EPC 植生性能研究

馬琦，李潤龍，許文星，胡胤波，黃禹銘

（中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410000）

0 引言

EPC 是一種由單一粒徑粗骨料，無砂或少量砂，塑性低的水泥基膠凝材料所組成，并且可以與植被共生的一種新型多孔性混凝土結構材料，其性能、結構特點是透氣、透水、開口連通孔隙率高、強度較低等，并具有吸音降噪、除污凈水以及增強地面水分和熱交換、可以植生等多重功效[1-2]。在國家積極加強和推進海綿城市建設中，EPC 對于恢復城市水生態、保護水資源，提高城市防洪能力，加強新型城鎮化建設，緩解城市熱島效應，促進人與自然和諧發展至關重要，EPC 具有廣闊的工程應用前景。

盡管EPC 有許多重要的好處，但植物的有效生長仍然受到孔隙率的影響。EPC 的連通孔隙率越大，植物生長的空間越大，植物生長效果就越好，然而孔隙率越高，混凝土的強度就越低[3]，粗骨料的類型、形狀尺寸和水灰比是影響EPC 物理力學性能的極大影響因素[4]。由于水泥的水化作用，EPC 的堿度很高，使其不能滿足植物生長的需求[5]，因此，一些研究人員使用化學降堿來降低EPC 的堿度，例如，在EPC 上噴灑濃度為2%的過磷酸鈣溶液[6]，使其堿度降至8.15 左右達到植物正常生長的需求?？紫堵蕦χ参锏纳L也起著重要作用，因為水分和營養物質可以通過孔隙滲透進去[7]。

在本研究中，使用三種單一級配（16~19mm、19~26mm、26~31mm）的粗骨料制備目標孔隙率為30%的EPC，通過2%濃度的過磷酸鈣降溶液浸泡堿處理后，使其滿足黑麥草正常生長的條件，觀測EPC 上黑麥草的生長狀況，探明粗骨料粒徑對EPC 植生性能的影響規律，為我國海綿城市的建設奠定堅實的基礎。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥。山東濰坊九七建材P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本性能如表1 所示。

表1 水泥基本性能

（2）骨料。湖南省長沙市彭家灣建材店石灰巖碎石，粗骨料基本性能如表2 所示。

表2 粗骨料基本性能

（3）減水劑。聚羧酸減水劑。

（4）降堿材料。過磷酸鈣。

1.2 EPC 配合比

生態多孔混凝土配合比如表3 所示。

表3 生態多孔混凝土配合比

1.3 測定方法

1.3.1 抗壓強度

EPC 的立方體抗壓強度測試方法參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002），使用TYE-2000E 型壓力試驗機。

1.3.2 堿度

使用浸取法測試滲濾液的pH 來評估EPC 的堿度。將28d 齡期的EPC 置于質量比為1:1 的過磷酸鈣溶液中。24h 后將其取出烘干再置于質量比為1:1 的蒸餾水中，隨后每隔24h 使用pH 計（pH-828+，東莞萬創電子制品有限公司，中國廣州）測試pH。

1.3.3 地上生物量干重

將每塊EPC 表面植株部分用剪刀剪下，放入烘箱中100℃殺青20min，70℃烘干12h 后稱取干重。

1.3.4 地下生物量干重

將EPC 上表面殘余植物部分清除干凈，破碎掉EPC 后，用清水沖洗出孔隙內根系，將根系放入烘箱中100℃殺青20min，70℃烘干12h 后稱取干重。

1.3.5 根系指標

每盆取3 塊10cm×10cm 的草塊，用水沖洗分離出黑麥草植株，剪下根系，用EPSON（EXPRESSION 11000 XL）透視掃描儀在300DPI 的精度下對根系進行掃描，采用WinRHIˉZO 軟件分析掃描圖像。

2 結果分析

2.1 過磷酸鈣對EPC 堿度的影響

圖1 為過磷酸鈣降堿變化趨勢，可知4 組EPC 的孔隙液pH 均呈現先上升再趨于穩定的狀態，其中空白組的pH 在第6d 趨于穩定，其pH 為11.4；1%濃度的pH 在第6d 趨于穩定，pH 為8.13；2%濃度的pH 在第4d 趨于穩定，pH 為7.41；3%濃度的pH 在第3d 趨于穩定，pH 為7.34。說明過磷酸鈣溶液浸泡處理可有效降低EPC 的pH，這是因為過磷酸鈣中的磷酸二氫鈣與磷酸均可與EPC 中的可溶性堿發生反應，降低了水溶液中的OH-濃度，并生成磷酸鈣沉淀，主要反應如方程式（1）所示。

圖1 過磷酸鈣降堿變化趨勢

由于使用濃度為2%與3%的過磷酸鈣溶液處理EPC 時，其降堿效果相差不大，因此，在滿足EPC 強度要求的前提下，從經濟性角度考慮，宜選用2%的過磷酸鈣溶液對EPC 進行降堿處理。

2.2 粗骨料粒徑對EPC 抗壓強度的影響

表4 為粗骨料粒徑對EPC 有效孔隙率及抗壓強度的影響，可知粗骨料粒徑顯著影響了EPC 的有效孔隙率與抗壓強度，三種單一級配制備的EPC，其有效孔隙率與目標孔隙率分別相差0.9%、1.4%，2.1%。EPC 抗壓強度隨著粗骨料粒徑的增加而減小。在經過降堿處理后，抗壓強度均略有增加，其中由粒徑為16~19mm 的粗骨料制成的EPC，抗壓強度提高了0.2MPa；粒徑為19~26mm 的粗骨料制成的EPC，抗壓強度提高了0.1MPa，粒徑為26~31mm 的粗骨料制成的EPC，抗壓強度提高了0.1MPa。

表4 粗骨料粒徑對EPC 有效孔隙率及抗壓強度的影響

2.3 EPC 對生物量的影響

表5 為黑麥草的生物量及根冠比，由此可知，當粗骨料粒徑從16~19mm 增加至19~26mm 時，地上生物量干重由1.024g 增加至1.537g，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了50.09%、8.62%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了38.18%；地下生物量干重由0.968g 增加至1.833g，26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了89.36%、15.86%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了63.43%；根冠比從0.9453 增加至1.1926。19~26mm 組與26~31mm組的根冠比大于1，說明根系的吸收能力比地上部分的消耗能力大，植物將促進地上部分的生長；16~19mm 組的根冠比小于1，說明地上部分的蒸騰作用比根系的吸收作用強，地上部分的生長將受到限制甚至枯萎。黑麥草生長情況如圖2 所示。

圖2 黑麥草生長情況

表5 黑麥草的生物量及根冠比

2.4 EPC 對植物根系生長的影響

表6 為黑麥草根系生長情況，由此可知，當粗骨料粒徑從16~19mm 增加至19~26mm 時，總根長由937.45cm 增加至1622.36cm，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了73.06%、5.76%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了63.63%；根表面積由282.47cm2增加至436.34cm2，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了54.47%、13.75%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了35.79%；根體積由1.84cm3增加至2.86cm3，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別增加了55.43%、18.67%，19~26mm 組比16~19mm 組增加了30.98%，平均直徑由1.07mm 降低至0.75mm，其中26~31mm 組比16~19mm 組與19~26mm 組分別降低了29.91%、17.58%，19~26mm 組比16~19mm 組降低了14.95%。

表6 黑麥草根系生長情況

3 結論

（1）過磷酸鈣與水泥水化產物氫氧化鈣反應生成難溶于水的磷酸鈣，消耗了水溶液中的氫氧根離子，固可降低EPC 的堿性，且生成物填充了EPC 粗骨料接觸面薄弱層的微孔隙，增大了受力界面的密實度，提高了抗壓強度。質量分數2%的過磷酸鈣溶液處理對EPC 最經濟，在第4d 時，EPC 孔隙內溶液pH 為7.41 且趨于穩定，28d 抗壓強度較于基準組提高12.3%。

（2）骨料粒徑越大，EPC 的有效孔隙率越大，由16~19mm 粒徑的粗骨料制備的EPC，其有效孔隙率最接近目標孔隙率，僅相差0.9%。

（3）EPC 的有效孔隙率越大，植物的生物量就會越多，根冠比也會增大，用26~31mm 粒徑的粗骨料制備的EPC，其植物生長情況最好。

（4）EPC 的有效孔隙率越大，供給植物生長的空間就越多，根系也會越發達，毛細根在根系中所占的比例也會增多，能吸收更多的水和養分供給植物生長，植物的生長狀況就越好。