馮永存 宋少民

（北京建筑大學 綠色建筑與節(jié)能技術北京市重點實驗室，北京 100044）

隨著國內經濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)建設步伐的不斷加快，大量的建筑物拔地而起，這些建筑物在為我們的生活帶來方便的同時，也對我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境造成了一定影響?，F(xiàn)在城市地面被大量混凝土覆蓋，不透水區(qū)域增多，城鎮(zhèn)綠色植被面積顯著降低，熱島效應加劇，也增大了城市內澇的可能性；混凝土質地脆硬，顏色種類單調，以灰色為主基調，視覺效果缺乏生機，使人產生粗、硬、冷、暗的感覺，人們長期生活在充斥了鋼筋混凝土的環(huán)境中，對于人類的身體健康造成較大影響。

在我國積極的倡導綠色生活，節(jié)能環(huán)保的生活理念下，人們現(xiàn)在不僅僅停留在過去只看重混凝土的結構性能，也逐漸開始向環(huán)境友好、智能節(jié)約等功能的混凝土方向發(fā)展。經過研究人員的不懈努力，現(xiàn)在已經研究出了具有環(huán)境調節(jié)功能的植生混凝土，這是一種新型的綠色環(huán)保混凝土，既具有混凝土的功能，又實現(xiàn)了生態(tài)化的需求，為人類構造了舒適環(huán)境的生態(tài)混凝土，社會效益和生態(tài)效益十分突出，對社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當前植生混凝土在日本、歐洲等國已得到了較為廣泛的應用，在我國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，技術逐步趨于成熟，并已開始應用于工程實踐。

對多孔植生混凝土的研究，涉及材料、環(huán)境科學和植物學等學科，要實現(xiàn)多孔植生混凝土的廣泛應用，必須對多孔植生混凝土配比組成設計、孔隙分布、強度、孔隙內堿度、孔隙填充材料、植物種類等進行系統(tǒng)研究。筆者閱讀并收集了現(xiàn)有國內外研究成果，在此基礎上系統(tǒng)地介紹植生混凝土的概念、技術特點、研究狀況以及存在的技術問題，以供參考，旨在推進該項技術在我國的推廣應用。

1 植生混凝土的定義與構造

1.1 植生混凝土定義

植生混凝土是指以一定孔徑、一定孔隙率的特制混凝土為骨架，在混凝土孔隙內充填植物生長所需的物質，植物根系生長于孔隙內或穿透混凝土生長于下層土壤中的一類混凝土或混凝土制品[1]。此類混凝土制品是植物與填充于植生混凝土孔隙內的植物生長基有機結合而成的新型混凝土。

1.2 植生混凝土構造

植生混凝土從構造上來看，可分為孔洞型、多孔連續(xù)型、孔洞型多層結構等3種形式[2]。孔洞型植生混凝土是：在普通混凝土板上預留大孔洞，為綠色植物生長提供空間，并在其內填充適于植物生長的土壤。從形式看，它只是將植物與混凝土塊進行簡單的拼湊，綠化面積小，不能單獨的定義一種新型混凝土。孔洞型多層結構植生混凝土是：上層為多孔洞混凝土板，底層為凹槽，上層與底層復合，中間形成一定空間的培土層。這種植生混凝土多應用于城市樓房的陽臺等，不與土壤直接接觸的部位，在一定程度上，可增加城市的綠化面積，美化環(huán)境。嚴格上來講，以上兩種構造形式并不是傳統(tǒng)意義的植生混凝土。

多孔連續(xù)型混凝土，它是以無砂多孔混凝土為基本骨架，內部有一定比例的連通孔隙，為混凝土表面的植物根部生長、提供空間。其基本構造主要由多孔混凝土骨架、保水填充材料、表層土等組成，這也是當前所研究的植生混凝土構造，見圖1所示。

圖1 植生混凝土結構示意

2 植生混凝土的研究狀況

2.1 物理性能

2.1.1 孔隙率及透水性

無砂多孔生態(tài)混凝土的植生性及透水性都源自于其內部的孔隙。這些孔隙包括連通孔隙、半連通孔隙以及封閉孔隙三部分，三者之和為全孔隙。3種孔隙中的連通孔隙和半連通孔隙是混凝土具有透水性的主要原因，植物根系可以通過多孔混凝土中的連通孔隙扎入土體，汲取土體中的養(yǎng)分。因此，在多孔混凝土的設計研究中，全孔隙率是一個重要的技術指標。彭波[3]等研究得出植生混凝土連通孔隙率隨全孔隙率的增大而增大，且兩者之間存在良好的二次線性關系，這對于今后植生混凝土孔隙研究提供了一定指導意見。

目前國內常用的孔隙率測定方法為量體積法和膠帶密蠟封法[4]。量體積法不宜用于表面不平整、形狀不規(guī)則、不宜切割的試件。膠帶密貼蠟封法步驟繁瑣，操作較為麻煩。當前國內在孔隙率研究方面，主要參考日本《多孔混凝土空隙率試驗方案》及《透水性混凝土河川護堤施工手冊》。

國內外通過對孔隙率研究，提出一些有關多孔混凝土孔隙率的結論。其中，日本生態(tài)混凝土護岸工法規(guī)定，對以植生為主的護岸，28d抗壓強度要求在10MPa以上的多孔混凝土，孔隙率在21%~30%之間；對于承受流水嚴重沖刷的植生型護岸，28d強度要求在18MPa以上多孔混凝土，孔隙率在18%~21%之間[5]。高建明[6]等人認為連續(xù)孔隙率低于20%時，植物根系難以穿透多孔混凝土的空隙深入到土壤中。胡勇有等研究證明孔混凝土平均孔徑對其植生性能的重要影響，平均粒徑太小會導致植物根系無法吸收足夠的營養(yǎng)物質，從而影響根系的延伸生長，同時會使pH值過高，不利于植物生長；平均粒徑太大，會產生保水性差等問題，所以平均孔徑要適中。

透水性決定了水在生態(tài)混凝土中流動的可能性，繼而影響到植物根系能否獲得足夠的水分以維持生命。李政啟[7]等研究發(fā)現(xiàn)植生混凝土具有與土壤一樣良好的透水性能。虢清偉[8]等人認為在適生材料灌注前，骨料粒徑越大，多孔混凝土試件的滲透系數(shù)越大，灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低，但屬強透水材料之列。

影響孔隙率和透水系數(shù)的因素包括骨料粒徑、骨料級配、骨膠比、水膠比等。骨料粒徑越小或骨料級配越好，孔隙率、平均孔隙直徑和透水系數(shù)越?。浑S骨膠比增大，混凝土孔隙率和透水系數(shù)增大，這是因為隨著骨料間膠凝材料的減少，骨料間的孔隙增大，從而孔隙率和透水系數(shù)增大。關于水膠比對孔隙率和透水系數(shù)的影響不同研究者的結論并不一致，張蔚[9]等認為隨水膠比的減小，孔隙率和透水性能增大：而徐飛等[10]認為隨水灰比的增大，孔隙率和透水性能增大，這一問題還需進一步深入的研究。

2.1.2 植生混凝土強度

植生混凝土的抗壓強度，參照GB／T 5008 1-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。但由于植生混凝土是由膠結材黏結骨料而成，孔隙率大，其表面平整度差。在此種情況直接進行抗壓強度測試，并不能反映植生混凝土實際抗壓強度，一般要求采用高強石膏、硫磺膠泥或水泥砂漿，將試塊補平后進行抗壓試驗。

反映植生混凝士力學性能的主要指標是混凝土強度。植生多孔生態(tài)混凝土強度的研究主要是針對其抗壓、抗折強度和劈裂抗拉強度。從混凝土結構性的角度出發(fā)，一般要求植生型多孔生態(tài)混凝土具有大于10 MPa的抗壓強度。

影響植生混凝士強度的因素包括骨料粒徑、骨料級配、骨膠比、水灰比和膠凝材料摻合料等。骨料粒徑越小或骨料級配越好，混凝土強度越高，單一級配配制的多孔混凝土抗壓強度小于連續(xù)級配配制的多孔植生混凝土，這是因為隨骨料間接觸點的增加，有利于強度提高；較小的水膠比使膠結漿本身的強度增加，混凝土強度也因此提高，但水膠比不易超過0.4。此外影響混凝土強度的因素還包括齡期、骨料強度、制備工藝和養(yǎng)護條件等。張朝輝[11]通過多孔混凝土制備與成型工藝研究，得到清洗骨料、改變裹漿法加料順序、震動+壓實成型、覆蓋薄膜保濕養(yǎng)護等方法，可以提升多孔混凝土的強度。傳統(tǒng)意義上植生混凝土被認為是摻加砂子的，但有關論文指出，摻加少量細砂，在不影響孔隙率的同時，可以增大可以漿體與單級配粗集料的接觸面積并發(fā)揮集料支撐點的作用，進而提升混凝土的抗壓強度，對于此種觀點還需通過實驗得以驗證。

2.2 多孔混凝土配合比設計方法研究

植生混凝土在結構和材料組成方面和普通混凝土有較大區(qū)別，故其配合比設計方法也與普通混凝土不同。

對于植生混凝土既要求有高的力學性能，又要有足夠大的孔隙率，然而高孔隙率與高力學性能是一對矛盾體，故必須要考慮各方面因素才能定出合適的配合比方法。目前，國內還沒有相應的試驗規(guī)程可執(zhí)行，需要后續(xù)的系統(tǒng)研究。

對于植生混凝土的配合比設計，應考慮到孔隙率、透水系數(shù)及強度三個方面，根據(jù)多孔植生混凝土結構特征，可以認為單位體積多孔混凝土的表觀體積由骨料緊密堆積而成。因此配合比設計的原則是將骨料顆粒表面用膠結材料包裹，并將骨料顆?；ハ嗾辰Y起來，形成一個整體，具有一定的強度，而不需要將骨料之間的孔隙填充密實。

單位體積多孔混植生凝土的質量應為單位體積骨料的質量和單位體積膠結材料質量之和，這樣可以初步確定多孔混凝土的配比設計方法，集料粒徑大小的不同和膠凝材料的多少可形成直徑大小不同的孔隙，滿足不同用途的需要。根據(jù)設計要求確定選用的材料，再確定單位體積混凝土中骨料的用量，然后根據(jù)骨料的表觀密度和設計要求的孔隙率確定膠結材料用量，根據(jù)成型工藝的要求確定水灰比，從而確定單位體積水泥用量和拌合水用量。

2.3 植生混凝土孔隙內堿環(huán)境及改造方法研究

植物在混凝土孔隙中生長，孔隙內的化學性質，直接影響了其植生性能。植物只能在一定PH值范圍內才能順利成長，對于混凝土而言，其主要呈堿性，故其pH值不宜超過10。混凝土中水化產物Ca（OH）2具有強堿性，一般混凝土pH值都會大于12,故必須要采取措施降低植生混凝土的pH值。

要判定植物根系在植生混凝土中生長的堿環(huán)境，就需要進行孔隙內堿度的測定，主要測試方法包括：液萃取法和按LY/T《森林土壤pH值的測定》方法測定植生混凝土孔隙內生長基的pH值。筆者認為第二種方法更為合理，第一種方法破壞了混凝土結構，不能反映真實孔隙堿環(huán)境，第二種檢測生長基土壤的pH值，結果更為真實。

多孔植被混凝土的堿環(huán)境改造是一核心技術。在日本，用于植生混凝土的膠凝材料是低堿度高爐B、C型水泥，用該類水泥制出的多孔植生混凝土，其pH值在8～9之間，適宜植物生長。我國缺乏低堿度水泥，因而在水泥方面降低pH值的方法并不可行。

改造多孔植生混凝土孔隙內堿度主要應從以下三方面考慮：（1）降低膠凝材料的堿度；（2）用酸性土壤和添加弱酸性物質中和溶出的堿，以來降低孔隙內堿度值；（3）通過對靜漿體進行表面處理，隔絕堿類物質與填充土壤的接觸，保證植物的生長。

通過摻加粉煤灰、礦渣、硅粉等礦物摻合料，利用礦物摻合料與氫氧化鈣的二次反應，消耗氫氧化鈣，可降低堿度。高建明等人用摻礦物摻合料，來降低混凝土內部孔隙間pH值，研究發(fā)現(xiàn)摻硅粉效果為最佳，28天pH值可降到10以下；張朝輝[11]研究發(fā)現(xiàn)弱酸性土壤中和孔隙內的堿度在前期14d左右較為有效，后期pH值逐漸恢復到1l左右，且弱酸性土壤對多孔混凝土長期強度有影響。噴灑或浸泡FeS04溶液可以中和混凝土中的堿性物質，王桂玲等[l2]研究了浸泡FeS04溶液的作用，發(fā)現(xiàn)FeSO4等弱酸性物質的摻加雖然能在一定程度可降低多孔混凝土的孔隙堿度，然而其摻量對強度的降低作用明顯，固FeSO4的摻量不宜過多。胡春明等[13]試驗證明經過蠟封處理的生態(tài)混凝土的孔隙水環(huán)境pH值可降低0.5~1，而且對混凝±孔隙率不會造成較大的影響。王桂玲等[l2]提出復合降堿實驗方案，通過在混凝土中摻加一定比例的硅灰與FeSO4，并在混凝土成型后噴灑永凝液阻堿，此降堿方法可使土壤pH值保持在8～8.5之間。

2.4 植物生長基的配制與填充

植物生長基是指在多孔混凝土孔隙內填充的材料，是植物的根系賴以附生的載體，為植生長提供養(yǎng)分和水分。配制植物生長基質應具備良好的物理化學和生物學特性，具備質輕、通透性好、保肥保水能力強、酸堿度適宜、材料易得、無毒害成分及有害微生物等優(yōu)點。

植物生長基可以認為是人造土壤，包括：草碳土、蛭石、珍珠巖或木屑等基本材料和保水劑、肥料。生長基的配制可因植物種類不同而不同，生長基的填充方式可以是用壓力灌漿的形式或浸漬方式。

當前對于植物生長基的填充主要采用灌漿法[l4]進行填充施工。灌漿法是將植物生長基拌和均勻后用水及適量減水劑調制成漿體，用水泥槍將漿體填充于植生混凝土孔隙中。筆者所在課題組研究發(fā)現(xiàn)，將干的植物生長基材料混合均勻，采用震動填充的方法也可以實現(xiàn)植物生長基的填充。

3 植生混凝土存在的問題

從目前的研究與應用狀況來看，我國在植生混凝土方面研究及技術仍處于實驗性階段，今后還必須要深入研究。就當前對于植生混凝土的研究主要存在以下幾個問題：

（1）我國還未形成一套統(tǒng)一、合理的植生混凝土配合比設計方法，目前報道的植生混凝土設計方法不系統(tǒng)，具體參數(shù)不明確，對空隙率與強度之間的矛盾沒有提出合理的解決方案。

（2）國內提出一些解決植生混凝土堿度的方案，但對孔隙堿度降低效果并不明顯，且對于堿度檢測方法沒有規(guī)范的實驗方法。

（3）在生產植生混凝土的過程中，由于沒有細骨料，且孔隙率大，自然對膠結材料等有較高要求，這也不可避免的產生造價成本高的問題，這對于植生混凝土的工程推廣應用形成一定阻力。

（4）植生混凝土成型后缺乏對其后期植物生長和耐久性能問題的研究。

（5）國家還未出臺相關植生混凝土的技術規(guī)程和應用規(guī)范。

結語

隨著人們對生活環(huán)境的關注，建筑結構將更趨向于綠色節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，而植生混凝土恰恰實現(xiàn)了建筑與自然環(huán)境的相融合，相比于普通混凝土的這一優(yōu)勢，植生混凝土有理由成為今后混凝土的研究熱點。我國在植生混凝土的研究方面，由于起步較晚，技術相比于日本等國家還相對落后，同時國家對植生混凝土研究的投入力量也不夠大，還有許多核心技術問題亟待研究和解決。這就需要植生混凝土所涉及的各學科科研工作者，團結協(xié)作，綜合各方優(yōu)勢，共同推進其在我國社會建設中早日大規(guī)模應用，實現(xiàn)建筑結構的生態(tài)化，促進人與自然的和諧發(fā)展。

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