基于凈漿浸泡法的植生混凝土降堿處理試驗研究*

鄧方園，于寶國，張鴻濤，楊福儉，陳代果,3

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010； 3.中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230026)

0 引言

隨著環保意識的逐漸增強，普通混凝土帶來的一系列生態問題已不容忽視，為協調城市發展與生態保護之間的關系，植生混凝土得到了廣泛應用。植生混凝土是為構建海綿城市引入的新型建筑材料，屬于生態環保混凝土[1]。植生混凝土結構可分為植被層、表面覆土層、中間透水混凝土層[2]。已有學者對植生混凝土物理力學性能、護坡性能、降堿措施等進行了研究，如汪健等[3]考慮了水灰比、振搗方式及外加劑的影響，分析了植生混凝土滲透系數、抗壓強度及孔隙率變化規律，得出了適宜的制備方案；石云興等[4]提出制備植生混凝土時應主要考慮骨料粒徑與級配、骨膠比、水膠比的影響，并盡量選用低堿性膠凝材料；馬秋娟等[5]對生態混凝土進行抗壓強度試驗，結果表明，膠結材料影響生態混凝土配合比、強度和孔隙特性，根系可利用孔隙中的少量營養物質穿過生態混凝土；王玉軍等[6]對再生骨料植生混凝土植物生長特性進行了研究，結果表明，上置式與中置式相結合的種植模式有利于提高植物存活率，適量的硫酸亞鐵溶液降堿效果較好；秦文博等[7]研究發現復合頁巖陶粒植生混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度均隨著水膠比、粉煤灰摻量的增加先增大后減小，且水膠比宜為0.26～0.3；章海明[8]對植生混凝土護坡性能進行了研究，結果表明，采用植生混凝土護坡后，邊坡抗沖刷性、穩定性均有所提高，且植物生長情況良好；于鵬飛[9]通過模擬降雨試驗，研究了2種護坡形式下植生混凝土截留表層土、反濾特性及吸附除雜能力，結果表明，在雨水沖刷下，植生混凝土可有效提高邊坡穩定性；陳代果等[10]選取3種不同粒徑粗骨料、2種坡度及4種土體對植生混凝土護坡作用進行了研究，結果表明，在植生混凝土表面設置覆土層時，可減少約85%的土壤損失；王鳳池等[11]研究了植生混凝土降堿技術，結果表明，草酸、硫酸亞鐵及超細礦粉均可有效降低混凝土pH值，而酸性溶液降堿效果不明顯；吳光軍等[12]研究了粉煤灰、硅灰及偏高嶺土對抗壓強度和pH值的影響規律，結果表明，單摻粉煤灰、硅灰及偏高嶺土植生混凝土28d抗壓強度最大可達10MPa，90d孔隙液pH值降至11.6左右，滿足實際工程施工要求。

目前，雖對植生混凝土開展了相關研究，但仍存在較多的實際問題亟待解決。植物生長情況是評定植生混凝土性能最重要的指標之一，由于混凝土在澆筑養護過程中因水泥水化反應產生了大量堿性物質，導致孔隙內部呈高堿性，不利于植物生長。因此，本文在保證前期植生混凝土物理力學性能一定的情況下，選取3種不同降堿方式對其進行處理，通過分析不同時段混凝土pH值變化規律，評定降堿方式實際效果，為植物選取提供依據。

1 植生混凝土的制備

膠凝材料選用普通硅酸鹽水泥和低堿性硫鋁酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑16～20mm當地碎石，表觀密度為2 668.8kg/m3。礦物外摻料為硅灰，按水泥用量的5%添加。秸稈粉選取10目玉米秸稈粉末，按水泥用量的2%添加。減水劑和膠黏劑分別按水泥用量的1%，2%添加，拌合水為普通自來水，采用造殼法拌制，24h脫模后進入標準養護室養護28d，配合比如表1所示。

表1 植生混凝土配合比 kg·m-3

2 植生混凝土物理力學性能

對植生混凝土抗壓強度、透水系數、孔隙率進行測定，結果如表2所示。抗壓強度試件為邊長150mm立方體，測定步驟按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》有關規定進行，孔隙率通過浸水法測定，透水系數按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》相關規定確定。

表2 植生混凝土物理力學性能

由表2可知，3種植生混凝土實測孔隙率均為30%左右，透水系數均>20mm/s，滿足規范要求。由于秸稈粉會引起植生混凝土抗壓強度降低，所以B1～B3組植生混凝土抗壓強度最低。采用低堿性膠凝材料制備的植生混凝土最大抗壓強度可達5.17MPa，最小為4.19MPa。采用普通膠凝材料制備的植生混凝土最大抗壓強度可達5.39MPa，最小為4.75MPa。采用低堿性膠凝材料制備的植生混凝土抗壓強度雖有所降低，但降低幅度較小，說明低堿性膠凝材料可替代普通膠凝材料。

3 降堿處理

3.1 酸堿度測定方法

固液萃取法是測定混凝土pH值常用方法，由于混凝土中未水化充分的水泥顆粒水化后會釋放堿性物質，導致測定的pH值普遍高于實際值。為保證混凝土酸堿度測定準確，本試驗采用凈漿浸泡法，首先制作邊長20mm立方體凈漿試件，養護后密封在盛有2 500mL蒸餾水的廣口瓶中，通過測定浸泡后蒸餾水pH值反映混凝土孔隙間的酸堿度[13]。

3.2 降堿方式與試驗設計

混凝土內部堿環境對植物生長起關鍵作用，高堿度不利于植物根系發展。因此，對混凝土內部高堿性環境進行降堿非常重要，通過有效的降堿處理，既可促進植物生長，又能節約成本。

1)低堿性膠凝材料降堿

為從根本上降堿，采用低堿性硫鋁酸鹽水泥等量替代普通硅酸鹽水泥。測得由普通硅酸鹽水泥制備的植生混凝土pH初始值為12.5，呈高堿性，而由低堿性硫鋁酸鹽水泥制備的植生混凝土pH初始值為7.5，呈弱酸性。采用低堿性硫鋁酸鹽水泥制備邊長150mm立方體植生混凝土試件，24h成型脫模后分別測定養護7，14，28，40，60d后的pH值。

2)外摻秸稈粉降堿

我國秸稈粉產量大，直接焚燒會對空氣造成污染，可將秸稈粉作為外摻料制備混凝土。因此，在普通硅酸鹽水泥中混合一定量秸稈粉，研究摻加秸稈粉后混凝土pH值變化規律，從而了解秸稈粉應用效果，為其進一步應用提供參考。選用綿陽市某農田自產玉米秸稈，粉碎后分篩出10目粉末，按水泥用量的2%添加。首先將水泥、硅灰、外摻料、秸稈粉與粗集料混合均勻，然后分次倒入水中拌制，拌制完成后裝入邊長150mm立方體模具中，24h成型脫模后分別測定養護7，14，28，40，60d后的pH值。

3)碳化降堿

碳化是混凝土常見的化學反應，對于普通鋼筋混凝土構件，應盡量減小碳化程度，防止鋼筋加速銹蝕。對于未配置鋼筋的素混凝土構件，碳化可提高部分性能。基于此，首先制備4個邊長150mm立方體混凝土試件，養護完成后記錄pH初始值；然后放入NJ-HTX型碳化試驗箱中，將試驗箱內的濕、溫度調節至標準值；最后打開閥門充入二氧化碳，將氣閥出口壓力調至0MPa，壓力表維持為0.01MPa，同時啟動試驗箱內溫度檢測和二氧化碳檢測功能。植生混凝土試件在試驗箱中放置1，3，7，14d后分別測定pH值與抗壓強度。

4 降堿效果分析

1)低堿性膠凝材料降堿

采用低堿性膠凝材料降堿后植生混凝土pH值變化曲線如圖1所示。由圖1可知，對于由普通硅酸鹽水泥制備的植生混凝土，養護初期pH值已>13，隨著齡期的增加，pH值呈下降趨勢，7～14d齡期降幅稍大，隨后降幅減小；60d齡期pH值較7d時下降約13%，但仍>11，可見隨著養護齡期的增加，混凝土孔隙間的高堿性環境未得到有效改善，且經長時間放置，混凝土表面出現嚴重的泛堿現象(見圖2)，大多數植物在該環境下無法正常生長。降堿后的植生混凝土養護初期pH值為7左右，接近中性狀態；隨著齡期的增加，混凝土pH值緩慢增大，28d齡期pH值較14d齡期僅增大約2.7%，60d齡期pH值達最大，為7.5，較7d齡期僅增大了4%，基本保持在中性狀態，且混凝土表面未出現泛堿現象，該環境適于植物生長。

圖1 植生混凝土pH值變化曲線(低堿性膠凝材料降堿)

圖2 混凝土表面泛堿

2)外摻秸稈粉降堿

摻加秸稈粉植生混凝土pH值變化曲線如圖3所示。由圖3可知，摻加秸稈粉后，植生混凝土pH值下降較明顯，尤其是在7～14d，40～60d齡期段，pH值降幅較大；養護初期混凝土pH值為12.7，60d齡期時降至最小值9.4，這是因為秸稈粉為弱酸性物質，其自身化學性質可起中和堿性物質的作用，且秸稈粉遇水體積變大，在膨脹過程中可吸附堿性物質，從而降低混凝土pH值。由此可見，秸稈粉作為外摻料可有效改善孔隙間的高堿性環境，但最終pH值>9，屬于較高堿性環境，因此，應盡量種植耐堿性植物。除此以外，需對秸稈粉摻量問題進行深入研究，旨在找到較適宜的摻量，進一步降低植生混凝土pH值。

圖3 植生混凝土pH值變化曲線(外摻秸稈粉降堿)

3)碳化降堿

碳化降堿后植生混凝土pH值變化曲線如圖4所示。由圖4可知，碳化1d后植生混凝土pH值為12.4，碳化3～7d時pH值下降較明顯，幅度約為9%，其他碳化時段降幅較小；碳化14d時pH值降至最低，但仍為11左右，仍為高堿性環境，不宜種植植物。由此可見，碳化對植生混凝土降堿效果較差。

圖4 植生混凝土pH值變化曲線(碳化降堿)

采用普通硅酸鹽水泥制備的混凝土立方體抗壓強度初始值為5.41MPa，碳化1d時抗壓強度為5.33MPa，降低了0.08MPa，變化較小；碳化3d時抗壓強度較初始強度提高了約10.4%，達5.97MPa；碳化7，14，28d時抗壓強度分別為4.81，4.49，4.22MPa，可知隨著碳化時間的增加，混凝土抗壓強度呈逐漸下降趨勢，碳化28d時達最小值，較初始強度下降約22%。造成上述現象的原因可能是混凝土表面水泥顆粒水化充分，生成大量氫氧化鈣等水化產物，使初期抗壓強度暫時提高；隨著氫氧化鈣等產物與充入的二氧化碳不斷反應，生成碳酸鹽等產物，此過程屬于化學腐蝕現象，碳酸鹽等產物導致混凝土抗壓強度降低。碳化對植生混凝土內部環境未起到明顯的改善作用，雖可在短時間內提高混凝土抗壓強度，但隨著時間的推移，混凝土抗壓強度削弱明顯，無法精確把握碳化時間。因此，不建議采用碳化方式降堿，且應采取措施避免植生混凝土發生碳化。

綜上所述，低堿性膠凝材料降堿效果較好，進一步研究后可推廣應用，外摻秸稈粉降堿效果次之，碳化降堿效果不理想。

5 結語

為解決植生混凝土內部高堿性問題，本試驗采用3種不同方式降堿，并對植生混凝土pH值變化規律進行了分析，主要得出以下結論。

1)采用普通硅酸鹽水泥制備的植生混凝土孔隙間呈高堿性，且表面出現不同程度的泛堿現象，既不利于植物生長，又影響了美觀。

2)采用低堿性膠凝材料制備的植生混凝土60d齡期pH值呈中性，有利于植物生長，可知低堿性膠凝材料降堿效果較好，進一步研究后可推廣應用。

3)與低堿性膠凝材料降堿相比，外摻秸稈粉降堿效果稍差，但摻加一定量秸稈粉后，植生混凝土pH值下降明顯，60d齡期降為9.4，較初始值降低約26%。通過外摻秸稈粉降堿時，應盡量種植耐堿性植物，需對秸稈粉摻量問題進行深入研究。

4)碳化降堿效果較差，不利于改善植生混凝土內部堿性環境，碳化14d混凝土pH值仍為11左右，不利于植物生長。隨著碳化時間的增加，混凝土抗壓強度基本呈下降趨勢。因此，不推薦使用碳化降堿方式。