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绿色生态混凝土研究进展

文章出处:世博锐 发表时间:2019-05-16 11:05:22
随着社会经济的不断发展,人口膨胀、资源短缺、环境恶化等问题越发显著。混凝土作为社会发展中不可缺少的一种人造建筑材料,其在生产和使用中给环境带来的负荷不言而喻。面对城市绿化面积的逐渐减少、温室效应和热岛效应的逐渐加重,人们开始不仅停留在看重混凝土的结构性能上,也逐渐关注环境友好型、智能节约型、绿色生态型混凝土的发展。




绿色生态混凝土的概念
       绿色生态混凝土作为近几年发展起来的新型环保建筑材料,既具备普通混凝土的性能,又能达到生态化的需求,是一种能为人类构造和谐舒适环境的生态混凝土,其产生的生态效益和社会效益十分显著,对我国推行低碳、环保及可持续发展战略起着重要的促进作用。
 
      1995年,日本混凝土工学协会首先提出了生态混凝土(Environmentally Friendly Concrete / Eco-concrete)的概念。所谓绿色生态混凝土,是指以一定强度、一定孔隙率的特制混凝土为骨架,在混凝土孔隙内填充植物生长所需的物质,能够适应绿色植物生长的混凝土及其制品,在结构上亦属于多孔混凝土结构。绿色生态混凝土包括环境友好型生态混凝土和生物相容型生态混凝土,环境友好型混凝土是指在混凝土的生产和使用过程中,能够降低混凝土给环境带来的负荷;生物相容型混凝土是指能与自然环境相融合,能促进人与自然和谐共处的一类混凝土。绿色生态混凝土具有如下特点:①由于自身多孔性,具有良好的排水和透水性能;②由于植被的生长,不仅能美化环境,还能促进生态平衡;③由于表面呈凹凸构造,具有良好的抗滑和吸声功能。
 
绿色生态混凝土的发展历史
       虽然早在1956年苏联科学院布德尼柯夫院士便提出了一种新型的建筑材料—多孔混凝土,但只是系统地概述了这一类新型建筑材料的制造方法及性能。生态混凝土的研究最早还是始于日本,20世纪90年代曾有日本研究者用多孔混凝土作为护岸材料的试验工程,证明了多孔混凝土适合植物生长,并能用于河川护岸工程,日本秩父小野田(株)和前田制管(株)通过进行混凝土植生性能的研究也证明了此观点。2001年日本先端建设技术中心制定了绿色生态混凝土河川护岸工法,旨在推进具有生态效应的绿色混凝土的发展进程。
 
       在国内,中国工程院院士吴中伟最早提出绿色混凝土概念,并指出绿色高性能混凝土为今后混凝土的发展方向,为生态混凝土在我国的发展研究奠定了基础。21世纪,吉林省水利实业企业提出了用建筑废砖石作为粗骨料制成的复合随机多孔型绿化混凝土,其采用高强度混凝土作为周边保护框兼模具,解决了多孔混凝土边缘强度低、有效面积小等问题。上海大学提出了以水泥、粗粒径建筑废料(碎石)、耐冲刷营养土、减水剂等为原料研制的“沙琪玛骨架”绿化混凝土,具有良好的耐冲刷和耐践踏能力,可广泛应用于城市绿地建设。华南理工大学许燕莲等通过实验提出采用绝对体积法能够有效计算出绿色生态混凝土的配合比,在一定程度上打破了配合比设计无据可依的局面,并提出了一种“预包裹”搅拌技术,为绿色生态混凝土的制备提供了参考。中南林业科技大学尹健等对绿色生态混凝土胶凝材料浆体的流变性能进行了研究,得出矿物掺合料对水泥基胶凝材料浆体流变性能的影响规律,为绿色生态混凝土目标孔隙率的实现奠定了理论基础。
 

绿色生态混凝土性能研究现状
1 力学性能研究
 
生态混凝土的力学指标主要是指强度要求。文献表明,集料的级配、粒径和强度对生态混凝土的强度存在影响,连续级配配制的生态混凝土抗压强度大于单一级配配制的生态混凝土抗压强度;随着集料粒径的增大,相同设计孔隙率下生态混凝土的抗压强度减小;在同等条件下,集料强度越高,配制的混凝土强度也越高。
 
胶结材料的种类和强度也显著影响生态混凝土的力学性能。高建明等认为胶凝材料掺入矿物外加剂后不仅能调整混凝土拌合物的工作性能,还能改善其力学性能,其中硅粉、矿渣微粉或粉煤灰与矿渣微粉复掺的效果更佳。文献表明,胶凝材料用量对孔隙率、强度的影响较水胶比更为显著,大孔生态混凝土的抗压强度随着胶凝材料用量的增加而增大,孔隙率随胶凝材料用量的增加而减小,但胶凝材料用量增加对强度的增大效应远大于对孔隙率的减小效应。
 
Milani S. Sumanasooriya, Narayanan Neithalath基于目标孔隙率及其相关性能要求,研究了骨料尺寸对多孔生态混凝土的影响,结果表明:随着骨料尺寸的增加,多孔生态混凝土的孔隙率和孔径大小都在增大。同时对多孔混凝土内部孔隙结构特征之间的相互关系进行了研究,基于体积法和图像分析技术,建立了高胶凝材料量与低胶凝材料量配制的多孔混凝土的体积孔隙率与渗透系数之间的关系式;文献对绿色生态混凝土力学性能进行研究发现,在水泥用量和粗骨料用量一定的情况下,骨料粒径越大,有效孔隙率和透水系数也越大,但强度却越小。当掺入矿物掺合料时,绿色生态混凝土强度随矿物掺合料掺量的增大而减小,这是因为粉煤灰及矿粉的水化速率低于水泥的水化速率。且减小作用从高到低依次为:粉煤灰>粉煤灰+矿粉>矿粉,原因在于矿粉的活性强于粉煤灰,且能增强混凝土后期强度,并在双掺时产生增强效应。
 
上海大学采用Zwick/RoellZ010型双向拉压机对生态混凝土的力学性能进行了研究,试验结果表明,混凝土结构在外部载荷作用下,在交界面或缺陷薄弱界面会产生微裂纹,当载荷逐渐增大,微裂纹开始连接起来并形成宏观裂纹,并一直处于恒定的发展状态,在达到极限载荷后,裂纹趋向于不稳定发展。同时还指出,生态混凝土双向抗压强度是单向抗压强度的1.2倍左右。
 
四川大学采用正交试验对多孔生态混凝土的抗压强度和孔隙率及主要影响因素进行了试验,结果表明,当孔隙率超过20%时,抗压强度随孔隙率的增大而快速减小,同时得出影响多孔生态混凝土强度和孔隙率的主要因素是灰集比,且灰集比越大,抗压强度越高,但孔隙率越小。文献通过试验研究也得出了类似结论,认为强度与孔隙率之间存在一定的线性关系,不同胶结材料的生态混凝土的抗压强度随着孔隙率的增大而减小。
 
除材料本身的影响外,混凝土搅拌方法及养护条件对多孔生态混凝土的抗压强度也存在影响。用裹浆法制备出的生态混凝土强度高于一般搅拌方法。采用塑料薄膜覆盖的养护方法相比一般的室外养护方法,其得到的生态混凝土强度更高。
 
2 耐久性能研究
 
生态混凝土的结构不同于普通混凝土,其耐久性破坏是内外同时发生的,破坏程度远大于普通混凝土。吴智仁等对生态混凝土耐久性进行了研究,认为其影响因素分为外部因素和内部因素,并指出要想深入地了解生态混凝土耐久性损伤及其发展规律,除了进行宏观试验及耐久性分析外,还要进行多种尺度的耐久性损伤数值模拟试验。
 
东南大学通过研究设计了一种适合生态混凝土抗冻性能试验的方法----单面冻融循环法,对不同种类矿物掺合料、掺量不同的生态混凝土的抗冻性能进行研究得出,矿渣微粉有利于生态混凝土抗冻性能的提高,而粉煤灰则不能。这是因为矿粉的掺入大大增加了C-S-H凝胶体与凝胶孔的数目,减少了结冰孔的数量,从而提高了浆体的抗冻性。而粉煤灰因为与矿粉的活性不同,发生水化反应的时间和速度以及生成的凝胶数量和结构不同,从而导致生态混凝土抗冻性能的差异。Yang和Jiang经试验发现,冻融循环的速度也影响着生态混凝土的抗冻性能,相同时间内经历冻融循环次数多的试件裂化速度更快。
 
青岛理工大学对大孔生态混凝土耐硫酸盐侵蚀性能进行了研究,总结出胶凝材料用量、水胶比及孔隙率均会影响大孔生态混凝土的耐硫酸盐侵蚀性能。研究结果表明,随着胶凝材料用量的增加,其抗硫酸盐侵蚀能力增强,经过60次干湿循环后,仍能保持良好的抗硫酸盐侵蚀性能。当孔隙率相同时,大孔生态混凝土耐硫酸盐侵蚀能力随水胶比的减小而增大,水胶比越小,包裹在粗骨料表面的硬化水泥石包裹层越密实,硫酸盐溶液越不容易向过渡界面区渗透,从而有效地提高了大孔生态混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能;当胶凝材料用量相同时,抗硫酸盐侵蚀能力随着孔隙率增大而减小,主要原因在于,孔隙率越大其内部胶结点的数量及接触面积就越小,在冷热干湿不断交替的硫酸盐腐蚀环境中,其内部损伤就越大。文献对硫酸盐干湿循环侵蚀作用下生态混凝土的耐久性也进行了研究,提出生态混凝土相对动弹性模量的变化规律能反映其受硫酸盐侵蚀的破坏程度。试验结果表明,在孔隙率一定的情况下,生态混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能随骨料粒径的减小而增大;当水胶比介于0.25~0.29时,抗硫酸盐侵蚀性能随净浆水胶比的增大而增大;当矿粉掺量介于20%~40%时,抗硫酸盐侵蚀性能随矿粉掺量的增大而减小。
 
3 植生性能研究
 
绿色生态混凝土最大的特点是它的植生性,其透水、透气等性能有利于植物的生长,可用于河川护堤工程,还可以用于城市道路两侧及中央隔离带、停车场、楼顶等部位,既能吸附空气中的有毒气体,又能有效吸取城市噪音和太阳反射光线,对保持城市气候的生态平衡具有积极作用。
 
植物适生性主要取决于生态混凝土的孔隙率、孔隙平均孔径及孔内水环境的pH值3个因素。粗骨料粒径与水胶比直接影响生态混凝土的孔结构特征,文献指出,粗集料粒径越大,孔隙率越大,且孔隙平均孔径越大,越有利于植物的生长。对百喜草而言,相比于孔隙率为36%、平均孔径小于4mm的生态混凝土,它在孔隙率为39.45%、平均孔径为6.4mm的混凝土中长势更好;对狗牙根而言,在低孔隙率(20%、25%)情况下,其覆盖率随水灰比的增大而增大,但在高孔隙率(30%)情况下,其覆盖率随水灰比的增大呈先增大后减少趋势。文献研究发现,砖石配制的生态混凝土植草试验时草根穿透混凝土孔隙后由土向四周扩展,对绿化混凝土不产生膨胀破坏作用,有较好的穿透稳定性。
 
福建农林大学对绿化混凝土植物相容性进行了研究,总结了绿化混凝土草种选择原则,以及适合亚热带地区种植的部分草种,并通过对绿化混凝土的各组成因素进行优化配比试验得出植物生长最优环境条件为水泥用量4.5kg,耕植土用量17.3kg,外加剂用量2.9kg,珍珠岩用量7.2kg,最优pH值为8.39。
 
美国加州大学Wekde等通过植生实验发现,种植在厚度为150~300mm的绿化混凝土中的花草,其耐旱性良好,耐淹性基本与普通土壤中生长的植物相同,在积雪融化和集中暴雨等水流速度较快的情况下,还表现出良好的抗冲刷性。文献中指出,生态混凝土中水泥的含量对狗牙根的发芽率和存活率有着重要的影响,当水泥含量在0~8%时,种子的发芽率呈上升趋势,当水泥含量在8%~16%时,种子的发芽率呈下降趋势。且当水泥含量在8%以下时,植物的各生长发育参考指数均处于增长趋势,这说明特定的水泥含量对植物的生长起促进作用,高含量对其有抑制作用。
 
绿色生态混凝土降碱技术研究现状
然而,混凝土由于水泥水化之后呈碱性,孔隙内部的水环境pH一般大于12,不满足植物的生长条件,因此如何降低绿色生态混凝土内部孔隙的碱度、强度损失较小成为生态混凝土发展的关键技术。从材料本身而言,水泥的用量直接影响孔隙内水环境的碱性,随着胶凝材料中水泥的减少,碱性减弱,但碱度降低幅度很小。
 
董建伟等提出绿化混凝土孔隙中的盐碱水环境是动态的、相互转换并共同对植物构成危害,经过长期的实验研究,通过对绿化混凝土孔隙内盐碱性水环境的形成、表现形式、转变过程、盐碱构成组分的分析,提出了元素形态改变、离子动态平衡、分子筛效应等理论,根据上述理论提出了化学、物理、土壤化学、生物化学、结构、农艺和植物生理等系列改造方法。理论上不仅使绿色生态混凝土孔隙内水环境的pH值达到植物生长的要求,还将有害物质转变成了有利于植物生长和提高混凝土性能的材料。但实际上该系列方法操作复杂,不适合工程应用,且很难达到理想效果。
 
有关学者认为矿物外加剂能降低绿色生态混凝土孔隙内的碱度,对萘系高效减水剂和硅粉进行了研究。结果表明,生态混凝土孔隙内水环境的pH值随萘系高效减水剂、硅粉掺量的增加而减小,当减水剂、硅粉掺量分别为1%、5%时,孔隙内水环境的pH值均下降0.5左右。由此可见,掺加减水剂及矿物掺合料虽能降低一定碱度,但效果不明显。H. F. W. Taylor等人通过对硅灰、矿渣、粉煤灰等矿物掺合料进行研究发现,当矿物掺合料掺量为50%时,胶凝材料水溶液的pH值仍然大于12。J. L. Garcia Calvo、A. Hidalgo等人也验证了此观点,当单掺硅灰为45%时,90d孔隙内的pH值仍在12.5左右,即使当硅灰掺量超过50%,孔隙内pH值仍维持在12左右。因此掺入矿物外加剂对降低生态混凝土碱度的作用不大。
 
除添加外加剂,有些学者运用酸碱中和的原理进行了一些研究,FeSO4的水溶液呈现弱酸性,可以中和水泥水化过程中产生的碱类物质。王桂玲等通过研究表明,当FeSO4掺量在0~4%之间变化时,生态混凝土内部pH值满足植物生长条件,同时混凝土强度降低不明显,但当掺量继续增加时,混凝土强度降幅较大,不利于混凝土的结构稳定性,所以将FeSO4掺量控制在4%左右效果最佳。但经上海大学罗仁安等人研究表明,经此降碱处理后的生态混凝土力学性能受到较大的损坏。另一种酸碱中和方法是将绿色生态混凝土成型后浸泡在一定浓度的草酸溶液中,草酸与孔隙内溶出的碱性物质发生反应,使混凝土孔隙内的pH值维持在合理的范围内。但经相关学者研究发现,这种浸泡方法对混凝土的强度影响很大,达不到工程应用的需求。李荣炜等将浸泡方式改为向其表面喷洒草酸溶液,实验发现孔隙内碱度明显降低,3个月后pH值仍保持在8左右,能满足大多数植物的生长需求。另外,将绿色生态混凝土进行碳化处理也能降低其碱性,在碳化过程中,CO2气体能与孔隙内的碱性物质发生化学反应,生成致密的保护层阻碍碱性物质的溶出,从而能够起到较好的降碱作用,但此方法仅在试验室可行,在室外实际工程中很难实现。
 
有关学者还通过一些物理方法对绿色生态混凝土进行降碱处理。如将绿色生态混凝土进行蜡封,蜡封是在孔隙表面附上一层工业石蜡,以阻止水泥中碱性物质向外释放的方法,同时对生态混凝土的孔隙状态也不会产生较大的影响,试验证明蜡封处理后的生态混凝土的孔隙水环境pH值可降低0.5~1。用永凝液进行表面处理也能达到相近的效果。不过,物理封闭方法操作难度系数较高,且封闭材料的耐久性有待进一步研究。
 
         
结论与展望          
绿色生态混凝土是一种集环保与实用为一体的新型建筑材料,它的研究发展标志着人类逐渐走向与自然和谐共处的道路,同时一些环境与人文问题都会得到相应的缓解。我国在绿色生态混凝土研究方面起步较晚,在今后的研究工作中,大家还需要解决以下几点问题:
 
1 到目前为止还没有统一、合理的绿色生态混凝土配合比设计方法,没有具体的规范进行操作引导,对于强度与孔隙率之间的矛盾也没有提出合理的解决方法。
 
2 用普通硅酸盐水泥生产出的生态混凝土孔隙内的水环境碱度太高,不适合植物生长。一系列降碱方法还有待考证,降碱处理对绿色生态混凝土性能的影响还需要更深入的研究。
 
3 不同草种对不同环境的适应性及耐践踏性不同,其与混凝土的匹配性还缺乏研究,草种的混播比例以及播种密度等问题还没有充分的科学依据,绿色生态混凝土可再播种的重复性还需要进一步研究。
 
相信通过不断的探索与研究,绿色生态混凝土将逐渐朝智能化、规模化、体系化、集成化和规范化方向发展,其在工程应用领域的前景也会更加广阔。


 

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