熊優(yōu)優(yōu)，楊 雁，崔天祥

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

在我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的21世紀(jì)，建筑業(yè)成為經(jīng)濟飛速發(fā)展的典型行業(yè)。而由于“熱島效應(yīng)”等環(huán)境問題，對混凝土材料提出了新的要求——“綠色”。既可以較好保留普通混凝土基本性能，又能夠維持水土、美化環(huán)境的生態(tài)多孔混凝土因而得到了重視與研究。

但多孔結(jié)構(gòu)在滿足“綠色”的同時對混凝土性能的保持及提高存在著一定影響。因此，充分分析生態(tài)多孔混凝土的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)特性，研究其結(jié)構(gòu)特性與各項性能之間的影響關(guān)系，提出改善措施，對于提高生態(tài)混凝土使用壽命，更好地結(jié)合混凝土技術(shù)與自然環(huán)境，使混凝土材料向生態(tài)化發(fā)展有著重要意義。

1 生態(tài)多孔混凝土的概念

生態(tài)混凝土(Eco—concrete/Environmentally Friendly Concrete)的概念最早由日本混凝土協(xié)會與生態(tài)混凝土研究委員會在1995年提出。按照功能分類，可將其分為環(huán)境友好型和生物相容型。

生態(tài)多孔混凝土(Ecological Porous Concrete，簡稱EPC)則更強調(diào)其特殊的多孔結(jié)構(gòu)，與普通混凝土相比，EPC有許多連通的孔隙，使得水與空氣能夠很好地通過或存在。這種特性能夠讓植物與混凝土材料結(jié)合共存，從而有效改善環(huán)境負(fù)荷，與自然環(huán)境和諧相處。

2 生態(tài)多孔混凝土的結(jié)構(gòu)特性與性能匹配矛盾

孔結(jié)構(gòu)特征主要包括孔隙率、孔形貌、孔大小及其分布。EPC最為顯著的特征就是孔隙率大、內(nèi)部有許多連通孔隙，擁有良好的透水性能以及吸附力，這些特征在改善生態(tài)環(huán)境的同時，也給我們的研究與應(yīng)用帶來了一些難題。

追求高孔隙比的同時強度自然會有所下降；孔隙率增大，透水性能增強，則不可避免影響混凝土自身的耐侵蝕性能；多孔結(jié)構(gòu)使得混凝土內(nèi)部可能存在大量水分，繼而影響到抗凍以及收縮性能；混凝土孔隙內(nèi)部的堿性環(huán)境與植物生長之間的矛盾也是需要注意的問題。

3 生態(tài)多孔混凝土結(jié)構(gòu)與性能匹配研究現(xiàn)狀

3.1 孔結(jié)構(gòu)與強度

目前，首要問題是孔結(jié)構(gòu)與強度之間的矛盾，高強度與高孔隙率二者往往不可兼得。普通混凝土的孔隙率只有4%左右，而EPC則達到20%以上，密實度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，因此強度會有所降低。

武漢理工大學(xué)吳磊[1]研究表明，生態(tài)植草混凝土的強度主要依賴于骨料與骨料之間的接觸面積、骨料與水泥凝膠粘合層的粘合力以及水泥凝膠厚度。文獻[2-3]指出EPC材料內(nèi)部的片狀骨料是強度的薄弱環(huán)節(jié)，且大孔隙周圍的骨料邊緣與骨料和砂漿基質(zhì)薄弱交界處多出現(xiàn)應(yīng)力集中。

重慶交通大學(xué)郭桂香[4]研究表明，多孔混凝土的強度影響因素主次為：孔隙率>骨料粒徑>水灰比>減水劑摻量。文獻[5-6]分析發(fā)現(xiàn)，生態(tài)混凝土的抗壓強度與孔隙率之間有很好的相關(guān)性;孔隙率的增加，應(yīng)力集中以及面積減小會導(dǎo)致強度降低，抗壓強度隨之減小。也有研究指出，摻合料的加入能改善多孔混凝土的透水性和孔結(jié)構(gòu)，但抗壓強度也會有所降低[7]。

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)全洪珠等[8]制備不同水膠比、目標(biāo)孔隙率的多孔生態(tài)混凝土，測試其物理力學(xué)性能。試驗發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)孔隙率越高，強度受水膠比影響越小；目標(biāo)孔隙率相同的，水膠比越高，實際孔隙越多。

黃凱健等[9]研究發(fā)現(xiàn)，考慮粗集料包裹層厚度的配合比設(shè)計方法配置的混凝土能大大縮減實際孔隙率與目標(biāo)孔隙率的偏差，且提高一定強度。

劉小康[10]等分析發(fā)現(xiàn)骨料級配結(jié)構(gòu)與多孔混凝土性能有著良好的相關(guān)性；中南大學(xué)張賢超[11]也在透水混凝土的研究中提出適宜的骨料粒徑和級配能使多孔混凝土形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，摻入少量細(xì)骨料能改善混凝土強度。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)王玉軍[12]研究植生型再生磚骨料混凝土的力學(xué)性能和透水性能發(fā)現(xiàn)，漿體水灰比、目標(biāo)孔隙率、再生磚骨料粒徑都對其性能有不同程度的影響，目標(biāo)孔隙率對兩者都有顯著影響，且兩個性能之間此消彼長，呈反比例關(guān)系。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，孔隙率與骨料粒徑、骨料級配及形態(tài)都會影響EPC的強度。不同孔隙率及骨料級配方式對EPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著決定性影響，而孔結(jié)構(gòu)又直接影響到其強度。

3.2 孔結(jié)構(gòu)與抗凍性

EPC的工程應(yīng)用范圍決定了它的服役環(huán)境，冬季雨雪天氣將對其耐久性能產(chǎn)生重要影響。有研究指出，孔隙率及水膠比大小是影響大孔生態(tài)混凝土抗凍性能的主要因素[13]。

文獻[14-15]指出，快速凍融過程中透水性生態(tài)混凝土試件的整體孔隙率提高，裂縫一般出現(xiàn)在硬化水泥漿體和骨料的界面結(jié)合處，繼而出現(xiàn)裂縫使得試件破壞;受凍時，毛細(xì)孔壁同時承受靜水、滲透壓力，連通孔隙加劇破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷受到損傷，使其抗凍融循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)低于普通混凝土。

江蘇大學(xué)顏庭成等[16]開展凍融試驗，發(fā)現(xiàn)水凍水融和氣凍水融的破壞機理相同，但凍融循環(huán)周期不同，這與凍脹過程中產(chǎn)生破壞力有關(guān)，凍脹力的產(chǎn)生則受整個混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響。

EPC內(nèi)部存在許多連續(xù)互通的孔隙通道，又因其應(yīng)用環(huán)境使得孔隙通道內(nèi)長期存在著一定水分，在承受凍融循環(huán)作用時，混凝土內(nèi)外同時發(fā)生破壞，破壞程度遠(yuǎn)高于普通混凝土。

3.3 孔結(jié)構(gòu)與抗硫酸鹽侵蝕性

普通混凝土的破壞由表及里，而EPC內(nèi)部存在大量連通孔隙，抗侵蝕性能遠(yuǎn)低于普通混凝土。用于人工海岸、土壤高鹽、鹵水酸雨地區(qū)的EPC服役環(huán)境更為惡劣，經(jīng)常受到干濕交替及硫酸鹽侵蝕作用，嚴(yán)重影響其耐久性能。

青島理工大學(xué)李秋義等[17]研究表明，硫酸鹽侵蝕作用在內(nèi)外同時發(fā)生，孔隙率越大，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)越低，抗硫酸鹽侵蝕性能越差。主要原因在于：大孔生態(tài)混凝土特殊骨架孔隙結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部多是點點接觸受力，小部分面面接觸受力，孔隙率越大，內(nèi)部接觸點面積就越小，抗侵蝕性能也越差[18]。

東南大學(xué)潘文佳等[19]研究發(fā)現(xiàn)，相同孔隙率下，骨料粒徑越小，多孔混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能越好；文獻[20]對生態(tài)混凝土的耐化學(xué)性-浸出和硫酸鹽侵蝕的實驗方法做出了總結(jié)，后續(xù)的研究可以借鑒。

3.4 孔結(jié)構(gòu)與植被相容性

EPC內(nèi)部的植被種子隨齡期的延長，不斷發(fā)育、生長，當(dāng)植被逐漸成熟，植物根莖尺寸過大時，將對EPC的孔隙結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重威脅。且植被的生存狀況取決于EPC內(nèi)部是否具有足夠的孔隙，充足的孔隙才能讓植被良好生長。

中南林業(yè)科技大學(xué)張貴[21]分析研究了EPC的孔隙結(jié)構(gòu)特征，提出“透砂系數(shù)”以表征孔隙結(jié)構(gòu)與植被根系的結(jié)構(gòu)相容性，并評價其植生性能；等效孔徑也可作為EPC植生性能的主要評價指標(biāo)。

3.5 孔結(jié)構(gòu)與植生降堿技術(shù)

EPC孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定需要膠凝材料來維持，而水泥作為膠凝材料，其水化作用會產(chǎn)生大量的氫氧化鈣，使得混凝土呈強堿性，這種堿性環(huán)境并不利于植被的生長。降堿處理一直是EPC技術(shù)應(yīng)用的瓶頸之一[22]。加之多孔結(jié)構(gòu)特性,使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對外界環(huán)境的變化更為敏感，植被更容易受到腐蝕。

胡勇有等[23]認(rèn)為EPC平均孔徑太小，其間填充的營養(yǎng)成分有限，且填充的營養(yǎng)物質(zhì)受水泥漿堿度釋放的影響較大，均不利于植物生長，而平均孔徑大又易使其保水性降低。

文獻[24]通過試驗發(fā)現(xiàn)，僅從水泥種類或改性材料的改變、摻入并不能很好地對綠色生態(tài)混凝土進行降堿。南京工業(yè)大學(xué)奚新國[25]從形成高孔隙率和降低材料孔隙液相堿度兩個方面,設(shè)計不同類型多孔混凝土,試驗證明可行，能達到設(shè)計要求。

由以上研究可以發(fā)現(xiàn)，達到孔結(jié)構(gòu)與酸堿度平衡，需要從多方面入手，才能有效改善EPC的植生性能。

4 生態(tài)多孔混凝土結(jié)構(gòu)與性能匹配對策

4.1 孔結(jié)構(gòu)

對普通混凝土而言，骨料種類確定后其強度也基本確定了，所以對于EPC而言，優(yōu)選骨料壓碎指標(biāo)值較小的骨料也就能夠較好提高其強度[26]。

選擇合適的孔隙率、骨料種類、粒徑與級配，確定穩(wěn)定的孔結(jié)構(gòu)；再采用高等級水泥，確定適合的水灰比，摻入一定的外加劑和摻合料，提高膠凝材料的粘結(jié)力，從而有效提高EPC強度。

4.2 外加劑

透水混凝土中加入適當(dāng)?shù)囊龤鈩〢EA[27]和乙烯-乙酸乙烯酯乳膠能提高其強度和凍融耐久性。

普通硅酸鹽水泥摻入ɑ-半水硫酸鈣，模擬碳化和添加降堿外加劑，均有降低膠凝材料PH值的效果[28]。

4.3 摻合料

摻入硅粉和粉煤灰[29]能夠有效提高硬化水泥漿體的密實度，提高EPC強度，且凍融環(huán)境下?lián)饺敕勖夯姨岣咝Ч麅?yōu)于硅灰。

聚丙烯腈纖維能夠改善生態(tài)多孔混凝土的抗凍性能，摻量為1%時抗凍性能改善效果最好，且不會影響其他基本性能[30]。

EPC多孔結(jié)構(gòu)與性能的匹配，除了從孔隙結(jié)構(gòu)本身來優(yōu)化構(gòu)建外，還可以對特種水泥與各種摻合料、外加劑進行研究與開發(fā)，以提高強度，改善耐久性，保證良好的植生性能。

5 結(jié)論與展望

較之國外，我國對EPC的研究起步較晚，近年來雖然進行了許多研究，但在設(shè)計、應(yīng)用、驗收評定方面都還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和體系。且對于其結(jié)構(gòu)特性與性能之間的匹配研究還不是很深入、全面，今后的研究工作還需要解決以下問題：

(1)對EPC的結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的宏微觀研究，還未全面總結(jié)其特征，可研究構(gòu)建優(yōu)化的孔結(jié)構(gòu)模型,提供理論支持。

(2)從孔隙率、骨料、水灰比入手研究其各項性能較多，沒有從EPC的具體結(jié)構(gòu)形式來分析其性能的影響變化。

(3)對于EPC耐久性能的研究，大多集中于抗凍、抗侵蝕性能，而EPC還常用于透水路面，缺乏抗折耐磨性能、開裂現(xiàn)象的研究。

(4)不同植被對不同環(huán)境的適應(yīng)性不同，植物生長與孔結(jié)構(gòu)匹配還缺乏研究，調(diào)節(jié)改善EPC強度及耐久性的同時，還需兼顧植生性能。

EPC對于“海綿城市”的建設(shè)十分重要，承擔(dān)著保護環(huán)境、維護生態(tài)的綠化工作。結(jié)合結(jié)構(gòu)特性與性能，研究出最佳匹配機制，能夠推動EPC技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對于改善城市生態(tài)環(huán)境有著舉足輕重的作用，應(yīng)用推廣前景巨大。