植生型再生磚瓦混凝土制備與試驗

翟家歡，王成名

1.泰山基業開發建設有限公司，山東泰安271018

2.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

植生型再生磚瓦混凝土制備與試驗

翟家歡1，王成名2

1.泰山基業開發建設有限公司，山東泰安271018

2.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

本文研究了利用再生磚瓦骨料配制植生型混凝土的配合比、制備工藝、降堿技術、植生土施工、植物的種植等技術。利用16～20 mm的再生磚骨料，制備出了水灰比為0.29、灰骨比為0.36、強度6.8 MPa、孔隙率為30%、pH值10以下、厚度為10 mm的混凝土。實驗結果表明：植生草可以穿透混凝土層，并在室外環境下生長良好。

再生骨料；植生型再生磚瓦混凝土；制備工藝

我國作為世界上最大的發展中國家，經濟發展迅速。近年來，每年消耗大量的水泥用于國家基礎設施建設和工業民用建筑，然而也產生大量的建筑垃圾和廢棄混凝土，對生態環境造成嚴重影響。在創建生態、環保社會的大背景下，如何充分利用廢棄混凝土，盡可能減少一次資源的消耗，受到社會各界高度關注。利用廢棄磚瓦再生骨料具有一定強度、孔隙率大、吸水率較高的特點，研究將其資源化利用，制備透水性能優良、強度滿足基本使用要求、植物能夠直接在其中生長的再生磚瓦混凝土將是解決這一問題的一種可行方法，為其生態應用提供必要的基礎性研究資料。植生型再生磚瓦混凝土是指以一定孔徑、一定孔隙率的多孔混凝土為骨架，在多孔混凝土孔隙內填充植物生長所需的物質，植物根系生長于孔隙內或穿透多孔混凝土層生長于土壤中的一類混凝土或混凝土制品。植生型再生磚瓦混凝土可應用于護岸、護坡等，不僅增加了城市綠化面積，還保護了生態環境。

本文利用廢棄磚瓦再生骨料，研究植生型生態再生磚瓦混凝土的制備和植生性能試驗，為植生型再生磚瓦混凝土的工程應用提供參考。

1　植生型再生磚瓦混凝土的制備

1.1原材料

1.1.1水泥泰安魯潤水泥制造有限公司生產P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積362 m2/kg，28 d抗壓強度52.4 MPa。

1.1.2碎磚建筑用廢棄磚瓦，經過兩次破碎篩選符合試驗需要的磚塊，所需骨料粒徑為16～20 mm。

1.1.3拌合水山東省泰安市普通自來水。

1.2再生磚瓦骨料的處理

1.2.1再生磚骨料的破碎與篩選試驗選用建筑工地臨時用房拆除后的廢棄磚瓦，經人工破碎、篩分、清洗出粒徑值為16～20 mm的骨料，用水沖洗的主要目的是去除表面附著的塵土及雜質（圖1、2）。

1.2.2骨料掛漿根據多孔混凝土的配合比設計及攪拌目的要求，新拌多孔混凝土應是特定稠度的、充分攪拌的膠結漿體均勻包裹而成。為此，采用二次裹漿法進行植生型再生磚瓦骨料混凝土的拌制，即先將一定量的磚骨料跟水泥、水等攪拌均勻，使骨料表面包裹一層薄薄的水泥漿體。經晾干后再次用一定量的水、水泥將骨料包裹。如圖3所示為裹漿法的攪拌過程。圖4所示二次裹漿法攪拌的植生型再生磚瓦骨料混凝土表面具有金屬光澤，膠結漿體均勻，粘結性好，穩定的包裹著骨料表面。

圖1　人工破碎廢棄磚塊Fig.1 Waste bricks crushed by men

圖2　人工篩選骨料Fig.2 Artificial screening aggregate

圖3　二次裹漿法攪拌過程Fig.3The mixing process of two times of slurry

圖4　二次裹漿法處理與未處理對比Fig.4The comparison with and without the treatment

1.3配合比設計

1.3.1原材料的物理性能測定按照標準JGJ535《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》測定碎石集料的表觀密度和緊密堆積密度見表1；參照砂漿密度測定方法測定水泥凈漿密度，見表2。

表1　再生骨料的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of recycled brick aggregate

表2　膠結材料凈漿密度Table 2 Net pulp density of cementing material

1.3.2最佳水灰比建筑垃圾骨料由于來源、生產方法等因素的影響，其物理力學性能均有很大的差異，因此每一種再生粗骨料配制的植生型再生混凝土的最佳水灰比和灰骨比是不同的，只有在最佳水灰比和灰骨比時，植生型再生磚瓦骨料混凝土才達到設計要求的孔隙率與強度。

植生型再生磚瓦骨料混凝土的制備的關鍵是膠結材流動度試驗，此實驗的本質是觀測膠結材流動性和粘聚性。而膠結材的流動性和粘聚性是矛盾的，若水灰比過小，多孔混凝土會因干硬而無法攪拌均勻，膠結材料不能完全包裹集料表面，影響集料間的粘結，從而影響多孔混凝土的強度；反之，若水灰比過大，膠結材料容易發生離析，形成致密的水泥漿層，可能堵死多孔混凝土中的部分孔隙，不僅影響孔隙的連通，也不利于強度的提高［1，2］。

文獻表明，透水性混凝土的最佳水灰比為0.25～0.35［3］。本文設計孔隙率為30%，水灰比在0.29～0.33之間可以保證水泥砂漿具有一定的粘聚性和流動性，試塊底部沒有沉漿現象，孔隙無堵塞。最終確定在水灰比為0.29時，植生型混凝土拌合物粘結性好，有金屬光澤，屬于最佳狀態。

表3　試驗因素水平Table 3 Level of experimental factors

表4　最佳水灰比、灰骨比時混凝土物理力學性能測試結果Table 4 Mechanical performance test results under the optimum mix ratio

由表4可看出骨料粒徑為16～20 mm的再生磚骨料，在不用摻合料情況下，最佳水灰比為0.29，最佳灰骨比為0.36，植生型再生混凝土的強度及孔隙率符合設計要求。

1.3.3配合比計算因再生磚骨料吸水率大，根據飽和骨料體積法計算配合比，體積法的原理可概括為在攪拌混凝土前將再生磚骨料充分吸水，達到飽和狀態，膠結材料將緊密堆積的粗集料均勻地包裹粘結在一起，凝固硬化后形成的空隙空間即為目標設計空隙。即粗骨料體積+膠結材漿體體積+目標空隙體積=1。確定了要求孔隙率在30%，水灰比為0.29的多孔混凝土配合比，如表5所示

表5　植生型再生磚瓦混凝土配合比Table 5 The mix proportion of plant-growing concrete with recycled rubble

1.4攪拌工藝

植生型再生磚瓦混凝土，由于水泥漿體的數量較少，采用傳統的一次加料進行攪拌的方法無法使水泥漿體把骨料完全包裹，使得骨料之間的粘結性降低，不利于強度的提高。本文經過大量試驗，采用分次給料，分次攪拌的工序得到的混凝土粘結性好，有金屬光澤，膠結材料能包裹在骨料的表面，不僅提高了植生型再生磚瓦骨料混凝土的粘結性，還提高了混凝土的連通孔隙率和強度（圖5）。

圖5　植生型再生磚瓦混凝土的攪拌工序Fig.5 The mixing process of plant-growing concrete with recycled rubble

1.5試件成型

本試驗試塊尺寸為100×100×100 mm立方體，采用插搗密實的方法，分三層依次裝入模具進行插搗密實，第一層插搗均勻后，再倒入第二層插搗，依次進行。采用三層插搗密實法成型的多孔混凝土密實度高，成型效果好，水泥漿體能充分包裹骨料，保證了多孔混凝土的強度和成孔效果（圖6）。

1.6養護工藝

采用標準養護的方法，試件成型后，連同模具一起放入標養室，由于植生型再生磚瓦混凝土早期強度很低，在試塊成型后隔天拆模比較適宜。如還按照普通混凝土第二天拆模則極易造成多孔混凝土試塊邊角骨料的脫落。試塊拆模后繼續移入標養室進行標準養護至所需齡期（圖7、圖8）。

圖6　混凝土的成型效果Fig.6The forming effect of concrete

圖7　制備成功的多孔混凝土側面圖Fig.7The lateral view of prepared porous concrete

圖8　制備成功的多孔混凝土的底部圖Fig.8 The bottom diagram of prepared porous concrete

通過圖7、圖8可知，制備成功的多孔混凝土的孔隙率和底部的連通率符合試驗要求。

2　降堿技術

土壤的pH值一般在3.5～9.5之間，而混凝土孔隙內的pH值很高，在12～13之間，其主要原因是混凝土成型后水泥水化產生的晶體呈堿性。顯然，這么高的pH值無法滿足植物的生長，因此在進行植生試驗前，必須對混凝土孔隙內的堿環境進行改善。

2.1降堿原則

植生型再生磚瓦混凝土因水泥水化產生的晶體，使得孔隙內的堿性很強，要想能使植物生長，就必須降低混凝土孔隙內的堿性，但在降低的同時還需遵循以下原則：

（1）不能影響混凝土的強度。植生型再生磚瓦混凝土是植被生長的骨架，也是結構整體強度的根源，若在降低堿性的同時影響了強度，則會使混凝土的力學性能和耐久性受影響。

（2）滿足植物生長條件。植物要想生長，就必須使混凝土孔隙內的堿性降低到植物生長的適宜范圍，否則植物不能正常生長。

2.2降堿措施

很多學者已經在降堿方面取得了一定的成果。聶麗華通過改變輕質混凝土中輕骨料的組成類型利用正交試驗得出通過增加珍珠巖的量能有效地減小混凝土的pH值［4］；奚新國通過在膠結材料中添加各種添加劑，得出摻入65%～70%的粉煤灰，多孔混凝土28 d的pH值可降至11.50以下，90 d的pH值甚至可降至9.00～10.5［5］；胡春明通過對生態混凝土采用蠟封處理后，有效的抑制了生態混凝土孔隙內的堿性物質向外界釋放，孔隙內水環境pH值降低了0.5～1，滿足植生性的需要［6］；孫道勝采用溶液對多孔混凝土進行降堿處理，并將種子和營養土填入多孔混凝土孔隙中，植物能在孔隙內發芽和生長［7］。

文獻表明，在28℃氣溫下，硅酸鹽水泥中的堿有86%～97%釋放出來，其中有45%～85%是在前幾個小時內釋放出來的。在經過較長的時間曝曬后，硅酸鹽水泥硬化漿體中僅保留15%的堿［8］。本文采用溶液的方法對混凝土孔隙內的堿性環境改造，觀察混凝土的pH值是否能滿足植物生長。

2.3降堿試驗方案

2.3.1制備試塊試驗選用兩組A、B，每組各三個試塊，按按配比成型100 mm×100 mm×100 mm尺寸立方體試塊，在標準條件進行養護。設計1 d、3 d、7 d、14 d、28 d共五個齡期進行內部空隙中pH值的測定，具體方案見表6。

表6　內部空隙pH值測試試驗方案Table 6 Test scheme for pH of internal voids

2.3.2試塊處理同時對A組、B組的試塊進行標準養護，按照試驗的齡期進行pH值測試；養護A組的三個試塊分別用清水浸泡12 h后測出pH值；用溶液對養護7 d的B1、14 d的B2、28 d的B3試塊分別進行浸泡12 h，分別測出pH值。

2.3.3pH值測定方法將到規定齡期的試件從標養室從取出進行破碎，充分研磨，過篩（0.08 mm方孔篩），稱取10 g，然后加入到10倍質量的蒸餾水瓶中，用橡皮塞塞緊以防碳化，每隔約5 min搖動均勻一次，2 h后使用酸度計測定pH值。

2.3.4試驗結果及分析對兩組植生型再生磚瓦混凝土進行了pH值的測定，結果如表7所示

從表7中看出用清水浸泡處理的植生型再生磚瓦混凝土孔隙內的pH值保持在12～10左右。經過用溶液處理后，植生型再生磚瓦混凝土孔隙內的堿性降低比較明顯，對強度沒有明顯影響。28 d后處理時的降堿效果最好，滿足了植物的生長要求。充分驗證了下列反應：

從反應的過程可以看出，堿性物質被消耗，最終生成了中性的物質，因此，pH值可被降低［7］。同時也證明了用溶液處理植生型再生磚瓦骨料混凝土，降堿是可行的。

3　植生型再生磚瓦混凝土植生試驗

3.1植生土的選擇

植生土的主要成分包括：（1）有機質和腐殖質；（2）保水材料（3）堿度中和、緩沖材；（4）長效肥；（5）防水沖刷的粘結劑（6）殺蟲和其他組分［10］。

根據實踐經驗，選擇山東農業大學南校區泰安花卉市場出售的種植土和天然土壤按比例混合均勻，再摻加保水成分、酸度中和劑、長效肥和殺蟲劑即可。

3.2植生土的填充

試驗采用灌漿法進行植生土的填充施工。灌漿法是將植生土拌和均勻后用水及適量減水劑調制成漿體，將漿體填充于混凝土孔隙中。由于漿體失水后會收縮，為了達到更好的填充效果，可多次灌漿。如圖9、圖10所示為植生土的灌注后的狀態。試件尺寸250 mm×150 mm×100 mm。

圖9　混凝土灌注后的側面圖Fig.9The lateral view after pouring concrete

圖10　混凝土灌注后的狀態Fig.10 The state after filling concrete

3.3植物的選擇

根據本地的氣候和土壤條件（pH值、水分、土壤性質等）選擇植物莖挺拔、穿透能力強、耐寒、耐旱、耐踐踏、耐修剪的植物物種。對泰安當地實際情況考慮，本試驗選擇早熟禾進行植物種植試驗。早熟禾為多年生，具有伸展能力較強的根莖，生活周期長、適應環境的能力強，再生力強，廣泛適用于寒冷潮濕帶和過渡帶［9］。

3.4植物的種植

在經過多孔混凝土澆筑、孔隙降堿、植生土填充等工藝后，將早熟禾草種均勻播撒在植生土上，并用同樣組成的植生土覆蓋、撒水即可。

3.5養護措施

種植完成到種子發芽這段時間非常重要，因此進行養護管理是必要的。養護期間植物對水需求量很大，要注意灑水。一般水分不易過多，每次澆水應澆透；本文種植試驗是用噴壺向葉面灑水，每天早晚兩次，并隨時觀察植物的生長發育狀況。同時也要注意保溫，若夜間溫度很低，可以用塑料薄膜覆蓋。根據種子發芽狀況，及時對植物施肥，同時還要防治植物病蟲害，保證其正常生長。

植物種植10 d左右開始發芽，20 d基本成苗，這階段尤其要注意防旱、防蟲害以及養料的供應。由于幼苗根系尚不發達，無法從植生土中吸引大量養料，所以要施加液態營養肥料，以促進幼苗根系生長，使其根系深入植生土及混凝土孔隙內，以保證自然生長。

3.6種植試驗結果與分析

圖11、圖12反映了植物在植生型再生磚瓦骨料混凝土中的生長情況。試件置于戶外，半個月時，大部分種子都能正常的發芽，幼苗發育良好，葉片呈鮮綠色。一個月時，植被生長良好，植株高度達到5～15 cm，植被覆蓋植生型混凝土的表面，達到了預期的綠化效果。

圖13反映了植物根系在植生型再生磚瓦混凝土孔隙中的發展情況。圖中植生型混凝土的厚度為10 cm，被面層的厚度約0.5 cm～1 cm。植物生長生2個月后，根系穿過了植生型再生磚瓦骨料混凝土層，同時根系生長比較茂盛，扎根于土壤中繼續發展，這對水土保持和強度的提高非常有利。

圖11　植物生長半個月的狀況Fig.11 Status of growth for half a month

圖12　植物生長一個月狀況Fig.12 Status of growth for a month

圖13　植物根系發展情況Fig.13 Development of roots

4　結論

（1）由于再生磚骨料吸水率大，可用飽和骨料體積法設計植生型再生磚瓦混凝土配合比；用二次裹漿法處理植生型再生磚瓦骨料，工作性能良好。

（2）通過優化配合比，采用分次給料、分次攪拌的攪拌工藝以及分層插搗密實的成型工藝，最終得到水灰比為0.29、孔隙率為30%、實際抗壓強度為6.8 MPa的植生型再生磚瓦混凝土，工作性能最佳。

（3）采用降堿技術可使植生型再生磚瓦骨料混凝土孔隙內pH降低，滿足了植物生長的要求。

（4）選擇花卉市場市售營養土和校園內土壤按比例混均再摻加保水成分、緩釋肥和殺蟲劑等配制植生土，用灌漿法將植生土灌注于植生型再生磚瓦骨料混凝土內是一種比較好的植生方法。

（5）通過植生試驗，獲得了比較理想的綠化效果，證明試驗方案是有效可行的。

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Preparation of Plant-growing Concrete with Recycled Rubble and Planting Test

ZHAI Jia-huan1，WANG Cheng-ming2
1.Taishan Jiye Development Construction Ltd.Co.，Taian 271018，China
2.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University，Taian 271018，China

This paper studied the preparation technology for plant-growing concrete with recycled rubble，including the proportion，process，alkali reduction，planting test，etc.to prepare by 16～20 mm rubble the cultivating soil with water cement ratio 0.29，cement-aggregate ratio 0.36，strength 6.8 MPa，porosity 30%，pH 10 and thickness 10 mm.The results showed that planting grass was able to readily penetrate the planting soil with rubble and grew well outdoor.

Recycle aggregate；plant-growing concrete with recycled rubble；preparation technology

TU378.2

A

1000-2324（2016）02-0286-06

2014-08-05

2015-03-30

山東省科技發展計劃項目（2013GNC11402）

翟家歡（1986-），男，肋理工程師，主要從事工程設計與管理工作.E-mail：zhaial@sdau.edu.cn