膏體作為骨料間大尺寸空隙的填料,可以降低空隙率。目前孔隙率的研究還是以日本護岸工法為基礎,對于植生混凝土孔隙率在21%～30%[2]。過去的研究者拓寬了孔隙率控制的技術和方法,使其穩定在這個區間上。比如：適當調整水泥、砂用量,優化配合比；合理選擇骨料粒徑；或者加入膏體縮小植生型生態混凝土孔隙內體積,以此來達到控制孔隙率的目的。

2.2 降堿技術現狀

大多數植物的不適宜在pH＞9和pH＜2.5環境下生長,而水泥水化反應呈高堿性（（CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+ H20）,且pH高達12）不適宜植物生長。

早先,日本就采用高爐B、C型水泥替代高堿性水泥,制備植生型生態混凝土,且pH值能維持在8～9,直到2016年也有用高爐礦渣替換水泥,使生態混凝土處在低堿環境[18]。但是在我國,使用這樣的方法有很大阻礙,具體見下文經濟性分析。目前降堿技術有加入酸性物質化學中和反應[19-20]；在生態混凝土表面進行防腐處理[21];碳化降堿[22-23]。目前存在問題也很多,比如：在工程應用中應該考慮生態混凝土中培養基是否會被水流帶走,以至于影響植生性能以及孔隙內酸堿環境；對于生態混凝土的堿析出是動態過程,加入酸性物質中和,維持酸堿平衡并不穩定；單一的碳化降堿效果并不明顯,需要結合其他降堿手段共同完成才能達到植物生長條件。

2.3 耐久性能

從混凝土耐久的含義而言,混凝土抵抗外界復雜環境,保持自身工作性能為耐久性。國內外研究生態混凝土耐久性表現在抗凍性、抗侵蝕、抗沖刷性能等,研究方式則采用長期浸泡、干濕循環、凍融循環等。

抗凍性是通過凍融循環次數以及生態混凝土的質量損失率和抗壓強度損失率來評價[24-25]?？骨治g是通過干濕循環次數,然后通過測定侵蝕后生態混凝土的抗壓強度,最后算得侵蝕系數[26]?？箾_性主要表現在受流體沖刷后,多孔生態混凝土質量損失率來表示[27]。研究多孔生態混凝土都有的共性表現在抗壓強度與質量的損失率,所以要提高耐久性能,需建立一個抗壓強度與質量最低損失率標準,通過改善水泥品質、外摻高效外加劑、替代部分水泥、優化配合比、對多孔生態混凝土表面處理來保護內部結構,不斷提高最低損失率,為未來制定標準做鋪墊。

3 生態混凝土未來發展分析

3.1 經濟性

成本決定著推廣應用的難度,植生型生態混凝土與素混凝土水泥用量不同,成本肯定有所差異,而通常情況下,植生型生態混凝土的水灰在0.3 左右[9],混凝土的水灰比在0.4～0.6,且植生型生態混凝土為多孔結構,一般不用摻砂,整體需要泥漿包裹的體積少,需水量少,根本上決定了植生型生態混凝土水泥用量要小于混凝土,所需成本就大大降低。對于工業廢渣替代水泥的生態混凝土而言,工業廢渣替代水泥可高達60%[18],減少了水泥使用量,但對于大面積施工來說,存在很大的問題,一是沒有相關規范,二是即使充分攪拌,也無法保證每個施工區域混凝土中,工業廢渣替代水泥的替代率能維持在一個穩定區間,這使構件工作性能得不到保障。所以當下只能利用廢棄混凝土、磚、瓦等再生粗骨料、其他低成本粗骨料制備生態混凝土,或者尋找更有效代替水泥的方法等制備生態混凝土,并且提高機械化水平,優化施工工藝這樣才會節約更多的成本。未來應該研究工業廢渣替代水泥在施工、運輸過程中,出現的水泥與工業廢渣混合不均勻,早日克服這種不均勻性。

3.2 能源消耗

由國際能源署（IEA）數據,中國水泥產出占全球55%以上；2016年水泥生產能源耗能越3.2 億t,約占全國能耗7.5%,且逐年增長,要維持可持續性發展,從2018年起到2030 年,全球水泥直接生產的CO2強度必須每年下降0.8%。就中國而言,必須加快推動產業轉型、調整能源結構、節能減排、推動生態發展,所以應盡早實現硬化護坡、護岸的轉變,采用植生型生態混凝土護坡、護岸,從根本上直接減少水泥用量,減少能源消耗。

所以,發展植生型生態混凝土是非常有必要的。而我國許多研究者只關心其他國家植生型生態混凝土的研究進展,忽略了國家發展形勢所帶來的影響,這對后續研究者造成信息收集不準確、研究目的不明朗、研究缺乏動力,所以在未來研究中,應多思考國家戰略發展政策,以此來改進植生型生態混凝土的功能和發展方向。

3.3 體系化

應盡快實現植生型生態混凝土的體系化研究,單一化的研究無法看出植生型生態混凝土的工程上缺陷,而對于植生型生態混凝土體系的形成是需要大量實踐的,時間、人力、物力、財力消耗也是一大困難。解決單一化與體系化的矛盾需要國家重視,政策引導,企業扶持,只有早日形成體系化研究,及時發現體系化過程中存在的問題,才能夠更好地改善并應用于海綿城市的生態建設,并對未來推出行業標準、制定植生型生態混凝土的相關規范有舉足輕重的作用。

4 結語

本文主要總結了孔隙率、降堿技術、耐久性能的研究現狀。分析了國家發展方向以及形勢,說明植生型生態混凝土發展的必要性。由于植生型生態混凝土具有與環境兼容的特性,并且在護岸和護坡,水質凈化等領域有良好的應用前景,所以植生型生態混凝土是未來保護生態的發展趨勢。但是未來還有一些問題還有待解決：（1）植生型生態混凝土為多孔結構,又是脆性材料,而應力集中現象造成的脆性破壞毫無征兆。所以,應該考慮應力集中的影響,設置其對生態混凝土破壞的安全值,防止工程應用出現脆性破壞。（2）目前,我國使用的大多是普通硅酸鹽水泥,這使得植生型生態混凝土內環境呈高堿性,不適宜植物生長。所以,要培育出適應高堿性環境的植物；另一方面,采用高效的降堿技術,或者采用適合植物生長且經濟的中性或低堿材料替代部分水泥,以維持生態混凝土內部酸堿度。（3）生態混凝土會出現石子脫落情況,會造成強度得不到保證,造成結構失效,這是骨料未與漿體充分粘合導致的,未來可以研發更高效的添加劑使其充分粘合,或者改良制備工藝,優化配合比。