EPC 植生性能研究

馬琦，李潤(rùn)龍，許文星，胡胤波，黃禹銘

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

EPC 是一種由單一粒徑粗骨料，無(wú)砂或少量砂，塑性低的水泥基膠凝材料所組成，并且可以與植被共生的一種新型多孔性混凝土結(jié)構(gòu)材料，其性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是透氣、透水、開(kāi)口連通孔隙率高、強(qiáng)度較低等，并具有吸音降噪、除污凈水以及增強(qiáng)地面水分和熱交換、可以植生等多重功效[1-2]。在國(guó)家積極加強(qiáng)和推進(jìn)海綿城市建設(shè)中，EPC 對(duì)于恢復(fù)城市水生態(tài)、保護(hù)水資源，提高城市防洪能力，加強(qiáng)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，緩解城市熱島效應(yīng)，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展至關(guān)重要，EPC 具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

盡管EPC 有許多重要的好處，但植物的有效生長(zhǎng)仍然受到孔隙率的影響。EPC 的連通孔隙率越大，植物生長(zhǎng)的空間越大，植物生長(zhǎng)效果就越好，然而孔隙率越高，混凝土的強(qiáng)度就越低[3]，粗骨料的類(lèi)型、形狀尺寸和水灰比是影響EPC 物理力學(xué)性能的極大影響因素[4]。由于水泥的水化作用，EPC 的堿度很高，使其不能滿足植物生長(zhǎng)的需求[5]，因此，一些研究人員使用化學(xué)降堿來(lái)降低EPC 的堿度，例如，在EPC 上噴灑濃度為2%的過(guò)磷酸鈣溶液[6]，使其堿度降至8.15 左右達(dá)到植物正常生長(zhǎng)的需求。孔隙率對(duì)植物的生長(zhǎng)也起著重要作用，因?yàn)樗趾蜖I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以通過(guò)孔隙滲透進(jìn)去[7]。

在本研究中，使用三種單一級(jí)配（16~19mm、19~26mm、26~31mm）的粗骨料制備目標(biāo)孔隙率為30%的EPC，通過(guò)2%濃度的過(guò)磷酸鈣降溶液浸泡堿處理后，使其滿足黑麥草正常生長(zhǎng)的條件，觀測(cè)EPC 上黑麥草的生長(zhǎng)狀況，探明粗骨料粒徑對(duì)EPC 植生性能的影響規(guī)律，為我國(guó)海綿城市的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥。山東濰坊九七建材P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本性能如表1 所示。

表1 水泥基本性能

（2）骨料。湖南省長(zhǎng)沙市彭家灣建材店石灰?guī)r碎石，粗骨料基本性能如表2 所示。

表2 粗骨料基本性能

（3）減水劑。聚羧酸減水劑。

（4）降堿材料。過(guò)磷酸鈣。

1.2 EPC 配合比

生態(tài)多孔混凝土配合比如表3 所示。

表3 生態(tài)多孔混凝土配合比

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

EPC 的立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002），使用TYE-2000E 型壓力試驗(yàn)機(jī)。

1.3.2 堿度

使用浸取法測(cè)試滲濾液的pH 來(lái)評(píng)估EPC 的堿度。將28d 齡期的EPC 置于質(zhì)量比為1:1 的過(guò)磷酸鈣溶液中。24h 后將其取出烘干再置于質(zhì)量比為1:1 的蒸餾水中，隨后每隔24h 使用pH 計(jì)（pH-828+，東莞萬(wàn)創(chuàng)電子制品有限公司，中國(guó)廣州）測(cè)試pH。

1.3.3 地上生物量干重

將每塊EPC 表面植株部分用剪刀剪下，放入烘箱中100℃殺青20min，70℃烘干12h 后稱取干重。

1.3.4 地下生物量干重

將EPC 上表面殘余植物部分清除干凈，破碎掉EPC 后，用清水沖洗出孔隙內(nèi)根系，將根系放入烘箱中100℃殺青20min，70℃烘干12h 后稱取干重。

1.3.5 根系指標(biāo)

每盆取3 塊10cm×10cm 的草塊，用水沖洗分離出黑麥草植株，剪下根系，用EPSON（EXPRESSION 11000 XL）透視掃描儀在300DPI 的精度下對(duì)根系進(jìn)行掃描，采用WinRHIˉZO 軟件分析掃描圖像。

2 結(jié)果分析

2.1 過(guò)磷酸鈣對(duì)EPC 堿度的影響

圖1 為過(guò)磷酸鈣降堿變化趨勢(shì)，可知4 組EPC 的孔隙液pH 均呈現(xiàn)先上升再趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，其中空白組的pH 在第6d 趨于穩(wěn)定，其pH 為11.4；1%濃度的pH 在第6d 趨于穩(wěn)定，pH 為8.13；2%濃度的pH 在第4d 趨于穩(wěn)定，pH 為7.41；3%濃度的pH 在第3d 趨于穩(wěn)定，pH 為7.34。說(shuō)明過(guò)磷酸鈣溶液浸泡處理可有效降低EPC 的pH，這是因?yàn)檫^(guò)磷酸鈣中的磷酸二氫鈣與磷酸均可與EPC 中的可溶性堿發(fā)生反應(yīng)，降低了水溶液中的OH-濃度，并生成磷酸鈣沉淀，主要反應(yīng)如方程式（1）所示。

圖1 過(guò)磷酸鈣降堿變化趨勢(shì)

由于使用濃度為2%與3%的過(guò)磷酸鈣溶液處理EPC 時(shí)，其降堿效果相差不大，因此，在滿足EPC 強(qiáng)度要求的前提下，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，宜選用2%的過(guò)磷酸鈣溶液對(duì)EPC 進(jìn)行降堿處理。

2.2 粗骨料粒徑對(duì)EPC 抗壓強(qiáng)度的影響

表4 為粗骨料粒徑對(duì)EPC 有效孔隙率及抗壓強(qiáng)度的影響，可知粗骨料粒徑顯著影響了EPC 的有效孔隙率與抗壓強(qiáng)度，三種單一級(jí)配制備的EPC，其有效孔隙率與目標(biāo)孔隙率分別相差0.9%、1.4%，2.1%。EPC 抗壓強(qiáng)度隨著粗骨料粒徑的增加而減小。在經(jīng)過(guò)降堿處理后，抗壓強(qiáng)度均略有增加，其中由粒徑為16~19mm 的粗骨料制成的EPC，抗壓強(qiáng)度提高了0.2MPa；粒徑為19~26mm 的粗骨料制成的EPC，抗壓強(qiáng)度提高了0.1MPa，粒徑為26~31mm 的粗骨料制成的EPC，抗壓強(qiáng)度提高了0.1MPa。

表4 粗骨料粒徑對(duì)EPC 有效孔隙率及抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 EPC 對(duì)生物量的影響

表5 為黑麥草的生物量及根冠比，由此可知，當(dāng)粗骨料粒徑從16~19mm 增加至19~26mm 時(shí)，地上生物量干重由1.024g 增加至1.537g，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了50.09%、8.62%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了38.18%；地下生物量干重由0.968g 增加至1.833g，26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了89.36%、15.86%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了63.43%；根冠比從0.9453 增加至1.1926。19~26mm 組與26~31mm組的根冠比大于1，說(shuō)明根系的吸收能力比地上部分的消耗能力大，植物將促進(jìn)地上部分的生長(zhǎng)；16~19mm 組的根冠比小于1，說(shuō)明地上部分的蒸騰作用比根系的吸收作用強(qiáng)，地上部分的生長(zhǎng)將受到限制甚至枯萎。黑麥草生長(zhǎng)情況如圖2 所示。

圖2 黑麥草生長(zhǎng)情況

表5 黑麥草的生物量及根冠比

2.4 EPC 對(duì)植物根系生長(zhǎng)的影響

表6 為黑麥草根系生長(zhǎng)情況，由此可知，當(dāng)粗骨料粒徑從16~19mm 增加至19~26mm 時(shí)，總根長(zhǎng)由937.45cm 增加至1622.36cm，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了73.06%、5.76%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了63.63%；根表面積由282.47cm2增加至436.34cm2，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了54.47%、13.75%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了35.79%；根體積由1.84cm3增加至2.86cm3，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了55.43%、18.67%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了30.98%，平均直徑由1.07mm 降低至0.75mm，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別降低了29.91%、17.58%，19~26mm 組比16~19mm 組降低了14.95%。

表6 黑麥草根系生長(zhǎng)情況

3 結(jié)論

（1）過(guò)磷酸鈣與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成難溶于水的磷酸鈣，消耗了水溶液中的氫氧根離子，固可降低EPC 的堿性，且生成物填充了EPC 粗骨料接觸面薄弱層的微孔隙，增大了受力界面的密實(shí)度，提高了抗壓強(qiáng)度。質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的過(guò)磷酸鈣溶液處理對(duì)EPC 最經(jīng)濟(jì)，在第4d 時(shí)，EPC 孔隙內(nèi)溶液pH 為7.41 且趨于穩(wěn)定，28d 抗壓強(qiáng)度較于基準(zhǔn)組提高12.3%。

（2）骨料粒徑越大，EPC 的有效孔隙率越大，由16~19mm 粒徑的粗骨料制備的EPC，其有效孔隙率最接近目標(biāo)孔隙率，僅相差0.9%。

（3）EPC 的有效孔隙率越大，植物的生物量就會(huì)越多，根冠比也會(huì)增大，用26~31mm 粒徑的粗骨料制備的EPC，其植物生長(zhǎng)情況最好。

（4）EPC 的有效孔隙率越大，供給植物生長(zhǎng)的空間就越多，根系也會(huì)越發(fā)達(dá)，毛細(xì)根在根系中所占的比例也會(huì)增多，能吸收更多的水和養(yǎng)分供給植物生長(zhǎng)，植物的生長(zhǎng)狀況就越好。