页岩陶粒植生型多孔混凝土制备与植生试验研究

，，1b,，大翔， ，，，

(1.三峡大学 a.土木与建筑学院；b.三峡地区库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002)

页岩陶粒植生型多孔混凝土制备与植生试验研究

刘琦1a，夏振尧1a，1b,2，刘大翔1b，2，张伦1a，姚小月2，许文年1a，2

(1.三峡大学 a.土木与建筑学院；b.三峡地区库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002)

2017,34(12):115-121

为了研究页岩陶粒的颗粒级配对植生型多孔混凝土密度、抗压强度、空隙率以及内部空隙pH值的影响，设置2种页岩陶粒颗粒级配，测其堆积密度、表观密度、空隙率和吸水率等基本物理性质，对页岩陶粒进行植生型多孔混凝土的配合比设计计算。黄棕壤土中掺杂适量的粉煤灰、复合肥、FeSO4和醋酸乙烯乳液制成改性土壤，改性土壤、腐殖质、蛭石粉末按2∶2∶1的比例加水调成流动度为210～240 mm的种植基质浆体，采用上置式和中置式2种种植构造进行植生试验。结果表明：12组植生型多孔混凝土的密度随颗粒级配和设计目标空隙率的变化在600～800 kg/m3之间变化，28 d龄期的混凝土抗压强度在5 MPa以上，内部空隙部位的pH值在11～12之间；配制的种植基质取得了良好的植生效果，在必要的养护和管理条件下，植物完全可以在2种种植构造中健康地生长。

页岩陶粒；多孔混凝土；密度；pH值；抗压强度；空隙率；植生

1 研究背景

植生型多孔混凝土是由粗骨料和水泥胶结而成的一种物理堆聚(不同粒径的粗骨料通过不同的排列方式形成的堆聚体)结构，一般不含有细骨料，其主要特征是具有连续空隙结构、透水率和空隙率较高[1]。植生型多孔混凝土利用内部的连续空隙结构为植物根系提供生长发育空间，使植物能在上面生长，这种混凝土可用于房屋、市政工程坡面结构以及边坡支护、江河护岸等表面的绿化与保护[2-3]。

在江河、湖泊、水库等经常受水侵蚀且坡度稍大的岸坡，植生型多孔混凝土自身重力的大小对是否会引起岸坡岩土层的滑动或脱落产生重要的影响[4]；而植生型多孔混凝土内部空隙的pH值过大，则会对植物根系的生长发育起到制约作用[5]。目前对于植生型多孔混凝土的研究主要集中于配合比参数对多孔混凝土力学性能和耐久性等的影响，而对如何有效地降低植生型多孔混凝土的密度和内部空隙的pH值则研究较少[1,6]。

本文以轻质页岩陶粒为粗骨料，采用绝对体积法以目标空隙率为控制参数进行植生型多孔混凝土的配合比设计,研究页岩陶粒的颗粒级配对植生型多孔混凝土密度、抗压强度、空隙率以及内部空隙pH值的影响。植生试验研究从护坡植物的选择、植物生长的必要条件、种植基质的选择和植生试验方法4个方面出发，在制备的植生型多孔混凝土上进行植生试验，通过必要的养护和管理，使植物长势良好。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 植生型多孔混凝土材料

制备页岩陶粒植生型多孔混凝土所用的原材料包括页岩陶粒、水泥和水。页岩陶粒采购于宜昌市汇腾陶粒制品贸易有限公司生产的轻质碎石型页岩陶粒，其主要成分包括SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO。其中SiO2的质量百分数高达60.3%，如表1。水泥采用的是宜昌市弘洋水泥有限公司生产的标号为42.5的普通硅酸盐水泥，水为蒸馏水。

表1 页岩陶粒化学成分

在植生型多孔混凝土的植生绿化中，植物根系必须能够在混凝土内生长发育并且穿透多孔混凝土扎根于基层土中，因此在制备植生型多孔混凝土的过程中，粗骨料的选用尤为重要[7]。粗骨料粒径太小植物根系很难穿透混凝土，粒径太大又会降低混凝土的强度，因此通常选用粒径在10～20 mm之间的粗骨料，且单一粒径级配更有利于形成连续空隙[8-10]。本文设置2种页岩陶粒的颗粒级配，如表2。分别测定2个页岩陶粒组的颗粒堆积密度、表观密度、空隙率和吸水率等主要物理性质，如表3。

表2 页岩陶粒颗粒级配组

表3 页岩陶粒颗粒级配组的物理性质

2.1.2 植生试验材料

本文选用广泛应用于边坡防护绿化工程中的狗牙根进行植生试验。狗牙根属禾本科多年生草本植物，具有根状茎及匍匐枝，匍匐枝的扩展能力极强，适宜的土壤酸碱性范围很广(pH值为5.5～7.5)，在轻沙盐碱地中生长也较好，极耐热且耐旱。由于狗牙根的耐践踏性、侵占性、再生性及抗恶劣环境能力极强，耐粗放管理，且根系发达，常用于公路、铁路等工程的固土护坡绿化和堤岸、水库的水土保持，是极好的固土绿化和水土保持植物[11]。

土壤取自三峡大学翠屏山，类型为黄棕壤土。取深度为0.3 m的表层土，去除杂质，风干后捣碎过0.5 mm筛，测得土样的pH值为6.4，选取3 kg的土样制备种植基质。

种植基质中适当添加粉煤灰、复合肥、FeSO4、醋酸乙烯乳液、腐殖质和蛭石粉末进行改性，如图1所示。

其中，粉煤灰可为植物提供可溶性硅、钙、镁等养分以及多种微量元素；复合肥可增加土壤的肥力，提高土壤的氮、磷、钾含量；FeSO4使改性土壤偏酸性，用来中和植生型多孔混凝土中的碱性，使多孔混凝土中的种植基质能适宜植物的生长；醋酸乙烯乳液可提高土壤的抗冲刷能力[1,12]。

图16种基质改性材料

Fig.1Sixmaterialsforimprovingsubstrate

腐殖质是以树叶为原料，粉碎发酵而成，能为植物提供丰富的腐殖酸和有机物；蛭石粉末是一种无机矿物质，密度小，疏松透气，保水排水性好，保肥性良好，用作种植基质的添加剂[13-14]。

2.2 试验方法

2.2.1 植生型多孔混凝土配合比设计

植生型多孔混凝土配合比设计中，水灰比起着极其重要的作用，它决定着浆体的流动性，既影响植生型多孔混凝土的强度，又影响植生型多孔混凝土的空隙率。已有研究表明[1-2,5,8]，当水灰比在0.21～0.30范围内时，将浆体流动度控制在150～200 mm易于搅拌成型，浆体不流淌，能均匀包裹粗骨料，且层底空隙无堵塞[1,15-16]。本文页岩陶粒植生型多孔混凝土的制备中，设置3种净浆水灰比，分别为0.20，0.25，0.30。

土壤的空隙率为40%～60%，普通混凝土的空隙率只有4%左右，相关研究[1-2,5,8,11,14]认为随着种植植物和实际应用的不同，植生型多孔混凝土的设计空隙率一般要求在30%左右。本文页岩陶粒植生型多孔混凝土的制备中，设置2种目标空隙率，分别为27%，33%。

根据植生型多孔混凝土配合比设计方法的相关经验[1-2,5,17-18]，采用绝对体积法以目标空隙率为控制参数进行植生型多孔混凝土的配合比设计。胶结材浆体体积、粗骨料体积、目标空隙体积之和为1 m3，各原材料用量按式(1)—式(4)计算。

WG=ρ1α。

(1)

式中：WG为单位体积粗骨料用量(kg/m3)；ρ1为粗骨料紧密堆积密度(kg/m3)；α为折减系数，按碎石型取值0.98。

(2)

式中:WJ为单位体积的水泥浆体用量(kg/m3)；ρ2为粗骨料表观密度(kg/m3)；ρJ为水泥浆体密度，参照砂浆质量密度测试方法，在水灰比分别为0.2，0.25，0.3情况下，计算得出胶结浆体的密度分别为2 273.3，2 163.1，2 070.5 kg/m3；R1为设计目标空隙率(%)。

WC=WJ/(1+P) 。

(3)

式中：WC为单位体积水泥用量(kg/m3)；P为净浆水灰比。

WW=WCP+WGn。

(4)

式中：WW为单位体积总用水量(kg/m3)；n为粗骨料吸水率。

不同配合比设计参数的原材料用量见表4。

表4 不同配合比设计参数的原材料用量

2.2.2 植生型多孔混凝土制备过程

植生型多孔混凝土的制备中，由于水泥用量少、无细骨料，新拌的植生型多孔混凝土流动性较普通混凝土有很大程度的减小，浆体与粗骨料和粗骨料自身之间的内摩擦力很大，搅拌时非常困难。如果不注意搅拌工序，弄混填料顺序，浆体易粘结成团，不仅难以拌合而且在结构上很难形成连续的整体结构[1,19]。

页岩陶粒植生型多孔混凝土的制备按以下步骤：①粗骨料和70%的水拌和，搅拌1 min；②加入50%的水泥，搅拌1 min；③加入剩余的50%的水泥和30%的水拌和，搅拌2 min；④将新拌的混凝土分3层铺装到100 mm的立方块模具中，每层用直径16 mm的铁棒插捣20次，装满后先机械振动20 s，然后施加0.1～0.5 MPa的压力[1，20-22]。

成型后，直接将试块连同试模一起放到实验室养护，并在植生型多孔混凝土的早期养护阶段不定期地向混凝土表面洒少量的水以保持混凝土的湿润。由于植生型多孔混凝土的早期强度较低，养护24 h进行拆模极易造成多孔混凝土试块边角的脱落，故试块成型后隔天进行拆模，拆模后继续将试块在实验室内养护至龄期7，28 d[7,20-21,23]。

2.2.3 植生型多孔混凝土物理性质测定

页岩陶粒植生型多孔混凝土试块养护完成后，分别测定页岩陶粒植生型多孔混凝土的密度、无侧限抗压强度、空隙pH值和有效空隙率。

密度的测定按照《混凝土质量控制标准》(GB 50164—2011)[24]中关于混凝土块密度的测量方法，将在实验室养护龄期达7 d和28 d的多孔混凝土标准试块放在垫有托盘的高精度电子天平中称其质量，每种配合比的混凝土测3个试样，取平均值。

在达到养护期龄前1～2 d时，将在实验室养护的混凝土试块取出，用水泥浆对试块的受压面和底面进行水泥抹面，保证植生型多孔混凝土试件在做抗压试验时的承压面面积不出现大的偏差[1,20-21]。采用NYL2000D型试验机分别测试多孔混凝土在龄期7 d和28 d时的抗压强度。

目前，多孔混凝土内部空隙pH值的测量方法无国标或行业标准可以遵循，一般试验都采用固液萃取法测定碱度，具体步骤为：①从实验室中取出达到龄期的混凝土试块进行破碎，充分研磨，过0.1 mm筛；②称取8～10 g，加入到含10倍质量蒸馏水的瓶中；③用毛玻璃塞塞紧防止碳化，每隔5 min摇动均匀一次，2 h后使用酸度计测定pH值[25-26]。

将页岩陶粒植生型多孔混凝土试块浸泡24 h后，在水中称取其质量m1。将试件从水中取出，擦干表面多余的水分并烘干内部吸入的水，待到试件的质量恒定后称取试件在空气中的质量m2。有效空隙率R[1]的计算公式为

(5)

式中：ρw为水的密度(g/cm3)；V0为试件的外观体积(cm3)。

2.2.4 配制种植基质

根据植生型多孔混凝土的特点，适合植物生长的种植基质应该具有满足碱性中和能力、保吸水能力、肥力、材料易填充性和抗冲刷能力等特点[12,27-28]。

取三峡大学翠屏山上的土壤，土壤类型为黄棕壤土，在土壤中掺杂适量的粉煤灰、复合肥、FeSO4和醋酸乙烯乳液制成改性土壤。改性土壤、腐殖质、蛭石粉末按质量比例为2∶2∶1配制，加适量水调成流动度为210～240 mm的种植基质浆体。

2.2.5 种植构造

在温棚内选取一块1 m×2 m的荒地，将荒地翻新，去除杂草，整平土壤，为基层土。本文采用上置式和中置式2种种植构造，如图2所示。

(a)上置式(种子在腐殖质中，且在多孔混凝土上方)

(b)中置式(种子在基质中，且在多孔混凝土的空隙中)

图2种植构造

Fig.2Plantingstructures(a.seedsinhumusoverheadtheporousconcrete;b.seedsinsubstrateamongvoidsoftheporousconcrete)

上置式种植构造如图2(a)所示，种植基质浆体完全填充植生型多孔混凝土的内部空隙，在植生型多孔混凝土试块的上方铺一层约70 mm厚的、按10～15 g/m2的比例拌合有狗牙根种子的腐殖质土；中置式种植构造如图2(b)所示，将按10～15 g/m2的比例拌有狗牙根种子的种植基质浆体完全填充混凝土内部空隙。2种种植构造的混凝土试件均置于基层土上，为贴近自然环境，试件四周用基层土围起来，及时用雾化管浇水灌溉[2]。

植生试验在2月底进行，当地气温比较低，温棚内的气温维持在15 ℃左右，湿度比较低。在植生后前期多阴雨天，温度较低，光照时间较短；后期多晴天，温度较高，光照时间长。一个星期用雾化管浇一次水，定期清除杂草，半个月记录一次植物的长势。

3 结果与分析

3.1 植生型多孔混凝土物理性质

3.1.1 密度

由表5可知：混凝土的密度随颗粒级配和设计目标空隙率的变化而变化，一般在600～800 kg/m3之间，与普通混凝土的密度(1 900～2 500 kg/m3)相比是很小的；在同一颗粒级配下，随设计目标空隙率的增加，植生型多孔混凝土的密度降低。

3.1.2 抗压强度

由表6可知，混凝土试块在实验室养护达到28 d龄期时，其抗压强度基本上在5 MPa以上。由于颗粒级配2比颗粒级配1的级配更加优良，所以在相同的水灰比、设计目标空隙率和养护龄期下，颗粒级配2的100 mm立方体混凝土试件比颗粒级配1的100 mm立方体混凝土试件的抗压强度要大。同时颗粒级配1的100 mm立方体混凝土试块的抗压强度变化幅度比颗粒级配2大。

表5 植生型多孔混凝土的密度

表6 植生型多孔混凝土立方块的抗压强度

在同一颗粒级配和设计目标空隙率下，随着水灰比变大，相同龄期的混凝土试块的抗压强度总体呈轻微上升趋势。因为为了保证多孔混凝土强度的同时要保证混凝土的空隙率，所以相较普通混凝土而言，制备多孔混凝土时水灰比的取值偏低。而本文采用的页岩陶粒的空隙率和吸水率较高，对水泥浆体的实际含水量有一定的影响，所以水灰比越大，水泥水化越完全，混凝土的强度呈上升趋势。

3.1.3 pH值

由表7可以看出，在28 d龄期下植生型多孔混凝土的内部空隙部位的pH值在11～12之间，比普通混凝土的值偏低，这主要是因为多孔混凝土的内部空隙大且多，接触空气的机会大，碳化作用明显。在本文中，以页岩陶粒为粗骨料进行植生型多孔混凝土的制备时，粗骨料在硬化过程中不会与水泥发生化学反应，对植生型多孔混凝土空隙中的pH值不会产生影响。

表7 混凝土内部空隙部位的pH值

3.1.4 有效空隙率

根据表8可以看出，在颗粒级配1下，随着设计空隙率的增大，实测有效空隙率越来越接近设计值，而颗粒级配2的情况则相反，其中颗粒级配1为11～20 mm粒径的粗骨料，颗粒级配2为8～20 mm粒径的粗骨料。这说明当预留空隙增大时，就越容易形成连通或者半连通空隙。由于大粒径粗骨料拌合物的压实程度远小于小粒径粗骨料拌合物，小粒径粗骨料的堆聚体结构更加致密，从而对多孔混凝土的预设目标空隙率有较大的影响。

表8 混凝土实测有效空隙率

3.2 植生结果与分析

3.2.1 植生结果

在必要的养护和管理条件下，植物的生长情况如图3—图5所示。

(a)颗粒级配1

(b)颗粒级配2

图3不同颗粒级配上置式种植构造30,45,60d植物的生长状况

Fig.3Growthconditionsofplantsinporousconcreteofdifferentparticlegradationsattheageof30,45,and60days(plantingstructurea)

3.2.2 植生结果分析与讨论

(1)如图3和图4，植生试验前期大多为阴雨天，温棚内的温度、湿度均较低，在30 d左右可以看到有少量的植物幼苗，植物种子发芽率仅为5%～10%，幼苗高度在0.5 cm左右；接下来的15 d内，随着天气的变暖，温棚内的温度与湿度急剧上升，植物种子有大量出芽的迹象并持续生长，在植生试验45 d左右，狗牙根长势良好且大部分种子已发芽完毕，植株高度在3～5 cm之间；在植生试验60 d时，狗牙根长势旺盛，植株高度已达10 cm以上，植株覆盖度达95%以上。

(a) 颗粒级配1

(b) 颗粒级配2

(a) 剖面图 (b)侧面图

图5中置式种植构造多孔混凝土空隙填充情况

Fig.5Photosofvoidfillingofporousconcrete(plantingstructureb)

(2)颗粒级配组1为不良颗粒级配，多孔混凝土块主要是由大粒径页岩陶粒浇筑而成，内部空隙大且多；颗粒级配组2的颗粒级配良好，多孔混凝土块由连续变化粒径的页岩陶粒浇筑而成，内部空隙相对较少且小。植生试验30 d时，植物刚出芽，长势无差别；植生试验45 d时，不论在上置式种植构造还是中置式种植构造中，颗粒级配1制备的多孔混凝土中植株的密度和长势都比颗粒级配2的要好，这种现象在植生试验60 d时更加明显，说明骨料的粒径对植物绿化的效果有很大影响。

(3)上置式种植构造中，植生试验早期植物受多孔混凝土碱性环境影响较小，容易生根发芽，植株密度大，绿化快。中置式种植构造中，植物的成活率较高，也能较快地产生绿化效果，但受限于多孔混凝土表面的空隙密度，故植株的密度不如上置式种植构造中的大。但是2种种植构造中，植物的长势一样，说明种植基质的碱性中和能力、保吸水能力和肥力良好，种植基质的配比优良。

(4)如图5所示，种植基质能有效地填充多孔混凝土的内部空隙，多孔混凝土利用内部空隙作为植物根系生长的空间，而种植基质为植物的初期生长提供所必须的养分。植生试验后期，植物根系通过多孔混凝土中的连通孔穿透混凝土，扎根于基层土壤。

(5)上置式种植构造中，种植层为覆盖在植生型混凝土上方的腐殖质，此构造对腐殖质层的抗冲刷性和保吸水能力有较高的要求；中置式种植构造中，种植层为植生型混凝土中的种植基质浆体，与上置式相比，在植物生长初期对种植基质的抗碱能力有较高的要求。

4 结 论

本文从保证植生型混凝土空隙率和抗压强度，同时降低植生型混凝土密度的目的出发，采用轻质碎石型的页岩陶粒制备植生型多孔混凝土，结论如下：

(1)在不掺杂任何添加剂的情况下，页岩陶粒植生型多孔混凝土的密度为普通多孔混凝土密度的1/3左右，28 d龄期的抗压强度在5 MPa以上，能满足边坡防护绿化中对混凝土强度的要求。

(2)根据试验结果，粗骨料的颗粒级配对植生型多孔混凝土的抗压强度和植生试验的效果都会产生重要的影响，在植生型多孔混凝土的工程实践中，应对粗骨料的颗粒级配进行优化。

(3)植生试验中的温度、湿度及光照等环境条件对种子的发芽时间和发芽率有很大的影响，因此应选择在合适的季节和气候条件下进行植生试验。

(4)种植基质要求有良好的物理、化学特性，包括碱性中和能力、保吸水能力、肥力、抗冲刷能力和易填充性，本文配制的种植基质取得了良好的植生效果，种植基质的配比优良。

试验结果表明，页岩陶粒植生型多孔混凝土在降低自身对岸坡岩土层影响的条件下，既能提供满足边坡稳定的强度又能进行植生，可以与大自然和谐共存，对保护环境有积极的作用，值得推广。

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Shale Ceramsite Porous Concrete for Plant Growing: Preparation and Planting Test

LIU Qi1, XIA Zhen-yao1,2,3, LIU Da-xiang2,3, ZHANG Lun1, YAO Xiao-yue3, XU Wen-nian1,3

(1.College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area under Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area of Hubei Province, Yichang 443002, China)

The aim of this research is to study the influence of grain size distribution of shale ceramsite on the bulk density, compressive strength, void ratio and pH value in the internal voids of porous concrete for plant growing. First of all, we set up two groups of grain size distribution of shale ceramsite, and measured the basic physical properties such as stack density, apparent density, void ratio and bibulous rate for mixture proportion design. Furthermore, we added fly ash, compound fertilizer, FeSO4and vinyl acetate emulsion into yellow brown loam to prepare modified soil, which was further mixed with humus and vermiculite powder in a proportion of 2∶2∶1 to obtain planting substrate flurry of a fluidity of 210-240 mm. Then we carried out planting tests with two planting structures: a. seeds in humus overhead the porous concrete; b. seeds in substrate among voids of the porous concrete. Test results showed that with the changes of grain size distribution and target void ratio, the bulk density of 12 groups of porous concrete varied between 600-800 kg/m3; compressive strength of the porous concrete at the age of 28-day was above 5 MPa; and the pH value of internal voids between 11 to 12. Under necessary maintenance and management conditions, plants could completely grow well in the porous concrete, indicating that the mixture proportion of planting substrate is good.

shale ceramsite; porous concrete; bulk density; pH value; compressive strength; void fraction; vegetating

10.11988/ckyyb.20160800

2016-08-09；

2016-09-12

国家自然科学基金项目(41202250)；长江科学院开放研究基金项目(CKWV2015205/KY)；三峡大学研究生科研创新基金项目(SDYC2016023)

刘 琦(1992-)，男，山西大同人，硕士研究生，主要从事水土保持与生态修复研究，(电话)15549308781(电子信箱)1543594118@qq.com。

夏振尧(1981-)，男，湖北武汉人，教授，博士，博士生导师，主要从事水土保持与生态修复研究，(电话)0717-6392300(电子信箱)xzy_yc@126.com。

TU528.2

A

1001-5485(2017)12-0115-07

(编辑：占学军)