無砂大孔綠化混凝土制備的初步研究
2006-05-08 00:00
摘要：以水泥、單粒級的碎石、摻合料等為原料，制備出滿足一定孔隙率和強度要求的無砂大孔綠化混凝土；用FeSO4 進行降pH值處理后，將種子和營養(yǎng)土填入混凝土孔隙中，植物能在混凝土孔隙內(nèi)部發(fā)芽和生長。文章初步探索出無砂大孔綠化混凝土孔隙率、強度與水膠比的關系，孔隙率、強度與膠凝材料用量的關系，孔隙率與強度的關系，粗骨料粒級與孔隙率及強度的關系，降低pH 值的方法。為進一步深入研究綠化混凝土組成、結(jié)構(gòu)和性能關系及其制備技術(shù)奠定了基礎。
關鍵詞：綠化混凝土；孔隙率；強度；pH值
以水泥為膠結(jié)材料的水泥混凝土是近代最大宗的人造建筑材料，混凝土用于土木工程的各種結(jié)構(gòu)，對人類社會的文明和進步做出了巨大貢獻。然而，混凝土所到之處則植物棲息地不存，花草俱滅。于是，城市大量廣場、庭、院、路、徑，高速公路、江、河的護坡等，不長一草一木，盡露單調(diào)的混凝土灰色。一方面有礙景觀，更重要的是植物生長面積的大幅度減少對環(huán)境造成的破壞。
綠化混凝土，即能生長花草的混凝土，屬生態(tài)混凝土的一種，是新型環(huán)保建筑材料。綠化混凝土可用于城市休閑綠地、道路隔離帶、住宅小區(qū)綠化、人行步道、停車場等，大幅度增加城市綠化面積，改善城市生態(tài)環(huán)境，并且大大提高花草的耐踐踏性；可用于高速公路、江、河等的護坡或護堤，既能固土，又能改善環(huán)境；進一步開發(fā)可用于沙漠固沙綠化，為沙漠改造開辟新的途徑。
1 綠化混凝土的結(jié)構(gòu)性能設計
已有文獻報道的綠化混凝土大部分由下列幾部分組成：作為主體的植被，承載被面、被床、床絮和床基[1 ] 。作為花草載體的被床，為一種既具有一定的強度，又有利于花草生長條件的特殊大孔蓄容混凝土，厚約100mm ，孔隙率達25 %～33 %。所謂被面，即為混凝土表面上的一薄層栽培介質(zhì)(10～25mm) ，由草炭土與普通土按比例拌和而成，營養(yǎng)素與施播的種子，置于此介質(zhì)中，成為利于植物種子萌芽生長的初始環(huán)境。所謂床絮，即為大孔混凝土(被床) 孔隙中的填充物，充填率為孔隙率的33 %～66 %。由草炭土構(gòu)成，蓄容水分和養(yǎng)料，利于苗根須通過并扎根至基床。所謂基床，即為混凝土底下適于植物生長的土壤，需要深度約300mm以上，可預置緩效性肥料，利于植物根系的長期生長。
由于這種綠化混凝土是將種子放在表層客土內(nèi)進行播種，然后其根穿過混凝土伸入土壤中。這樣，植物的耐踐踏性、耐沖刷性、抗凍性以及吸收營養(yǎng)都會在較長時期內(nèi)受到限制。本項目擬研制一種將種子直接置于混凝土的孔隙中進行培育的綠化混凝土，從而提高其耐踐踏、耐沖刷、耐凍等性能。
表1 為一般結(jié)構(gòu)混凝土與適于植物生長的土壤的結(jié)構(gòu)性能對比。
由表1 可知，要想讓植物能在混凝土中生長，綠化混凝土應解決以下4 個方面的基本問題：(1) 要創(chuàng)造植物生長和發(fā)芽所需的空間； (2) 使混凝土具有植物生長所需的保水孔隙、保水功能和排水機構(gòu)； (3) 引入植物生長所需的肥料； (4) 降低混凝土的pH 值，使之達到適宜植物生長的水平[2 ] 。
研究表明[3 ] ，能確保連通孔隙率達到25 %以上，就可以滿足植物良好生長的孔隙方面的要求；綠化用無砂大孔混凝土的孔徑主要受石子粒徑和膠凝材料用量及水膠比的影響。根據(jù)有關研究資料[3 ] ，粒徑為13～20mm 的碎石制成的混凝土，平均孔徑約為315mm；5～13mm 的碎石，平均孔徑約為118mm；215～5mm 的碎石，平均孔徑約為017mm。因此，可根據(jù)所栽的植物的種類，相應選擇適當?shù)募壟洹?/DIV>
混凝土孔溶液的堿性環(huán)境主要是由Ca (OH) 2 形成的(還有少量的NaOH 和KOH) 。根據(jù)有關研究結(jié)果[9 ] ，在28 ℃氣溫下28d 時，硅酸鹽中的堿有86 %～97 %釋放出來，其中有45 %～85 %是在前幾個小時內(nèi)釋放出來的。經(jīng)過較長時間曝露后，硅酸鹽水泥硬化漿體中僅保留15 %的堿。因此，通過浸入FeSO4 溶液進行處理，可以使之達到植物正常生長所需pH 值水平。其反應如下:
W/ B 分別為0.38 和0.40 時，孔隙率及強度變化很小，較之W/ B 在0.34～0.38 之間變化對孔隙率和強度的影響明顯減小。這是因為，較低膠凝材料用量的無砂大孔混凝土，水膠比較高漿體流動性較大時，填充石子孔隙和包裹石子表面的水泥漿數(shù)量，主要取決于石子與水泥漿的粘附力，而與水泥漿的流動性關系不大。所以，此時水膠比的變化對混凝土孔隙率和強度影響均很小。
混凝土的堿性主要是由Ca (OH) 2 引起的，單方混凝土水泥用量達到20kg ，就能使Ca (OH) 2 在混凝土中達到飽和，從而具有較高的pH 值(通常大于1215) [4 ] 。大摻量粉煤灰混凝土，需要大約200d 的時間[5 ] ，pH 值最低可降至1115 ，這仍不能滿足植物的生長要求。本文采用FeSO4 中和處理，使其pH 值降到10 以下[6 ] 。
2 試驗與分析
試驗用原材料為：(1) 水泥:巢湖產(chǎn)P.O42.5 水泥； (2) 粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，主要技術(shù)參數(shù)見表2 ； (3)石子：16～20mm 或10～20mm 的單粒級碎石； (4) 減水劑:萘系JM - 2 型高效減水劑(減水率15 %～20 % ，摻量B * 0.6 %) 。
設計兩組混凝土配合比共8 種，分別如表3 和表4 所示。試件采用人工振搗成型，標準條件下養(yǎng)護，根據(jù)GBJ81 - 85 分別測定混凝土7d 和28d 抗壓強度，使用排水法分別測定混凝土7d 和28d 的孔隙率[7 ，8 ] ，pH 值采用pH 試紙測定。其孔隙率和抗壓強度試驗結(jié)果分別列于表5 和表6?？紫堵蕼y定的結(jié)果，7d 和28d 基本相同，故僅給出28d 結(jié)果。
將配制好的滿足要求的混凝土試塊，用FeSO4 溶液進行降低pH 值處理，然后填入土壤和草種，進行種草試驗。
從反應的過程可以看出，堿性物質(zhì)被消耗，最終生成了中性的物質(zhì)，因此，pH 值可被降低。
從反應的過程可以看出，堿性物質(zhì)被消耗，最終生成了中性的物質(zhì)，因此，pH 值可被降低。
根據(jù)表3 和表5 ，作出W/ B 與孔隙率及強度變化關系如圖1 和圖2。圖1 和2 顯示，在膠凝材料用量相同的情況下，W/ B 在0.34～0.38 之間，隨著W/ B 的增大，其孔隙率趨于降低，強度提高，與普通混凝土的變化規(guī)律相反。這是因為在無砂大孔混凝土中，水膠比增大即用水量增加所產(chǎn)生的孔隙，相對于總孔隙來說很?。凰z比較低時，隨著水膠比的增大，流動性增加，水泥漿體更多地填充到石子間的空隙中；所以孔隙率降低?？紫堵式档?，有效受力面積增大，使強度得到提高。
根據(jù)表4 和表6 作出膠凝材料用量與孔隙率和強度變化關系如圖3 和圖4。圖3 和圖4 顯示，在水膠比不變的情況下，隨著膠凝材料用量的增加，孔隙率降低，強度提高。膠凝材料用量與孔隙率和強度變化的關系均呈近似線性關系。比較H 組和E 組，膠凝材料用量增加45 % ，孔隙率減小9.6 % ，28d 強度提高63 %。顯然，膠凝材料用量增加對強度的提高效應遠大于對孔隙率的降低效應。
抗壓強度試驗顯示，無砂大孔混凝土和普通混凝土的破壞形態(tài)有所不同，其破壞多發(fā)生在粗骨料之間的接觸點上。所以，粗骨料之間接觸點的粘結(jié)強度是決定無砂大孔混凝土強度的關鍵。正因為如此，膠凝材料用量對其強度影響較之水膠比和孔隙率等因素更為顯著。
圖5 為第一組試驗膠凝材料用量不變，水膠比變化引起的孔隙率與強度變化的關系；圖6 為第二組試驗水膠比不變，膠凝材料用量變化引起的孔隙率與強度變化的關系。圖5 顯示，膠凝材料用量不變，水膠比在較高水平(大于0.38) 變化與水膠比在較低水平(小于0.38) 變化，孔隙率與抗壓強度的關系存在明顯差異。比較圖6 和圖5 可以看出，膠凝材料用量對孔隙率的影響比水膠比對孔隙率的影響更為顯著，水膠比不變的情況下，抗壓強度與膠凝材料用量變化導致的孔隙率變化呈近似線性反比關系。
浸入FeSO4 溶液進行降pH 值處理的混凝土試塊，第2d 發(fā)現(xiàn)試塊綠色，并帶有少許黃色，置入空氣中，試塊最終變?yōu)榧t棕色。試塊顏色的變化證明了前述中和反應的機理。種草試驗還顯示，在粗骨料粒級為16～20mm 的綠化混凝土中，草的發(fā)芽和早期生長狀況優(yōu)于粗骨料粒級為10～20mm 的綠化混凝土。粗骨料粒級越大，混凝土平均孔徑也大，營養(yǎng)成分的填充總量增加，并且較大的孔隙空間也會使植物生長更容易。但綠化混凝土的孔徑過大，會導致其保水、蓄水能力降低，對植物的后期生長不利。所以，綠化混凝土的孔徑應在一個適宜的范圍內(nèi)。
3 結(jié)束語
綠化混凝土成功地實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的統(tǒng)一。本文的工作初步探索出無砂大孔綠化混凝土孔隙率與水膠比的關系，強度與水膠比的關系；孔隙率與膠凝材料用量的關系，強度與膠凝材料用量的關系；孔隙率與強度的關系；粗骨料粒級與孔隙率及強度的關系；降低pH 值的方法。為進一步深入研究綠化混凝土組成、結(jié)構(gòu)和性能關系及其制備技術(shù)奠定了基礎。
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