謝清華,高文濤,齊 強,張坤強*

1.棗莊市水利勘測設(shè)計院,山東 棗莊 277100 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

植被混凝土降堿植生技術(shù)優(yōu)化研究

謝清華1,高文濤2,齊 強2,張坤強2*

1.棗莊市水利勘測設(shè)計院,山東 棗莊 277100 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

本文通過研究不同濃度的NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4降堿溶液對植被混凝土的pH值影響，提出復(fù)合降堿技術(shù)，并研究復(fù)合降堿溶液對植被混凝土pH、強度、透水系數(shù)等性能的影響，結(jié)果證明該技術(shù)可將孔隙液的pH值快速降低至植被生長需求的范圍并維持較長時間，提高混凝土強度6%～10%，不降低透水性能；針對北方地區(qū)的氣候和土壤特點，優(yōu)選出植被混凝土中長勢旺盛的植被。此技術(shù)工藝簡單，成本低，可促進綠色生態(tài)植被混凝土的推廣應(yīng)用。

植被混凝土;孔隙液pH值;復(fù)合降堿溶液;植生效果

植被混凝土以一定厚度的大孔隙透水混凝土板為骨架，孔隙內(nèi)填充混有植被種子的植生基材，種子發(fā)芽生長，根系逐漸穿過多孔混凝土，扎入下層土，牢牢地將多孔混凝土板固定在大地上，使植被、混凝土和下層土連為一個整體，從而起到固土護坡的作用，可廣泛應(yīng)用于道路、河道、水庫邊坡，破損山體修復(fù)和城市空地的硬化等領(lǐng)域[1,2]。

植被混凝土的膠凝材料普遍采用普通硅酸鹽水泥，水泥水化反應(yīng)釋放堿性物質(zhì)使植被混凝土孔隙液的pH值達到12左右，降低幅度和速度都較小[2]。研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護30 d以上的混凝土，在無降堿措施的條件下，孔隙液pH值可長期維持在11左右[3]，植被無法在如此高的堿度環(huán)境中正常生長。

目前降堿的方法主要有采用低堿性的膠凝材料（如礦渣、粉煤灰硅酸鹽水泥）和蠟封或膠封的方法兩種，低堿性的膠凝材料降堿后孔隙液的pH值仍較長時間穩(wěn)定在10左右，并對材料的強度有所降低[3]；蠟封或膠封的方法降堿效果較好，但造價高，工藝復(fù)雜，孔隙易堵塞，透水性能差，實際的工程應(yīng)用存在困難較大等[4]。

為解決北方寒冷地區(qū)植被混凝土綠色襯砌的技術(shù)難題，簡化降堿工藝，提高降堿效果，優(yōu)選植被亟待進行研究。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料的選取

1.1.1 制備混凝土試塊所用原材料 中聯(lián)P?O 42.5普通硅酸鹽水泥；普通石灰?guī)r碎石，粒徑10～30 mm；普通自來水；聚羧酸高效減水劑，F(xiàn)DN-A高效減水劑，減水率為18～28%；可再分散801膠粉；聚丙烯腈纖維，長度6～12 mm；塑鋼纖維，長度10～20 mm，直徑0.8～1.5 mm。

1.1.2 降堿物質(zhì)的選擇 降堿物質(zhì)的選擇要遵循降堿效果好且持久穩(wěn)定、有利于植被生長和增強混凝土強度的原則選取[5-7]，重點研究無機化學(xué)肥料氮、磷、鉀肥的鹽溶液，結(jié)合電離水解的相關(guān)知識，選擇NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4三種化肥配制降堿溶液，研究其降堿效果。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件的制備和養(yǎng)護 參閱相關(guān)文獻[8,9]，按照前期研究成功的新型抗凍植被混凝土的配合比準備和稱量相關(guān)材料，將碎石沖洗干凈，曬干；先加入骨料和70%的拌和水，攪拌1 min，再加入60%膠凝材料，攪拌1 min，最后加入剩余的40%膠凝材料和30%的拌和水，攪拌2 min；將新拌混凝土分三層裝入不透水方形的模具（用于測孔隙液的pH值）和標準模具，每層插搗20次，模具裝滿后在振動臺上震動15 s，施加0.1～0.15 MPa的壓力；2 d后脫模，放入標準養(yǎng)護室標準養(yǎng)護7 d。

1.2.2 植被混凝土孔隙液pH值測定方法 在一個邊長150 mm的立方體不透水模具中（也可以視情況自定尺寸）分層插搗密實，填滿混凝土，在振動臺上震動15 s，抹平表面，養(yǎng)護7 d，將配制好的植生基材加入其孔隙中，再加入不同濃度降堿溶液至剛好沒過混凝土的表面，每隔1 d提取孔隙液測pH值，即為最接近實際工況下孔隙液的pH值。

1.2.3 抗壓強度測定方法 按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》要求[10]，采用150 mm立方體試件，標準養(yǎng)護28 d后，在標定好的壓力機上進行立方體抗壓強度試驗。受壓時，受壓面用高強石膏找平，加荷速度0.3 MPa/s，由于植被混凝土多孔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致表面凹凸不平，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以每組由原來的3塊提高到6塊，盡可能較小誤差。

1.2.4 孔隙率和透水系數(shù)的測定方法 挑選外形完好、表面平整的試件，采用文獻[11]總孔隙率和有效孔隙率的測定方法和和計算公式。

根據(jù)達西定律，即在一定的水頭下，單位時間內(nèi)透過混凝土的水量與混凝土透水面積成正比，與混凝土透水厚度成反比，圖1為自制的多孔混凝土透水系數(shù)測定裝置。

圖1 透水系數(shù)測定裝置Fig.1 The device of measurement on permeable coefficient

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 基準組植被混凝土孔隙液pH值變化規(guī)律

根據(jù)測定方法，基準組植被混凝土孔隙液28 d的pH值變化曲線如圖2。

圖2 基準組植被混凝土孔隙液pH值變化曲線Fig.1 pH value curves of benchmark set of vegetation concrete pore fluid

分析曲線可知，由于試驗初期大量的堿性物質(zhì)快速溶解到孔隙液中，孔隙液pH值較大幅度的提高，隨著時間延長，二氧化碳和部分堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，降低了堿性物含量，pH值逐漸降低。植被混凝土孔隙液的pH值變化規(guī)律為先增后降，且降速隨時間增長逐漸變緩。

由圖可知，自然狀態(tài)下孔隙液28 d以后，pH值大致穩(wěn)定在11左右，且降速放緩，植被無法在該pH值水平下正常生長。

2.2 不同降堿物質(zhì)取不同濃度時的降堿效果

針對NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4，每種降堿物質(zhì)取1%、2%、5%三個水平，分別測定其孔隙液的pH值，根據(jù)植被生長的pH值為（5.5～8.5），各組的pH值超過8.5時停止測量（圖3～5）。

圖3 NH4HCO3對pH值影響曲線Fig.3 Influences of NH4HCO3on pH

圖4 KH2PO4對pH值影響曲線Fig.4 Influences of KH2PO4on pH

圖5 NH4H2PO4對pH值影響曲線Fig.5 Influences of NH4H2PO4on pH

分析圖3、4、5可發(fā)現(xiàn)不同濃度的三類降堿溶液浸泡植被混凝土?xí)r，均能實現(xiàn)一天內(nèi)內(nèi)將植被混凝土孔隙液的pH值降到最低，但隨著時間增長，孔隙液的pH值會緩慢回升，由于堿性物質(zhì)的不斷中和反應(yīng)，pH值回升速率由快到慢；降堿溶液5%濃度降堿效果較2%、1%好，維持在較低pH值的時間更長回升當pH值超過8.5時，可再次加入降堿物質(zhì)，則長時間內(nèi)pH值不超過8.5；但是在10d時間內(nèi)，三種濃度的降堿溶液的孔隙液pH值大致相等，由于高濃度的降堿溶液容易出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象，建議濃度不宜過高。

因此，先用5%濃度降堿溶液浸泡，迅速降低pH值，后期采用1%濃度的降堿溶液噴灑降堿，壓制堿性的反彈。

2.3 復(fù)合降堿溶液對植被混凝土的性能的影響

降堿溶液選用NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4，按照1:1:1比例配制0、0.5%、1%、2%、3%的復(fù)合降堿溶液，測定孔隙液pH值的變化，分析其對標準試塊抗壓強度、總孔隙率、有效孔隙率和透水系數(shù)的影響，結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 復(fù)合降堿溶液對pH值影響曲線Fig.6 Influences of compound alkali solution on pH

圖7 復(fù)合降堿溶液對28 d抗壓強度值影響曲線Fig.7 Influences of compound alkali solution on compressive strength for 28 days

圖8 復(fù)合降堿溶液對總孔隙率、有效孔隙率影響曲線Fig.8 Influences of compound alkali solution on the total porosity and effective porosity

圖9 復(fù)合降堿溶液對透水系數(shù)影響Fig.9 Influences of compound alkali solution on permeable coefficients

分析圖6可知，不同濃度的復(fù)合降堿溶液1 d內(nèi)使孔隙液的pH值降到7左右，并在10 d時間內(nèi)保持pH值在7.0～8.5之間，3%濃度降堿溶液pH值最低，且pH值在7.0～8.5之間時間較長，回升速度較慢，濃度為1%、2%的降堿溶液對pH值影響曲線與3%效果相差不大，綜合考慮成本和植被生長要求，選取濃度1%的降堿溶液。

分析圖7可知，混凝土的強度隨著復(fù)合降堿溶液的添加有一定程度的提高（約為6%～8%），可能原因為混凝土釋放的氫氧化鈣與降堿溶液化學(xué)反應(yīng)生成難容的碳酸鈣和磷酸鈣，填充混凝土的孔隙，提高了混凝土的密實度。

根據(jù)圖8、9，植被混凝土孔隙率和透水系數(shù)在不同濃度的復(fù)合降堿溶液下變動幅度較小，總孔隙率/有效孔隙率的比值隨復(fù)合降堿溶液的濃度增長而降低，表明生成的難溶物質(zhì)主要填充了微孔隙，對混凝土的大孔隙影響不大。

2.4 植被的優(yōu)選和種植效果研究

根據(jù)北方地區(qū)的氣候和土壤特點，針對適合在新型抗凍植被混凝土，通過查閱相關(guān)的資料[13,14]，最終優(yōu)選出高羊茅、天鵝絨和匍莖翦股穎，進行種植試驗。采用前述降堿方法，在植被混凝土中長出茂密旺盛的植被，無降堿措施的混凝土塊上植被逐漸枯萎死亡，充分證明進行降堿的必要性及本研究的降堿技術(shù)的有效性。

3 結(jié)論

（1）不同濃度的NH4HCO3、KH2PO4和NH4H2PO4降堿溶液浸泡植被混凝土，1 d內(nèi)均可將孔隙液pH值降到中性及以下，并可較長時間維持在滿足植被生長的范圍內(nèi)。

（2）綜合考慮成本和植被生長要求，選取按照1:1:1配制的濃度1%復(fù)合降堿溶液，可達到較好降堿效果，提高強度、降低施工成本。

（3）利用本研究的降堿技術(shù)，在植被混凝土中種植出了茂密旺盛的植被，驗證了此降堿技術(shù)有效可行。

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Research on the Optimization of Vegetation ConcreteAlkali Reduction andVegetationTechnology

XIE Qing-hua1,GAO Wen-tao2,QI Qiang2,ZHANG Kun-qiang2*
1.Zaozhuang Survey and Design Institute of Water Conservancy,Zaozhuang 277100,China 2.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China

Compound alkali reducing technology was put forward by studying the impact of the different concentrations of NH4HCO3,KH2PO4 and NH4H2PO4 of alkaline solution on PH value of vegetation concrete.The effects of compound alkali reducing solution on pH,strength and permeability coefficient of vegetation concrete were studied,the result showed this technique can rapidly reduce the pore solution PH value to the range of vegetation growth requirements for a long time and improved concrete strength to 6%-10%without reducing the permeability.According to the climate and soil characteristics in the North.the thriving vegetation in the Vegetation concrete was optimized.The technology can promote the popularization and application of the green ecological vegetation concrete with the simple technical process and low cost.

Vegetation concrete;pore fluid pH value;compound alkali solution;vegetative effect

TU528.01

:A

:1000-2324(2017)03-0429-04

2016-02-03

:2016-02-13

抗凍廢棄礦物摻合料植被混凝土在生態(tài)河道綠色襯砌中的推廣應(yīng)用(SDSLTG201604)

謝清華(1967-),女,本科,工程師.研究方向:水利工程施工與設(shè)計.E-mail:sdzzlfl@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zkq0129@163.com