植草混凝土的應用研究進展

摘"要：植草混凝土是一種新型的環境友好型混凝土材料，自出現以來得到了廣泛的重視和認可，在邊坡防護、河道防護、路面綠化等領域得到了應用推廣，對美化環境、推進工程與環境和諧等方面起到了重要作用。本文主要介紹了植草混凝土的發展歷程，分析了植草混凝土的優勢與缺陷，水泥種類、孔隙率、水膠比等是影響其物理力學性能的重要因素，同時對降堿方法以及水質凈化能力總結指出了植草混凝土目前存在的問題，為植草混凝土的進一步的推廣應用提供了方法與思路。

關鍵詞：植草混凝土；物理力學性能；耐久性；降堿方法

1"概述

混凝土是重要的建筑材料，在邊坡防護、河道護坡、停車場地面等領域得到了廣泛的應用，但由于普通混凝土存在表面堅硬光滑、生物無法生長、不透水透氣等缺陷，對人居生態環境造成的嚴重影響，傳統的混凝土已無法滿足當今社會對環境與生態的需求。植草混凝土是在傳統混凝土的基礎上發展出來的一種環境友好型混凝土，是一種具有較大孔隙率的多孔混凝土，其表面生長植物的根系可以穿過混凝土的內部孔隙在下方的土壤中生根，形成植物—混凝土—土壤的有機結合體［1］，可以促進水體與土壤間的物質交換、提高環境水循環、美化河道環境，提升河流的自凈能力等，在邊坡防護、河道護坡建設中得到了廣泛應用。本文在對植草混凝土技術現狀進行綜述的基礎上，對北方植草混凝土技術進行了研究和分析。

2"植草混凝土的發展

植草混凝土定義為能夠適應綠色植物生長、進行綠色植被的混凝土及其制品［2］。隨后，日本成立了生態混凝土研究委員會，對適用于生態護岸的植草混凝土進行了系統研究，2001年日本先端建設技術中心編制了《多孔植被混凝土河川護岸工法》，對植草混凝土的發展起到了推進作用。在20世紀90年代，吳中偉院士提出了綠色高性能混凝土的概念，重點指出其良好的生態環境協調性能，隨后國內的相關學者針對植生混凝土的力學性能、制備工藝、降堿措施等開展了深入的研究，為國內植生混凝土的推廣應用奠定了基礎。

植草混凝土采用單一粒徑的粗骨料，一般不使用細骨料，因而達到較高的孔隙率。其具有獨特的內部孔隙結構，可以滿足植物生長的需要；具有出色的透氣性和排水性，減少噪聲。作為一種環境友好型建筑材料，植草混凝土很好地兼顧了普通混凝土的優良的物理力學性能與生態環境間的關系，可以在保持結構承載的同時，促進雨水的滲透，改善區域的環境生態，避免水土流失，提升環境的質量，促進人與自然的和諧共生。

植草混凝土自出現后，受到了各國學者的關注，深入研究了骨料的粒徑范圍、孔隙率、水膠比、摻和料、成型方式等對植草混凝土的力學性能的影響規律，系統分析了不同摻和料、外加劑、多種纖維以及不同的成型方式對植草混凝土物理力學性能的綜合影響，一致認為植草混凝土具有良好的內部連通特性，不僅具備了優異的透水性，而且有利于細菌生物群落的生長，可以凈化水質，有助于水生生態系統的恢復。植草混凝土在具有較高強度和整體性的同時，能夠適應植物的生長，有效改善生態環境，得到了廣泛的認可和推廣應用。

3"植草混凝土的優勢與缺陷

3.1"具有優異的透水性

植草混凝土內部具有大量的孔隙，孔隙率一般為25%～35%，由于孔隙的連通性好，雨水能夠快速通過多孔混凝土層滲透到地層中［3］，不僅可以減少地面的積水，減小徑流的產生，還能補充地下水，有助于緩解城市地下水位下降、保障水資源可持續利用，對改善區域的水文環境起到重要作用。

3.2"具有良好的植草性

植草混凝土內部大量的連通孔隙為植物的根系生長提供了充足的空間，孔隙壁的約束使得植物的根系沿著孔隙的通道延伸，順利通過混凝土的孔隙，進入下層土壤中吸引水分和養分。孔隙中的水分和適宜的溫度為種子的萌發和生長提供了有利的條件。

3.3"具有良好的水質凈化效果

植草混凝土豐富的孔隙會減慢通過的水流的流速，水中懸浮的顆粒能夠更好地在水中沉淀，有助于去除水中的懸浮物質［4］。植草混凝土中含有豐富的鋁、鐵、鈣的氧化物和氫氧化物，可以通過吸附作用、化學沉淀，有效吸附污染物，降低水中重金屬的含量。

3.4"具有良好的防護功能

植草混凝土雖然有較大的孔隙率，但也具有一定的強度，其抗壓強度一般大于8MPa，能承受一般車輛、行人、機械的荷載，完全滿足河道護坡、地面停車場等的使用要求。另外，植物根系在混凝土內部孔隙結合，能夠起到加筋的作用，進一步提升混凝土護坡、固堤的效果。

3.5"具有良好的景觀效果

植物可直接在植草混凝土中生長，與普通混凝土相比，植草混凝土可直接在表面形成綠色的植被覆蓋，起到美化環境、改善城市生態景觀和視覺的效果，為人們提供更加舒適的生活環境。

3.6"抗壓強度低

植草混凝土為保證植物的生長，內部具有較大的孔隙率，骨料之間的孔隙越大，骨料間的有效黏結面積越小，在外部荷載作用下，應力分布不均勻程度更為嚴重，導致植草混凝土的力學強度不斷下降。

3.7"抗磨損能力差

植草混凝土表面粗糙，較大的孔隙率使得混凝土的粗骨料呈點連接的狀態，相鄰骨料之間的接觸面積較小，黏結強度相對較低［5］，在摩擦、沖擊等外荷載的作用下，表面的顆粒容易脫落，使得混凝土出現坑洼不平的現象，影響正常使用功能和使用壽命。

3.8"耐久性差

我國北方地區冬季寒冷，植草混凝土中大量的孔隙會存在水分，當溫度降至冰點后，孔隙內的水分會結冰膨脹，當溫度升高時，冰會融化，從而使得混凝土受到凍融循環的作用，可能會導致混凝土內部結構受損破壞。

3.9"混凝土高堿性

水泥是植草混凝土的主要膠凝性材料，在水化過程中會產生大量的氫氧化鈣，使得植草混凝土內部的pH值達到12～13［6］。植草混凝土較高的堿性會直接影響植物種子的萌發、腐蝕植物根系、影響植物的養分吸引，最終導致植物無法生長。

4"植草混凝土性能分析

為了進一步推廣植草混凝土的應用，必須克服植草混凝土存在的缺陷。植草混凝土的應用涉及多個學科和領域，如建筑材料、水利工程、巖土工程、植物學、環境學等，需要融合相關學科，進一步開展深入的研究。

4.1"提升物理力學性能

水泥是混凝土的膠凝材料，其強度等級對混凝土的物理力學性能有重要影響。水泥強度越高，其水化反應后形成的膠凝結構強度也越高，但其成本也會相應提升。水泥的用量對植草混凝土的力學性能具有較大影響，水泥使用量的增加會進一步填充混凝土骨料的孔隙，使混凝土的結構更加密實，從而提升混凝土的性能。但水泥用量過多，會導致混凝土收縮性增大，容易產生裂縫，從而影響混凝土的力學性能，建議植草混凝土的水泥用量一般可在250～350kg/m3中選用。

孔隙率是影響植草混凝土物理力學性能的重要因素，隨著孔隙率的增大，植草混凝土的抗壓強度逐漸降低，但同時孔隙率也是影響植物生長的關鍵因素。較高的孔隙率能更好地吸收水分，有利于保持植草混凝土孔隙內的溫度平衡和空氣流通，為植物根系的生長提供足夠的氧氣，因此孔隙率的設定要綜合考慮植草混凝土抗壓強度和植物生長兩方面的因素。研究表明，植草混凝土的孔隙率設為25%～30%較為適宜［7］，能夠保證植草混凝土的抗壓強度不低于8MPa，也可滿足植物的根系能夠在孔隙中穿插、伸展、固定到土層中，保障植物正常生長。

水膠比是指水與膠凝材料（包括水泥和其他礦物摻和料）的質量比，是混凝土配合比設計中的關鍵參數，對植草混凝土的流動性、可塑性產生影響。較高的水膠比可增加植草混凝土的流動性，使混凝土更容易拌和、運輸和澆筑，但也容易使混凝土產生離析、泌水等現象，導致混凝土各組分間分布不均勻，影響混凝土的性能。因此，在滿足混凝土工作性的條件下，適當降低水膠比，不僅能夠減少水泥漿體中的孔隙，還會提升植草混凝土的性能［8］。但水膠比過低時，膠凝材料的水化反應會不充分，使混凝土的強度發展不足。研究表明，水膠比一般可控制在0.27～0.33［9］。

在植草混凝土中摻加粉煤灰、礦渣、硅灰等摻和料，是目前植草混凝土制備過程中的常用做法。粉煤灰是目前植草混凝土制備過程中使用最多的一種摻和料，作為火電廠在煤燃燒過程中產生的工業固廢，具有火山灰活性，能與水泥水化過程中生成的氫氧化鈣［Ca（OH）2］發生反應，生成具有膠凝性的水化硅酸鈣（CSH），填充混凝土中的孔隙，進而提高混凝土的后期強度和耐久性。礦渣是鋼鐵冶煉過程中產生的經過研磨得到的富含活性二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）等成分的細粉，參與水泥的水化反應，生成的凝膠體填充混凝土的孔隙，有效改善混凝土的微觀結構，提高混凝土力學強度和抗滲性。硅灰是硅鐵合金生產過程中產生的一種超細粉末，其主要成分為二氧化硅（SiO2），其微小的顆粒能夠填充水泥顆粒間的孔隙，使混凝土的微觀結構更加致密，從而有效提升混凝土的力學性能和抗滲性。

在植草混凝土中摻入纖維可以有效提升植草混凝土的抗拉、抗折強度，改善抗裂性能，提升耐久性。植草混凝土中常用的纖維有聚丙烯纖維、植物纖維、玄武巖纖維等，纖維在植草混凝土中能夠起到加筋的作用，能夠在植草混凝土受到拉伸、彎曲或剪切荷載時，阻止裂縫的產生和擴展，提高植草混凝土的抗拉強度、抗折強度。纖維在植草混凝土中呈三維均勻分布，可以提高植草混凝土的抗凍融性能，減少凍融裂縫的產生，緩解凍融過程中的膨脹壓力，降低植草混凝土的凍融損傷，對提升植草混凝土的耐久性有重要作用。

4.2"植草混凝土降堿方法

植物的健康生長是衡量植草混凝土性能的關鍵指標之一，由于水泥在水化時會產生大量的堿性物質，使得植草混凝土內部孔隙內的堿含量增加，會嚴重影響植物的生長，因此需要對植草混凝土進行降堿處理，降堿方法一般可分為內部固堿法、消堿溶堿法和物理封堿法。

內部固堿法是在植草混凝土配合比設計時加入礦物摻和料或酸性化學物質，中和混凝土反應過程中產生的堿性物質。植草混凝土的堿度主要是由膠結材料引起的，采用礦物摻和料對植草混凝土膠結材料進行降堿改造是常用的方法。粉煤灰、硅灰是常用的礦物摻和料，在摻入混凝土時，摻和料中的二氧化硅（SiO2）和混凝土中的氫氧化鈣［Ca（OH）2］會發生二次水化反應，產生硅酸鈣（CaSiO3）和水，可消耗部分Ca（OH）2，從而起到一定的降堿效果。

消堿溶堿法是根據酸堿中和的原理，采用酸性化學溶液對植草混凝土進行浸泡或噴灑，來中和植草混凝土中析出的堿性物質，是降低植草混凝土堿度的有效方法。常用的酸性溶液有硫酸亞鐵、過磷酸鈣、草酸、檸檬酸等，采用浸泡的方法，酸性溶液與孔隙內的堿性物質發生反應，使得pH值大幅下降，這種方法一般會對混凝土強度造成影響，使混凝土的強度下降，很難達到工程應用的要求。改用多次噴灑酸性溶液的方式，不僅能夠降低植草混凝土的pH值，力學性能受到的影響也相對較小。

將植草混凝土表面進行封閉，也可有效降低堿的析出。對植草混凝土進行碳化處理，CO2氣體與孔隙內的堿性物質發生化學反應［10］，能夠生成較為致密的保護層，減少了堿性物質從植草混凝土的溶出，具有較好的降堿效果。采用工業石蠟或永凝液對植草混凝土表面進行封閉處理，也是一種阻止堿性物質向外釋放的方法，能夠有效降低孔隙的pH值。但目前表面封閉法在試驗室內取得了較好的效果，在工程應用中仍然需要進一步研究。

4.3"植草混凝土對水質具有凈化效果

植草混凝土內部具有豐富且連通的孔隙，能夠使水流順利通過。混凝土的物理吸附作用和攔截作用能夠對水質起到凈化作用，對總氮（TN）的凈化效果可以達到30%～40%，對總磷（TP）的凈化效果可以達到60%～90%，同時也可對重金屬元素起到去除作用。

同時，植草混凝土的空隙能夠為微生物的生長營造一個合適的空間環境，經過一定時間后可以在混凝土表面生成生物膜，對水中的污染物起到降解作用。研究表明，生態混凝土表面及孔隙中的具有硝化和反硝化的微生物可以有效去除總氮，孔隙中的根系對無機氮素也具有良好的吸收作用；水中的磷酸鹽可以與混凝土中的鈣離子反應，生成羥基磷酸鈣，從而達到降低總磷（TP）的效果。

5"結論與展望

植草混凝土是一種新型建筑材料，在實現工程目的的同時，也在最大程度上實現了與環境的兼容與和諧；同時還能起到水質凈化的作用，是未來在護坡、護面、路面施工中普通混凝土的理想替代材料。但植草混凝土在更大范圍的應用中，還需要解決好力學強度偏低、抗沖耐磨性能差、抗凍融循環的能力不強、高堿度帶來的植物生長適應性差等問題。

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作者簡介：宿昊一（2001—"），男，漢族，河北保定人，學生，從事生態混凝土方向研究。