生态混凝土护坡的构建技术及生态效应评价
摘 要
人类进行边坡防护已有很长的历史，但在防护与绿化美化两方面一直没有统一，与传统防护材料相比，生态混凝土既有较高的强度能有效地进行边坡防护、加强边坡的稳定性，提高防护年限，又具有很大的孔隙率便于植物在其中生长，具有改善环境的功能，是一种被广泛认可的生态修复材料，因此，开展生态混凝土的研究具有重要意义。
本文主要针对具有生态环保功能的生态混凝土的配合比设计、强度、干湿交替作用下的耐久性、护坡构建和综合生态效应等方面进行了探讨和研究。在基本性能方面，本论文研究了生态混凝土在掺加矿物掺合料时，其强度随着掺合料掺量的变化规律。除此以外，还研究了掺加矿渣的生态混凝土处在干湿交替作用下的耐久性特点，进行了生态混凝土抗干湿交替性能的试验。在护坡构建中，还研究了植物必要的生长环境、生态护坡植物的选择以及生态护坡基质的选择。此外，本文最后研究了不同粗骨料的生态混凝土水质净化性能和污水处理的标准。
关键词：生态混凝土，干湿交替，生态护坡，强度，水质净化
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slope protection technology by ecotype porous concrete
and ecological effects evaluation
Abstract
The side slope defence has been a continuous career for human beings.However,a perfect junction has never been found between the side slope defence and virescence.Compared with the traditional defence materials,ecotype porous concrete can not only attain a higher strength to efectively defend the side slope and reinforce its stability in a longer defense period,but also get a higher void ratio to make it possible for plants to grow better in it. It really functions in improving the environment and has been commonly considered as an ecological concrete. Therefore,to do researches on ecotype porous concrete is a significant task.
Themix proportions,strength,wet-dry circle,building the side slope defence and Eco-environmental security of ecotype porous concrete have been studied abundantly in the paper. While the change of compressive strength with silica fumes, fly ash and slag also have been studied.Besides,the wet-dry cycle resistance property of ecotype porous concrete has also been studied.Construction of the berm, a major study of the necessary growth environment, ecology slope of the choice of slope protection and ecological matrix choice.In the last chapter, the main test is water purification and sewage treatment standards.
Keywords：ecotype porous concrete；wet-dry cycle；ecotype side slope defence; strength； water-purification
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目 录
摘 要 .............................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................................ II 第一章 绪论 ................................................................................................................................. 1
1.1 研究背景 ............................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................ 2 1.3 论文研究目的和内容 ........................................................................................................ 3 第二章 原材料、试验方法及配合比设计 ................................................................................. 4
2.1 试验原材料及其基本性能 ................................................................................................ 4
2.1.1 水泥 ......................................................................................................................... 4 2.1.2 粗集料 ..................................................................................................................... 4 2.1.3 外加剂 ..................................................................................................................... 4 2.1.4 粉煤灰 ..................................................................................................................... 4 2.1.5 硅灰 ......................................................................................................................... 4 2.1.6 矿渣 ......................................................................................................................... 5 2.1.7 拌和水 ..................................................................................................................... 5 2.2 生态混凝土配合比设计方法研究 .................................................................................... 5
2.2.1 配合比设计简介 ..................................................................................................... 5 2.2.2 配合比设计 ............................................................................................................. 5 2.2.3 配合比设计结果 ..................................................................................................... 7 2.3 生态混凝土的成型工艺及养护 ........................................................................................ 8
2.3.1 生态混凝土搅拌过程 ............................................................................................. 8 2.3.2 生态混凝土成型工艺 ............................................................................................. 8 2.3.3 生态混凝土的养护过程 ......................................................................................... 9 2.3.4 试件的尺寸 ............................................................................................................. 9 2.4生态混凝土试验方案设计 ................................................................................................. 9 第三章 生态混凝土的基本性能实验 ....................................................................................... 11
3.1 生态混凝土的抗压强度试验 .......................................................................................... 11
3.1.1 强度测试时表面处理方法 ................................................................................... 11 3.1.2 立方体抗压强度试验方法 ................................................................................... 11 3.1.3 生态混凝土强度性能试验结果及分析 ............................................................... 12 3.2 生态混凝土的抗折强度试验 .......................................................................................... 14
3.2.1 生态混凝土抗折试验方法 ................................................................................... 14 3.2.2 生态混凝土抗折试验结果及分析 ....................................................................... 15 3.3 生态混凝土的干湿交替试验 .......................................................................................... 16
3.3.1 干湿交替试验的研究背景 ................................................................................... 16 3.3.2 干湿交替对多孔混凝土的破坏机理 ................................................................... 16 3.3.3 干湿交替试验方法 ............................................................................................... 17 3.3.4 试件的配制 ........................................................................................................... 18 3.3.5 矿渣对干湿交替试验的影响 ............................................................................... 18 3.6本章小结 ........................................................................................................................... 21 第四章 生态混凝土护坡的植生技术 ....................................................................................... 22
4.1植物生长的必要条件 ....................................................................................................... 22
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4.1.1营养成分 ................................................................................................................ 22 4.1.2光照 ........................................................................................................................ 22 4.1.3 温度 ....................................................................................................................... 22 4.1.4 水分 ....................................................................................................................... 23 4.1.5 空气 ....................................................................................................................... 23 4.1.6 酸碱度 ................................................................................................................... 23 4.2护坡植物的选择 ............................................................................................................... 24
4.2.1护坡植物选择的原则 ............................................................................................ 24 4.3种植基质的选择 ............................................................................................................... 24
4.3.1 优良种植基质的特征 ........................................................................................... 25 4.3.2 几种常用的种植基质 ........................................................................................... 25 4.3.3 生态混凝土种植基质的选用原则 ....................................................................... 26 4.4 植被种植试验研究 .......................................................................................................... 27 4.5 本章小结 .......................................................................................................................... 27 第五章 生态混凝土水质净化性能试验 ................................................................................... 28
5.1 水质净化试验 .................................................................................................................. 28
5.1.1 水质净化试验设计 ............................................................................................... 28 5.1.2 水质净化方案设计 ............................................................................................... 28 5.1.3 水质净化的具体参数指标 ................................................................................... 29 5.1.4 对水质净化的综合评价 ....................................................................................... 30 5.1.5 结果与分析 ........................................................................................................... 30 5.2 本章小结 .......................................................................................................................... 34 第六章 结论与展望 ................................................................................................................... 36
6.1 本文主要结论 .................................................................................................................. 36 6.2 展望 .................................................................................................................................. 37 参考文献......................................................................................................................................... 38 致 谢 ............................................................................................................................................ 39
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第一章 绪论
1.1 研究背景
近年来，在水利工程建设中，人们逐渐意识到河堤护坡是河流生态系统的一个重要组成部分，它是河道水流生态系统向陆地生态系统过渡的一个通道。河道不仅仅具有防洪、航运等基本功能，还应具有生物栖息地和人文景观等功能。传统的浆砌石或混凝土河堤护坡虽然结构稳定，具有防止水流和波浪对岸坡基土的冲蚀和淘刷作用，但水体封闭在河道中，切断了水体和近岸陆地土壤之间各生态要素间的物质、能量及信息系统的有机联系，破坏了原有水陆交错带的生物群落。水生植物、水生动物不能正常生长而消失，生物多样性急剧下降，从而影响整个河流的生态环境。
此时就需要考虑发展能与自然协和共生的建筑材料来建造护坡。此护坡可保持水土，加固堤岸，又可维持甚至增加生物多样性并净化水质。这样，生态混凝土的概念就被引进了。生态混凝土又称环境友好型混凝土，又名亲环境混凝土，可以减轻环境负荷同时也与有机物相适应，它实质上是一种有着连续孔隙的多孔混凝土，水与空气能够很容易通过或存在于其连续通道内,能与生态环境相适应，可使水质得到净化。虽然与普通混凝土相比，它的强度和耐久性都有所不及，但是其有着极为广泛的应用前景，对人类社会的可持续发展有着深远的意义。
生态混凝土的净水功能主要由于它存在大量的孔隙，所以具有良好的透水与透气性。就目前国内外的研究现状来看，它的净水机理主要是物理作用、化学作用以及生态综合效应三个方面： 1．物理作用
多孔混凝土的孔隙率在5%～35%之间，并且连通孔占15%～30%，平均孔径为4～5 mm，并且孔隙弯弯曲曲，这就形成了很好的过滤材料，但是它的比表面积是远远小于如沸石、活性炭等良好的吸附净水材料。而且在实际应用中，我们可以想像到，它的孔隙会慢慢堵塞，从而丧失了过滤的功能。因此它通过物理作用来净水的效果是不会太明显的。 2．化学作用
大家都知道,我们经常使用石灰来净化水质,因为它不但可以调节pH,而且作为无机混凝剂可使污水中的悬浮物质絮凝沉淀,在澄清的同时也降低了水中污染物质的含量。混凝土组成材料中的水泥在水化过程中,以及混凝土浸泡在水中都会不断地溶蚀出Ca（OH）2, 从而起到净化作用。但是这会影响混凝土的耐久性，其碱性也会对生态植物产生影响。 3．生态综合效应
由于生态混凝土是多孔结构的，所以它就提供了适合微生物生长的生存环境。在其表面和内部有大量的细菌栖息繁衍,包括硝化菌、甲烷菌、脱氮菌等喜氧性和厌氧性细菌。而且多孔混凝土上形成的生物膜中生物种群较多,可以充分发挥生物膜的作用,降解水中的污染物质。另外水草等植物附着生长在生态混凝土上时，可以吸收水中的N、P等污染物质。
总之，生态混凝土在水中富集的微生物、动植物形成了一个综合的生态效应从而取得良
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好的水质净化效果，因此是我们研究的重点。
1.2 国内外研究现状
由于环境保护的需要，水土保持、水质净化和退化生态环境的修复和重建得到了世界各国的重视。人们试图通过多种途径解决保水、排水、保护水资源、保护生物的多样性等一系列包含复杂技术的生态环境保护问题。多孔混凝土是一种采用特殊工艺制备的含有连续空隙的混凝土，它既有一定的强度同时又具有透水性和透气性；多孔混凝土在水中富集的微生物、动植物形成了一个综合的生态效应从而取得良好的水质净化效果，在美国、日本、欧洲等国家得到了较为广泛的应用。
直到20世纪90年代美国、日本、欧洲等国家才开发使用生态混凝土这种新型的材料，尤其是日本在这方面做了深入细致的研究。日本大成建设技术研究所进行了连续四年的探索性研究，在1993年提出生态材料(environment conscious materials)概念的基础上, 日本混凝土工学协会在1994－1995年设立了“生态混凝土研究委员会”，1995年日本混凝土工学协会提出了生态混凝土(environmentally friendly concrete / eco-concrete )的概念。[1]
在生态混凝土的水质净化方面，文献报道日本近畿大学的玉井元治教授从90年初就开始进行多孔混凝土（POC）在自然水环境中生物附着和水质净化的可能性的研究。表明POC在自然水环境中会有大量不同的生物附着生长在其上面并具有水质净化的效果。[2]文献报道日本长崎大学于1994年起进行海水现场试验,将直径1ｍ高0.5ｍ的有孔试块10个一组地投入海中,并于1995年2月至1996年2月每月实测一次水质变化,发现生态混凝土有富集营养物质的功能. 另有文献报道,使用生态混凝土在公园内小河上建造净水渠(15ｍ×2ｍ×0.4ｍ),水在其中停留1～3ｈ可去除水中的ＢＯＤ40%～50%,长时间停留可去除80%～90%。[3]日本德岛大学的水口裕之教授1997年在实验室建立了POC水质净化装置并开始研究多孔混凝土的空隙率，粗骨料粒径，孔隙直径对混凝土的强度，生物膜附着和水质净化效果的影响。发现空隙率20%～30%，粗骨料粒径5～20mm的混凝土（28天强度7.5～23MPa）在实验装置中浸泡30天，T-P除去率达60%，T-N去除率达50％。[4]林正浩和水口裕之教授通过在生态混凝土中添加高炉矿渣和沸石粉方法，研究其对多孔混凝土强度和水质净化的影响，取得了较好的成果。[5]日本宫崎大学中泽隆雄博士等也通过室内实验装置对POC的水质净化效果进行了研究，表明POC对废水的TOC、T-P、T-N的去除有明显的效果。[6]
我国在生态混凝土的研究在20世纪90年代后期才开始，与国外水平还存在较大的差距。清华大学、吉林水利科学研究所、吉林水土保持科学研究所对植生型多孔混凝土进行了一些研究。近年来，东南大学高建明教授、吕锡武教授和河海大学的吉伯海教授共同对生态混凝土进行了较为系统研究，取得一定的成果，并将其成功应用于镇江的江滨治理上。[7]同济大学陈志山副教授利用生态混凝土为材料设置了一套装置并研究其污水处理的效果。[3]除此之外，国内对其研究还是空白。
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1.3 论文研究目的和内容
根据国内外目前的研究现状，我确定了本论文的研究内容：
（1）研究用于生态护坡构建的多孔混凝土的基本力学性能及耐久性能，主要是抗压强度，抗折强度以及干湿交替试验的研究；
（2）研究生态护坡的坡面植物种群选型设计，种植基质的选择以及相应的植物植生等相关技术；
(3) 研究由不同粒径的粗集料配制而成的生态混凝土的净水性能。 因此，本文的研究目的可归纳为以下三点：
其一，研究了粉煤灰，硅灰以及矿渣对生态混凝土基本性能和耐久性能的影响关系； 其二，解决生态护坡的坡面植物种群选型问题，以及相应的植物植生等相关技术； 其三，提出了不同粒径生态混凝土的水质净化效果。
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第二章 原材料、试验方法及配合比设计
2.1 试验原材料及其基本性能
2.1.1 水泥
本研究使用水泥为江南－小野田水泥有限公司生产的PII52.5硅酸盐水泥。水泥的化学成分和物理力学指标如表2.1和表2.2所示。
表2.1 水泥化学成分 (wt %)
C3A 6.6
碱含量 0.49
不溶物 0.79
MgO
1.00
SO3 2.63
烧失量 3.01
安定性 合格
表2.2 水泥物理力学性能
标准稠度用水量
（%） 27.4
393 比表面积(m/kg)
初凝 108
终凝 158
2
凝结时间(min) 抗折强度(MPa) 3d 6.4
28d 9.9
抗压强度(MPa) 3d 34.1
28d 67.1
2.1.2 粗集料
粗集料采用的是句容产的茅迪牌玄武岩，粒径为10－15mm。 2.1.3 外加剂
江苏省博特新材料有限公司产JM-B型萘系高效减水剂，粉剂，主要成分β-萘磺酸亚甲基高聚物，减水率达到20%以上。此外加剂的匀质性能见表2.3。
表2.3 JM-B型萘系高效减水剂匀质性能表
氯离子含量（%） 0.03 水泥净浆流动度（mm） 280 含固量（%） 40 Na2SO4含量（%） 1.0 2.1.4 粉煤灰
南京热电厂生产的低钙I级粉煤灰(F)，化学成分如表2.4所示。密度为2.04g/cm3，需水量比0.95，细度(45μm筛筛余6%)。 2.1.5 硅灰
硅灰化学成分见表2.4，密度2.10 g/cm3。
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2.1.6 矿渣
南京江南粉磨有限公司生产的钟山牌S95矿渣微粉，化学成份如表2.4所示。 密度2．86 g/cm3, 比表面积590 m2/kg。
表2.4 矿物掺合料化学成分（mass%）
粉煤灰 硅灰 矿渣
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
SO3
Fe2O3
Na2O — 0.4 —
K2O — 0.8 —
L.O.I
56.34
91.0 31.55
28.33
0.4
3.01
0.7
1.20
0.8
0.10
—
6.28
0.3 0.65
3.55
4.5
15.44 37.28 10.00 1.21 1.10
2.1.7 拌和水
普通自来水
2.2 生态混凝土配合比设计方法研究
2.2.1 配合比设计简介
到目前为止，多孔混凝土配合比设计还没有统一的方法，应该说还不是很成熟。在国内，清华大学杨静教授按照每立方米多孔混凝土的重量应为骨料的紧密堆积密度和单方水泥用量及用水量之和为原则，给出了配合比设计中粗骨料用量取骨料的紧密堆积密度数值，大约在1200kg/m3～1400 kg/m3左右；水泥用量在250 kg/m3～350 kg/m3之间；水灰比介于0.25～0.35之间的经验数据。在日本，他们普遍用的方法是：（1）根据多孔混凝土的用途选择粗集料用量；（2）以期望空隙率确定相应的砂浆含量；（2）确定细集料含量；（3）确定单位用水量和水泥用量；（5）确定外加剂用量。[1] 2.2.2 配合比设计
我们综合了国内外的方法，选择了如下的设计步骤：
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确定设计基准强度 确定目标空隙率 选择水胶比 选择砂浆流动度 选择原材料 配合比试算 配合比试验 强度、空隙率、砂浆流动度是否满足要求 确定水胶比 确定配合比 多孔混凝土搅拌成型 配合比计算步骤如下： 1.单位体积粗骨料用量的计算
WGG(2.1)
式中
W3G—单位立方米粗骨料用量(kg/m)；
G—碎石紧密堆积密度(kg/m3)；
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—修正系数，本文取0.98。
2.胶结材浆体体积的计算
VP100010100CRvoid10(2.2)
式中
VP—胶结材浆体体积(L/m3)；
C—碎石紧密堆积空隙率(%)；
Rvoid—设计目标空隙率(%)。
3.单位立方米水泥和水用量的计算
WCVPRW/C1
C(2.3)
WWWCRW/c(2.4)
式中
WC—单位立方米水泥用量(kg/m3)； WW—单位立方米用水量(kg/m3)；
RW/c—水灰(胶)比；
C—水泥密度(kg/m3)。
4.外加剂的用量ma(kg)
mamcA （2.5）式中A——外加剂的掺量（%）。
5.当掺用粉煤灰（F）、硅灰（SF）、增强剂时，掺量按水泥用量的百分比计算，然后将其掺量换算对应的体积，分别计算各种原材料的用量。计算出水泥用量后，掺合料的用量计算方法与式（2.3）相同。 6.最后列出配合比。 2.2.3 配合比设计结果
RW/c＝0.25；Rvoid＝25％
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表2.5 每立方生态混凝土各组分含量（Kg）（不掺加矿物掺和料时） 组分 质量（Kg）
粗集料 1722
水泥 264
水 52.8
外加剂 2.112
2.3 生态混凝土的成型工艺及养护
2.3.1 生态混凝土搅拌过程
由于生态混凝土中没有细集料，而且要形成具有宏观连通空隙的多孔堆聚结构，因此就需要水泥浆体均匀地包裹在粗集料颗粒表面，骨料之间通过接触点处的水泥浆体胶结为整体，而接触点地数量及接触面积地大小就决定了生态混凝土地强度，所以说它的搅拌过程和普通混凝土是有较大差别的。我们采用了如下的搅拌加料方法：
饱和面干粗集料 混合搅拌20s 水泥 混合搅拌60s 1/2有效水 混合搅拌60s 剩余的有效水水 混合搅拌60s 1/6有效水 出 料 成 型
那如何判断生态混凝土是否搅拌均匀呢？我们综合国内外的研究[8]，以及我们自己试验中的经验，得出了以下三个判据：
（1）水泥浆体均匀地包裹在粗集料表面，集料表面呈现出金属光泽； （2）集料表面的水泥浆体不会流淌下来；
（3）用手挤捏新拌多孔混凝土混合料成团，松手后团块不致于散开，水泥浆体也不会将空隙堵塞。
2.3.2 生态混凝土成型工艺
生态混凝土的成型过程也是和普通混凝土土有较大的差别的。普通混凝土的成型工艺一般分为振捣成型、压力成型、振动成型、离心成型等等。由于我们的生态混凝土采用的
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粗集料的粒径比较大，因此如果直接采用压力成型时，混凝土试块会出现分层现象。如果直接采用振动成型，振动时间难以控制。振动时间长了会出现泌浆现象，严重影响生态混凝土的孔隙率。振动时间短了则会出现生态混凝土不密实的现象，严重影响生态混凝土的抗压抗折强度。在此实验中，我们综合了各个方法的利弊，选用了振捣成型和振动成型相结合的方法，表面采用人工拍压的方法。我们在成型试块时，先在模具中装入1/3的浆料，振捣10～15下；继续装入1/3的浆料，同样振捣10～15下；最后将模具装满，继续振捣10～15下。在模具的表面人工拍压，使表面尽量平整，然后在振动台上振动1～2秒，接着对表面进行小范围修补使得表面平整。 2.3.3 生态混凝土的养护过程
采用标准养护，养护温度为20±2℃，相对湿度95%。 2.3.4 试件的尺寸
用于测定立方体抗压强度的试件尺寸为100mm×100mm×100mm。抗折实验、干湿交替实验、冻融循环实验、生态化评价实验均使用尺寸为40mm×40mm×160mm的试件。
2.4生态混凝土试验方案设计
由于掺加不同的矿物掺合料，会对生态混凝土的性能，以及生态化都会产生影响。因此为了研究掺加不同掺合料对生态混凝土的性能以及生态化的影响，我们总共采用了21组对比试验。这21组试块的编号及对应的试块中水泥、粉煤灰、硅灰及矿粉掺量占胶凝材料总量的质量百分比如表2.6：
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表2.6 各编号试块中水泥、粉煤灰、硅灰及矿粉掺量占胶凝材料总量的质量百分比 编号 CO CS10 CS20 CS30 CF5 CF10 CF15 CF20 CF25 CSi2 CSi5 CSi10 Si2S10Fa5 Si2S20Fa15 Si2S30Fa25 Si5S10Fa15 Si5S20Fa25 Si5S30Fa5 Si10S10Fa25 Si10S20Fa5 Si10S30Fa15
水泥（％）
100 90 80 70 95 90 85 80 75 98 95 90 83 63 47 70 50 60 55 65 45
粉煤灰（％）
— — — —
硅灰（％）
— — — — — — — — —
矿渣（％）
—
10 20 30
— — — — — — — —
5 10 15 20 25
— — —
2 5 10 2 2 2 5 5 5 10 10 10
5 15 25 15 25 5 25 5 15
10 20 30 10 20 30 10 20 30
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第三章 生态混凝土的基本性能实验
3.1 生态混凝土的抗压强度试验
3.1.1 强度测试时表面处理方法
多孔混凝土表面是具有宏观多孔的结构，因此在做强度试验时试件表面与试验机压头之间的接触面积、摩擦限制作用，都将对测试数值的准确性产生十分复杂的影响，因此我们采用了抹面这种方法来尽量减小这些因素对抗压强度的影响。
试件抹面处理过程中，如果抹面后与试验机压板接触的抗压面不平整，将会使试件在受压过程中产生应力集中，会严重影响试验数值的准确性。我们为了保证抹面处理后试件表面理想平整状态，采用1m×1.5m的平板玻璃铺放在桌面上，在进行抗压试验前的2～3天，用流动度为180cm左右的水泥净浆先涂抹在试件表面，将涂抹面朝下按压在玻璃板上，按压过程中应尽量保持试件的水平状态；然后刮去试件四周被挤出的多余浆体。大约经过6小时水泥浆体终凝后，再用相同的方法将试件相对的另一个抗压表面抹平。 3.1.2 立方体抗压强度试验方法
龄期前1～2天将试件从养护地点取出，对受压面进行抹面(如图3－1)。当抹面结束时，生态混凝土也正好到了28天龄期，从而可以进行抗压强度的测试。
图3－1立方体抗压试件 图3－2抗压试验机
采用NYL-2000D型压力试验机(如图3－2)进行测试。试件安放在试验机下压板上，试件的中心与试验机下压板中心对准，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。以0.3～0.5MPa的加荷速度连续均匀加荷，当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录下破坏荷载P(KN)。混凝土立方体极限抗压强度按下式计算：
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fc（3.1） 式中：
P1000A
fc—立方体极限抗压强度（MPa） （精确至0.1MPa)；
P—破坏荷载（KN）； A—试件承压面积（mm2）。 3.1.3 生态混凝土强度性能试验结果及分析
3.1.3.1单一矿物掺合料对生态混凝土抗压强度的影响
首先，我们分析的是基体生态混凝土（即不掺加任何掺合料的生态混凝土）及单一掺加不同掺量的硅灰、粉煤灰和矿渣的试件抗压强度变化曲线，分别如图3-3，图3-4，图3-5。
图3-3硅灰对生态混凝土抗压强度影响 图3-4矿渣对生态混凝土抗压强度影响
图3-5粉煤灰对生态混凝土抗压强度影响
从图3-3可以看出生态混凝土的抗压强度随着硅灰的掺量的增加而提高的，在掺量5%之前较基体生态混凝土的抗压强度有较大的提高，但随后抗压强度的变化较为缓慢。我们考虑到硅灰的成本比较高，因此在工业上硅灰的掺量不必超过5％。在图3-4中，矿渣的掺量为10%时抗压强度比较高，比基体生态混凝土高出近65％。从图3-5中可以看到，粉煤灰对抗压强度的影响没什么规律可言，但其掺量的大小对28天的抗压强度影响不大。
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3.1.3.2矿物掺合料混掺对生态混凝土抗压强度的影响
此外，在现实生产中，我们会根据不同掺合料的性能及影响规律进行混掺。因此，研究硅灰、粉煤灰及矿渣的混掺对生态混凝土的综合作用是十分必要和有意义的。在此过程中，我们设计了正交试验，正交设计因素水平表如表3.1，正交设计试验方案在表3.2中都详细表述出来了。
表3.1 多孔混凝土正交设计因素水平表
水平 1 2 3
表3.2 硅灰、矿粉、粉煤灰掺量L9(34) 正交设计试验方案 编号 Si2S10Fa5 Si2S20Fa15 Si2S30Fa25 Si5S10Fa15 Si5S20Fa25 Si5S30Fa5 Si10S10Fa25 Si10S20Fa5 Si10S30Fa15
目标孔隙率（%） 25 25 25 25 25 25 25 25 25
硅灰掺量（%） 1（2） 1（2） 1（2） 2（5） 2（5） 2（5） 3（10） 3（10） 3（10）
矿粉掺量 （%） 1（10） 2（20） 3（30） 1（10） 2（20） 3（30） 1（10） 2（20） 3（30）
粉煤灰掺量（%） 1（5） 2（15） 3（25） 2（15） 3（25） 1（5） 3（25） 1（5） 2（15）
空集 1 2 3 3 1 2 2 3 1
因素
硅灰掺量（%）
2 5 10
矿粉掺量（%）
10 20 30
粉煤灰掺量(%)
5 15 25
注：粗骨料为10-16mm，水灰比为0.25，空隙率为25%，减水剂JM-B的掺量为0.8% 正交设计完成后，我们分别测了正交试验各组的实际孔隙率和抗压强度，如表3.3。
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表3.3 正交设计试验各组的实测孔隙率及抗压强度
编号 Si2S10Fa5 Si2S20Fa15 Si2S30Fa25 Si5S10Fa15 Si5S20Fa25 Si5S30Fa5 Si10S10Fa25 Si10S20Fa5 Si10S30Fa15
实测孔隙率（%） 28.3 27.6 29.0 27.8 28.0 29.1 27.3 28.2 29.3
硅灰掺量（%） 1（2） 1（2） 1（2） 2（5） 2（5） 2（5） 3（10） 3（10） 3（10）
矿粉掺量 粉煤灰掺量（%） 1（10） 2（20） 3（30） 1（10） 2（20） 3（30） 1（10） 2（20） 3（30）
（%） 1（5） 2（15） 3（25） 2（15） 3（25） 1（5） 3（25） 1（5） 2（15）
空集 1 2 3 3 1 2 2 3 1
抗压强度（MPa） 18.99 17.81 17.98 19.55 21.33 21.78 23.85 22.78 24.14
然后，我们对结果进行极差分析，分析结果如表3.4。
表3.4 正交试验极差分析
因素 硅灰掺量 矿渣掺量 粉煤灰掺量 误差列
K1 54.780 62.391 63.549 64.461
K2 62.661 61.920 61.500 63.441
K3 70.770 63.900 63.159 60.309
κ1 18.260 20.797 21.183 21.487
κ2 20.887 20.640 20.500 21.147
κ3 23.590 21.300 21.053 20.103
极差 5.330 0.660 0.683 1.384
从表3.5可以看到，混掺试验中，硅灰对生态混凝土的影响较大，而矿渣和粉煤灰相比于硅灰则影响是比较小的。同时我们可以看出，第九组Si10S30Fa15的抗压强度是最高的，而且矿物掺合料占胶凝材料的比例达到55％，虽然成本较高的硅灰含量达10％，但从总体来看，不管是成本还是抗压强度都是比较令人满意的。
3.2 生态混凝土的抗折强度试验
3.2.1 生态混凝土抗折试验方法
抗折强度采用40mm×40mm×160mm尺寸的试件（如图3－6）。抗折强度试验机型号为AEC-1（如图3－7所示）。
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图3－6抗折试件 图3－7 抗折试验机
3.2.2 生态混凝土抗折试验结果及分析
我们分别研究了硅灰，矿渣及粉煤灰单一掺加到生态混凝土中对生态混凝土的抗折强度产生的影响，影响曲线图分别如图3-8，图3-9，图3-10。
图3-8硅灰对生态混凝土抗折强度影响 图3-9矿渣对生态混凝土抗折强度影响
图3-10粉煤灰对生态混凝土抗折强度影响
从图3-8中可以看到，硅灰对生态混凝土的抗折强度是有益的，在掺量2％以下时，抗折强度较基体生态混凝土有十分大的提高，在此之上再掺入硅灰，则抗折强度的提高速度大大降低，影响就不十分明显了。在图3-9中，矿渣掺量在20％时达到最大，掺量继续
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增加则会出现抗折强度下降的现象。而粉煤灰的影响（如图3-10）在掺量15％时达到最大，小于或大于15%时，对其影响是锯齿状的影响。
3.3 生态混凝土的干湿交替试验
3.3.1 干湿交替试验的研究背景
随着潮涨潮落，水利工程中的多孔混凝土常常遭受干湿交替的作用。一般认为，正常温湿度范围内的干湿交替作用对普通混凝土的影响可以忽略，但是多孔混凝土的浆体层厚度仅为2～3mm，而水泥基材料的干燥收缩裂缝顶宽可达0.5～3mm，干湿交替有可能对多孔混凝土造成破坏。[9]
多孔混凝土在干湿交替的情况下，面临着两种破坏因素的作用：温度的影响和湿度的影响。当多孔混凝土受夏季阳光直射时，表面温度最高可以达到50℃。由于多孔混凝土骨料与包裹浆体之间的导热系数及缩胀系数的不同步，造成两者温度应变的不同步，导致界面处微裂缝的产生；若多孔混凝土所处环境湿度过低，加速了包裹浆体干燥收缩的进行，导致浆体干缩破坏。当然，浆体的自收缩也是多孔混凝土浆体微裂缝产生的原因之一。
我国幅员辽阔，气候变化多样，温湿度变化差异很大。夏季最高气温可以达到49.6℃，荒漠环境中相对湿度一般在30％以下，甚至可以接近0％，这些极端气候对多孔混凝土的应用提出了挑战，因此研究生态混凝土的干湿交替试验具有较大的意义。 3.3.2 干湿交替对多孔混凝土的破坏机理
干湿交替对多孔混凝土的影响可以认为是高温干燥环境下造成的自应力和试件放入水中湿润后自应力部分消除，这一应力循环作用的结果。高温干燥环境下造成自应力包括两部分：[9]
（1）温度产生的自应力：温度变化造成骨料与包裹浆体形变的不同步，同时造成浆体孔隙水蒸发的加速；
（2）湿度产生的自应力：湿度过低导致包裹浆体干燥收缩的加剧。
如果多孔混凝土试件处于约束条件下，不能自由的胀缩和翘曲产生，这将加剧多孔混凝土的破坏。严格来说，干燥收缩是塑性收缩和凝结后干燥收缩、自收缩以及碳化收缩的总和。其中，塑性收缩指的是施工后、硬化前的表面水蒸发及集料、模板材料对水分的吸收，当水分的散失速率超过多孔混凝土泌水的上升速率时，造成毛细管的负压，新拌多孔混凝土表面迅速干燥而产生的收缩；碳化收缩是指大气中的CO2在存在水的条件下与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水，而导致体积收缩的过程。这两者都不在干湿交替的考虑范围之内，干湿交替中的干燥收缩主要是指多孔混凝土试件凝结后的干燥收缩和自收缩。
多孔混凝土的自收缩造成的影响不可忽视。自收缩指的是在养护期间除了拌和水之外
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没有补充水分，由于浆体内水分被水化消耗，造成混凝土内部干燥导致的收缩。这种收缩在低水灰比的情况下以及加入活性火山灰掺和料时表现明显[47]。多孔混凝土的水灰比一般控制在0.3以下，属于低水灰比的范围，当加入粉煤灰或硅灰等火山灰性材料时，可能发生体积收缩。
多孔混凝土凝结后的干燥收缩可分为两部分：可逆干燥收缩和不可逆干燥收缩。干燥收缩发生后，再潮湿过程中恢复的那部分收缩称为可逆收缩，无法恢复的那部分称为不可逆收缩。
在事实上，在干湿循环过程中，有相当一部分的收缩是不可逆的。可逆收缩的机理大部分都是物理性能，即干缩取决于孔结构和表面性能。而浆体的化学结构则对不可逆收缩有着重要的影响，水灰比、水化程度控制着浆体的孔隙率，孔隙率只对不可逆收缩有影响而对可逆收缩影响不大。除此之外，养护温度也影响浆体的干燥收缩，养护温度较高时，不可逆收缩减少但不影响可逆收缩。收缩的减少取决于浆体暴露的最高温度：在65℃时，不可逆收缩减少约2/3，总收缩减少约1/3。不可逆收缩的起因可以从C-S-H的不稳定的无定形特性中发现。当水从微观孔中排出和毛细管应力施加于无规则的C-S-H颗粒聚集体时，其堆聚将重新排列，这些变化导致薄片之间结合的改变（例如，创立新的层间空间）和由于微观孔的湮灭而创立新的细观孔。这些变化类似于延长水化或高温养护所促进的变化，可以作为由于干燥收缩加速了C-S-H的“老化”来看待。改变水灰比和掺加矿物掺和料也可改变C-S-H凝胶的聚合度，这又影响了他们之间的结合、微观孔的尺寸分布和以后在干燥时的“老化”。C-S-H凝胶聚合度愈高、表面积愈小，不可逆收缩越小。不可逆收缩是由于C-S-H凝胶等硅酸盐结构的改变而造成的。
在多孔混凝土的干湿交替中除了包裹浆体的影响之外还必须考虑到集料的影响。浆体变形受集料的约束，集料的干燥收缩值比水泥净浆要小。集料在温湿度条件改变时尺寸都很稳定。集料的数量、集料的刚性和粗集料的最大尺寸都影响着集料对浆体收缩的抑制作用。在多孔混凝土中，由于集料含量多而浆体含量少，集料对浆体收缩的限制作用将会较为突出。
3.3.3 干湿交替试验方法
干湿交替实验中多孔混凝土试件尺寸为40×40×160mm，经过28d标准养护后，进行干湿交替实验。
试验的方法为：将试件放入20℃水中一天后放入恒温恒湿箱中两天，再将试件放入20℃水中一天后放入恒温恒湿箱（如图3－5）中三天（一星期为一个循环）。恒温恒湿箱中的温湿度可以控制调节，分别采用温度40℃，相对湿度40%；温度50℃，相对湿度40%；温度40℃，相对湿度30%三种干湿循环制度。每个干湿循环后测量试件的质量损失率和相对动弹模量的变化，相对动弹模量的变化采用超声法进行测量。由于时间关系，我们在此试验中主要的研究的是矿渣对干湿交替的影响。
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图3-5 恒温恒湿箱
3.3.4 试件的配制
我们分别采用了矿渣掺量为20％，30％，40％；水灰比分别为0.25，0.27，0.29进行交叉试验，试件编号如表3.5。
表3.5 干湿交替试验试块编号 编号 W1S1A1 W1S2A2 W1S3A3 W2S1A2 W2S2A3 W2S3A1 W3S1A3 W3S2A1 W3S3A2
3.3.5 矿渣对干湿交替试验的影响
干湿交替作用下多孔混凝土试件的相对动弹模量下降及质量变化率见图3－6～3－11。在这里，我们采用的是以相对动弹模量的百分值作为试验结果进行分析。
矿粉掺量
0.2 0.3
0.4 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4
水灰比 0.25 0.25 0.25 0.27 0.27 0.27 0.29 0.29 0.29
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100)90%(量80模弹70动W1S1A1W1S2A2对60W1S3A3W2S1A2相W2S2A3W2S3A150W3S1A3W3S2A1W3S3A2W3S0A2400481216干湿交替循环次数图3-6 50℃、40%的相对湿度时的干湿交替相对动弹模量试验结果100)%90(量模80性弹70W1S1A1W1S2A2动W1S3A3W2S1A2对60W2S2A3W2S3A1相50W3S1A3W3S2A1W3S3A2W3S0A2400481216干湿交替循环次数图3-7 40℃、40%的相对湿度时的干湿交替相对动弹模量试验结果 100W1S1A1W1S2A2W1S3A3W2S1A2)90%W2S2A3W2S3A1(W3S1A3W3S2A1量80W3S3A2W3S0A2模弹70动对60相50400481216干湿交替循环次数图3-8 40℃、30%的相对湿度时的干湿交替相对动弹模量试验结果
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10099.5)%99(率98.5化变98量97.5质W1S1A1W1S2A297W1S3A3W2S1A2W2S2A3W2S3A196.5W3S1A3W3S2A1W3S3A2W3S0A2960481216干湿交替循环次数图3-9 50℃、40%的相对湿度时的干湿交替质量变化率试验结果
10099.5)%99(率98.5化变98量97.5W1S1A1W1S2A2质97W1S3A3W2S1A2W2S2A3W2S3A196.5W3S1A3W3S2A1W3S3A2W3S0A2960481216干湿交替循环次数图3-10 40℃、40%的相对湿度时的干湿交替质量变化率试验结果
100W1S1A1W1S2A2%99.5W1S3A3W2S1A2(W2S2A3W2S3A1率99W3S1A3W3S2A1化98.5W3S3A2W3S0A2变98量97.5质9796.5960481216干湿交替循环次数
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图3-11 40℃、30%的相对湿度时的干湿交替质量变化率试验结果
实验结果表明，在上述三种干湿制度中，40℃、30%RH的干湿制度对多孔混凝土试件的破坏程度最大，40℃、40%RH和50℃、40%RH的干湿制度对多孔混凝土试件的影响相差不大。这说明对于多孔混凝土的干湿破坏而言，环境相对湿度下降10％所带来的影响要大于温度升高10℃所带来的影响。
三种干湿制度下的试验结果说明，水灰比为0.27的试件抗干湿交替性能最好；矿粉掺量为20％和30％时，矿粉掺入有利于提高浆体的抗干湿交替性能；当矿粉掺量达到40％时，矿粉的掺入对抗干湿交替性能的提高不如20％和30％的掺量。试验结果表明，矿粉掺量30％时，试件抗干湿交替效果最好。
3.6本章小结
本章主要研究了生态混凝土的基本力学性能，其中包括抗压强度，抗折强度以及干湿交替。通过本章的研究，得出以下几点结论：
（1）生态混凝土的抗压强度随着硅灰的掺量的增加而提高的，在掺量5%之前较基体生态混凝土的抗压强度有较大的提高，但随后抗压强度的变化较为缓慢。抗压强度随矿渣的掺量不是一个简单的直线，而是存在着一个比较理想的掺量，即掺量10％。而粉煤灰对抗压强度的影响没什么规律可言，对生态混凝土后期强度比较有益。
（2）混掺试验中，硅灰对生态混凝土的影响较大，而矿渣和粉煤灰相比于硅灰则影响是比较小的。同时第九组Si10S30Fa15（即硅灰掺量10％，矿渣掺量30％，粉煤灰掺量15％）的抗压强度是最高的，而且矿物掺合料占胶凝材料的比例达到55％。
（3）随着硅灰的掺入，生态混凝土的抗折强度是越来越高的，但是在掺量2％以上后，抗折强度的增加就十分缓慢了。矿渣的掺入对抗折强度也不是一个简单的线性关系，同样存在最优掺量，即掺量为20％时达到最大。而粉煤灰的掺量在15％时抗折强度达到最大。 （4）干湿交替破坏对多孔混凝土会造成破坏。在实验室条件下，温度40℃，相对湿度40%；温度50℃，相对湿度40%；温度40℃，相对湿度30%三种干湿循环制度中，以温度40℃，相对湿度30%时的干燥条件对试件的破坏程度最大，温度40℃，相对湿度40%的干燥条件对试件的破坏程度最小。
（5）矿渣的掺入有利于提高试件的抗干湿交替性能。且试验表明，矿粉掺量30％时，试件抗干湿交替效果最好。
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第四章 生态混凝土护坡的植生技术
我们这里的生态混凝土护坡植生技术简单来说就是让植物能在生态混凝土上正常的生长，从某种程度上来看也可以看作是无土栽培的一种。无土栽培是不在自然土壤中种植植物，而是把植物种植在其他材料中，这种除土壤以外的其他材料称为基质。因此本文中的生态混凝土从某种程度上也可被看为是基质。这个生态系统应包括生态混凝土(无土栽培基质)、种植基质、营养液和植物种子。[10]
生态混凝土的性能主要在前几章已经进行了研究，所以本章主要将从植物生长的必要条件、护坡植物的选择及植生试验三个方面展开研究。
4.1植物生长的必要条件
4.1.1营养成分
植物能吸收利用的元素可以分为两大类，即大量元素和微量元素。大量元素包括碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、硫和镁等。微量元素也称少量元素，包括铁、锰、硼、锌、铜、钼和氯等。
在大量元素中，植物所吸收的碳、氧主要来自大气，而氢和部分氧来自水，故一般情况下不考虑碳、氢、氧。氮在植物中的百分含量位于碳、氢、氧之后，其对植物有着极其重要的作用。植物主要吸收的是铵态氮，同时也可以吸收有机氮如尿素等。磷通常以H2PO4-和HPO42-的形式被植物根系吸收，无机态的磷进入植物体后，很快转化成有机态存在。钾和钙等在植物体内主要是以离子形态存在。
在这些植物所必需的营养元素中，多孔混凝土除了具有钙、钾、碳、氢和氧等元素之外，其他植物生长所需的大量元素和微量元素就要依靠营养液来补给。具体怎么来配制营养液，我们在这里就不做深入讨论。 4.1.2光照
光是植物赖以生存的最为重要的条件。光照强度会影响植物的光合作用。充足的光照对于维持一定的光合速率以补偿呼吸消耗和满足新生长所需光合产物是必要的。因此我们需要根据护坡所在地的气候阳光情况来决定我们所选用的草种。 4.1.3 温度
温度是植物生命活动中最为基本的要素，虽然植物对温度有一定的适应性范围，但其生长发育需要在一定温度范围内进行。温度大于50℃或低于0℃大多数植物的生物活性已
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基本停止。每一种植物的生长都有各自特定的三基点温度，即最高温度、最低温度和最适温度。三基点温度代表植物生长的温度范围。此外，还有两种基点温度(最低和最高生存温度)，它是温度极限值，在这个极限之外，植物不能生存。
一般认为，植物最活跃生长的温度范围在10℃～40℃。但最大代谢活力或生长的适宜温度依不同植物，甚至有时同一植物的不同品种而有所差异。冷季型植物生长适宜温度范围在15℃～24℃，而暖季型植物生长适宜温度范围是27℃～35℃。
因此在护坡构建时，是需要考虑季节的。选择的季节合适，则构建出来的护坡上的植物茂盛，水质净化效果明显，生态化较好。 4.1.4 水分
水分是植物生长与生存最重要的因素之一。植物组织中的水分一般要占到70%～90%，过高或过低的含水量会显著地影响植物生长与外观质量，甚至致死。水分的供应状况会直接影响植物的生长发育状况，称之为“生理需水”；同时由于水有调节基质和植物的温度功能从而影响肥料的分解并改善小气候，最终影响到植物的生态状况，称之为“生态需水”。
植物在水分逆境胁迫下生存的能力叫做抗旱性。我国许多地区年降水量少且降水分布不均，常出现干旱，这对植物的生存发育及质量构成严重威胁。因此因地制宜选择合适的物种在多孔混凝土植生试验中具有重大的意义。 4.1.5 空气
植物的正常生长发育需要新鲜的空气，因为植物所需要的“食物”大部分来自于空气。植物光合作用所需要的二氧化碳同样也来自于空气，空气中二氧化碳的浓度越高，植物光合作用的速率也越快。但若空气中二氧化碳的浓度过高，又会使植物的气孔关闭而抑制光合作用的速率。另外植物的呼吸作用是其全部生命活动的能量来源，对于植物来说非常之重要。植物的呼吸必须在有氧气参加的情况下才能进行，空气中氧的含量也会影响到植物的呼吸作用。在正常情况下，氧气的供应不成问题。
生态混凝土有着20%～30%的连续空隙，较之普通混凝土的密闭性其通气性良好，这就使植物可以正常地进行呼吸活动和光合作用。 4.1.6 酸碱度
植物正常生长情况下，其根系在pH值5.5～6.5的弱酸性的范围内生长最好。通常土壤的pH值在3.5～9.5之间。碱性过高会导致一些微量元素缺乏症，植物的根端会发黄或坏死，叶子失绿。
生态混凝土内部空隙中的pH值较普通混凝土要低得多，同时我们还可以通过掺加掺合料和其他元素来进一步降低其pH值，其内部环境是完全可以适合一般植物的正常生成
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的[11]。
4.2护坡植物的选择
4.2.1护坡植物选择的原则
不同的植物具有各自不同的基因特性，因而对环境条件表现出不同的适应性，护坡植物的选择应遵循以下原则：[11] 1.适应当地的气候条件；
2.适应当地的土壤条件(水分、pH值、土壤性质等)；
3.抗逆性(包括抗旱性、抗热性、抗寒性、抗贫瘠性、抗病虫害性等)强； 4.地上部较矮，根系发达，生长迅速，能在短期内覆盖坡面； 5.越年生或多年生；
6.适应粗放管理，能产生适量种子； 7.种子易得且成本合理。
影响生态混凝土种植植物品种的选择有很多因素，要在了解各类草种的生态习性的基础上，根据当地的气候、光照、用途及管理水平等条件，并结合生态混凝土自身结构特点进行综合考虑后加以选择，同时也要考虑到当地的管理水平。这些因素在实际工程应用中都应得到充分的考虑与应有的重视。表4.1给出了适合我国不同气候带的植物物种。
表4.1各气候带适合的植物物种[1]
编码 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ 气候带 青藏高原带 寒冷半干旱带 寒冷潮湿带 寒冷干旱带 北过渡带 云贵高原带 南过渡带 温暖潮湿带 热带亚热带 植物物种 高羊茅 老芒麦 垂穗披碱草 高羊茅 白三叶 小冠花 无芒雀麦 扁穗冰草 紫花苜蓿 胡枝子 枸杞 紫羊茅 草地早熟禾 梯牧草 白三叶 莲翘 胡枝子 葛藤 无芒雀麦 扁穗冰草 老芒麦 紫花苜蓿 柠条怪柳 沙棘 结缕草 高羊矛 异穗苔草 白三叶 野牛草 紫穗槐 莲翘 结缕草 狗牙根 高羊矛 草地早熟禾 白三叶 高羊矛 狗牙根 马唐 多年生黑麦草 白三叶 苜蓿 狗牙根 弯叶画眉草 结缕草 假俭草 银合欢 紫荆 狗牙根 结缕草 竹节草 假俭草 巴哈雀稗 4.3种植基质的选择
生态混凝土为植物生长提供了一定的场所，但其坚硬的表面使得植物的根系不能在其上直接生长，故必须在生态混凝土内部空隙中填充一定数量的种植基质，使植物的根系能够有赖以附生的载体。这些种植基质可以不必为植物提供营养成分，而用外加营养液的方法来给植物提供赖以生存的营养。种植基质和营养液一起通过渗透的方法填充生态混凝土
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的内部空隙，为植物根系的生长及发育提供载体和必要的营养。当然在适当的情况下也可选用提供营养成分的种植基质。另外，种植基质的选择还必须兼顾透气性、保水性和无毒性等方面的要求。[12] 4.3.1 优良种植基质的特征
适用于不同植物的种植基质的要求是不同的，但优良的种植基质应具有一些共同的特征。即必须具备良好的物理化学和生物学特性；具备质轻、通透性好、保肥保水能力强；酸碱性适宜，材料易得；无毒害成份及有害微生物等。[13] 1.适宜的物理特性
种植基质的物理性质包括孔隙率、质地、结构、容(比)重等。这些特性决定了基质的保水、排水、通气性和种子发芽率、根系附着力。因此需针对某一植物的特殊要求，种植的方式和容器的形状来选配各种基质材料的适宜比例，制备不同结构和形状的种植基质。 2.适宜的化学特性
种植基质的化学特性是指其酸碱度、保肥性和缓冲力(CEC)、养分含量及组成等，这些化学性质将影响植物的生长速度、高度及株型。因此要根据栽培植物的特性，来设计各种基质材料的配方比例，达到一定的酸碱度、导电率、阳离子交换量、养分组成及没有有害化学物质的要求。保证植物有适宜的生长速度，健康的株型及较大的忍耐力。 3.良好的生物学特性
种植基质还必须有良好的生物学特性，即含有活跃的有益微生物菌群如菌根真菌、根圈保护菌、溶磷细菌、硅酸盐菌、固氮菌等。使之促进植物的健康生长、养分吸收和成活率、抗病率等。
4.3.2 几种常用的种植基质
种植基质可以认为是人造土壤，可以作为基质的材料有很多，有些是天然材料如泥炭、木屑、河砂、蛭石、珍珠岩等；有些是人工合成的材料如酚醛泡沫、环氧树脂、聚苯乙烯、聚氨酯等[1]。下面简要介绍几种常用的种植基质。 1.蛭石
蛭石为镁铝硅酸盐的水合物，由云母类矿物经800℃～1100℃加热制备。蛭石的容重很小，每立方米约80kg，具有很强的保肥保水能力，吸水的质量可达蛭石自身质量的1.5～8倍。此外蛭石还可以提供一定量钾、锰和少量钙、镁等营养物质。 2.珍珠岩
珍珠岩是由硅质火山岩在1200℃下高温膨胀而成，其容重约为每立方米80kg～180kg。虽然珍珠岩的吸水量约为自身质量的4倍，不如蛭石，但在下层有水的情况下，能通过颗粒间的水分传导，将下层水吸收到上层基质中，保持含水量的均匀和一定的通气性。珍珠岩的密度比水轻，在大量灌水而积水时会浮在水面致使珍珠岩颗粒与根系脱离，容易伤根，
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植株也容易倒伏。珍珠岩的粉尘对喉咙有强烈刺激，使用前应用水喷湿，以免粉尘飞扬。 3.泥炭
泥炭又称草炭、泥煤，是古代湖沼地带的植物被埋压在地下，在淹水和缺少空气的条件下形成的分解不完全的特殊有机物。泥炭吸水量大，吸收养分的能力也很强，溶解在水中的养分很容易被泥炭吸附，缓慢地供给植物使用。泥炭一般透气性很好，透气条件能满足根系的生长需要。但有时有些泥炭含有有害成分或含盐量较高，需经试种少量植物观察其无害后才能使用。 4.炉渣
炉渣是锅炉烧煤后的残渣。由于燃煤种类和锅炉类型不同，炉渣的容重变化比较大，一般每立方米200kg～700kg，总孔隙率55%左右，其中空气容积20%左右、持水容积30%左右。炉渣中含有一定的磷、钾和微量元素，是一种较好的种植基质。 4.3.3 生态混凝土种植基质的选用原则
由于生态混凝土特殊的结构特征，决定了其种植基质的选用必须遵循以下几个原则。 1.颗粒小
种植基质由于要进入生态混凝土的孔隙之中，故其粒径要小最好成粉状，否则容易浮在多孔混凝土表面或堵塞其内部的连续空隙，不利于植物根系营养和水分的吸收。因此选用做多孔混凝土的种植基质如蛭石和珍珠岩等都需在使用之前磨成粉状。 2.吸水能力强
生态混凝土由于内部具有连续的空隙，水分很容易透过但另一方面也易流失，故需选用吸水能力强的种植基质如蛭石、泥炭及某些高分子聚合物等。吸水能力强即意味着保水能力强，当植物根系缺水的时候周围种植基质内部仍然能提供水分供其继续生长发育。 3.保肥能力强
生态混凝土种植基质一般不提供植物生长发育所需的营养成分，营养成分主要靠营养液提供，故需种植基质有良好的保肥能力即阳离子代换量大。另外很多有机基质材料本身就是一种可逐渐释放养分的肥料，这种肥料的缓释能力对植物根系的生长及发育更为有利。 4.质轻、分散能力强
轻质的种植基质即能固定根系又利于搬运运输，吸水后能在水中悬浮的种植基质最利于在植生型多孔混凝土内部的填充。这是由于如果种植基质吸水后悬浮于水中则其分散度较好利于形成连续的均匀的基质和营养液混合体，从而能充分地填充生态混凝土内部的空隙。此外吸水后极易成团的某些些高分子吸水树脂不宜选用做植生型多孔混凝土的种植基质。 5.偏酸性
由于生态混凝土的内部环境偏碱性，所以选用适当偏酸性的种植基质有利于改善根系生长的外部环境，这样不仅对植物根系快速成长发育有利同时也能扩大种植植物的种类与
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范围。蛭石和泥炭等都种植基质有着偏酸的特性。 6.经济性好
主要是选用资源丰富，价格合理的种植基质如蛭石、珍珠岩等。
4.4 植被种植试验研究
植被种植试验的目的是研究所选植物能否在生态混凝土上正常生长，选择的种植材料对植物生长的影响，以及植物根系在多孔混凝土孔隙中的生长情况。
生态混凝土的植被试验方法分以下几个步骤进行，首先将土壤，水，粉煤灰等按照一定的比例配制成浆体，然后填充生态混凝土孔隙中，只填充生态混凝土下半部分，接着在表层填充具有一定强度的植被种植材料，然后种植上草种。[13]
种植完成后到种子发芽的这段时间内非常重要，因此对其进行养护管理是必要的。养护管理主要包括洒水、施肥及除杂等内容，水分在植物发育阶段尤为关键，在天气炎热干早时应适当的洒水，保证植物根系的正常生长，洒水的同时注意观察植物的生长发育状况，若夜间温度很低还应采取一些保温措施，如用塑料薄膜覆盖等。
4.5 本章小结
在本章中，我们研究了植物的生长条件，生态护坡植物的选择，以及种植基质的选择和植物种植试验。通过本章的研究，我们得出以下结论：
（1）生态护坡系统主要是由多孔混凝土、种植基质、营养液及植物种子构成。种植基质、营养液及种子混合组成多孔混凝土的种植基，采取渗透或浸渍的方法填充多孔混凝土内部空隙。
（2）种植基质要求有良好的物理、化学及生物特性，即颗粒小、吸水保水性好、保肥能力强、轻质、偏酸性和经济性好。常见的种植基质主要有蛭石、珍珠岩、泥炭等。 （3）植被种植试验时，依据不同的环境及气候条件采取相应的养护管理措施对植物的生长及发育极为关键。尽力为植物生长营造亲自然的小环境有益改善植株的生长环境，利于其快速健康稳定地生长。[14]
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第五章 生态混凝土水质净化性能试验
在这里，我们主要研究的是动态水质净化试验，关于静态水质净化试验在这里我们不做过多的讨论。
5.1 水质净化试验
5.1.1 水质净化试验设计
我们采用的生态混凝土试件的尺寸为40×40×160mm的，在养护28天后取出，放入水槽中，如图5-1搭好装置[15]。
图5-1 水质净化装置图
5.1.2 水质净化方案设计
将室内温度控制在25℃，采用与自然光较为接近的6000lux的荧光灯照射，配制一定比例的人工废水，然后以较为恒定的流速循环通过我们的试块，最后测得人工废水的最终含有害物质的量。其中我们在这章主要研究的是不同粒径的粗集料对废水的处理能力。我们配制的人工废水如表5.1：
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表5.1 人工废水配方
化学组分 NH4Cl Na2HPO4 NaCl KCl MgSO4 C6H12O6
5.1.3 水质净化的具体参数指标 一、溶解氧（DO）：
溶解氧在水中的分子态氧称为溶解氧。天然水的溶解氧含量取决于水体与大气中氧的平衡。溶解氧的饱和含量和空气中氧的分压、大气压力、水温有密切关系。清洁地表水溶解氧一般接近饱和。由于藻类的生长，溶解氧可能过饱和。水体受有机、无机还原性物质污染时溶解氧降低。当大气中的氧来不及补充时，水中溶解氧逐渐降低，以致趋近于零，此时厌氧菌繁殖，水质恶化，导致鱼虾死亡。废水中溶解氧的含量取决于废水排出前的处理工艺过程，一般含量较低，差异很大。鱼类死亡事故多是由于大量收纳污水，使水体中耗氧性物质增多，溶解氧很低，造成鱼类窒息死亡，因此溶解氧是评价水质的重要指标之一。
二、高锰酸钾指数：
高锰酸钾指数，是指在酸性或碱性介质中，以高锰酸钾作为氧化剂，处理水样所消耗的量，以氧的mg/l表示。水中硝酸盐、亚铁盐、硫化物等还原性无机物和在此条件下可被氧化的有机物，均可消耗高锰酸钾。因此，高锰酸钾指数常被作为地表水体受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标。
高锰酸钾指数，也被成为化学需氧量的高锰酸钾法。由于在规定条件下，水中的有机物只能部分被氧化，并不是理论上的耗氧量，也并非反应水中总有机物含量的尺度。因此，用高锰酸盐指数这一术语作为水质的一项指标，有别于重铬酸钾法的化学需氧量，更符合于客观实际。 三、总磷(T-P):
在天然水和废水中 ，磷几乎都以各种磷酸盐的形式存在，它们分别是正磷酸盐，缩和磷酸盐（焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐）和有机结合的磷（如磷脂），它们存在于溶液中，腐殖质粒子中或水生生物中。一般天然水中，含磷量不高。化肥、冶炼、；合成洗涤剂等行业的工业废水及生活污水中常含有较大量磷。磷是生物生长必须元素之一。但水体中磷含量过高（如超过0.2mg/l）,可造成藻类过度繁殖，直至数量上达到有害的程度（称富营养
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含量 7.6mg/l (T-N 2.15mg/l) 1.8mg/l（T-P 0.4mg/l） 3.3mg/l 1.6mg/l 1.3mg/l 100mg/l （TOC 40mg/l） 东南大学学士学位论文
化），造成湖泊、河流透明度降低，水质变坏。磷是评价水质重要指标。 四、总氮（T-N）：
大量生活污水,农田排水或含氮工业废水排入睡中，使水中有机氮和无机氮化物含量增加，生物和微生物大量繁殖，消耗水中溶解氧，水质恶化。氮磷超标，则造成藻类等水生植物繁殖迅猛，出现富营养化现象。总氮是衡量水质重要指标之一。 5.1.4 对水质净化的综合评价
我们结合国内外的标准，给出了富营养化氮磷指标（如表5.1）和水质净化的指标（表5.2）。[16]
表5.2 富营养化氮磷指标
营养状态 极贫营养 中－贫营养 中－富营养 富营养 重富营养
无机氮(g·L- 1)
<0.2 0.2～0.4 0.3～0.65 0.65～0.3
>1.5
表5.3 水质净化标准
地面水环境质量标准（GB3838-2002） 水质指标 Ⅰ类 溶解氧 DO(mg/L) 总磷 TP(mg/L) 总氮 TN(mg/L) 高锰酸盐指数(mg/L) 5.1.5 结果与分析
图5-2到图5-8就是废水在循环后水质净化的各个评价指数的变化。（其中D5表示集料粒径5～10mm,D10表示集料粒径10～20mm，短划线后数字表示设计空隙率，D5－20表示多孔混凝土集料粒径5～10mm，空隙率20％。） 一、溶解氧
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有机氮(g·L -1)
<0.2 0.2～0.4 0.4～0.7 0.7～1.2 >1.2
总磷(g·L-1) <0.005 0.005～0.01 0.01～0.03 0.03～0.1 >0.1
试验用人工废水 － Ⅱ类 6 0.1（湖、库0.025） 0.5 Ⅲ类 5 0.2（湖、库0.05） 7.5 0.02（湖、库0.01） 0.2 0.4 1.0 2 2 4 6 26.7 东南大学学士学位论文
DO的消耗量1.81.61.41.210.80.60.40.205203040时间（天）DO的消耗量（mg/L)D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30
图5-2 溶解氧随时间消耗规律
分析：单纯考虑溶解氧意义不大，所以可以间接的通过溶解氧的消耗来估量附着微生物的生长状况。D5－20，D10－25 两组总体消耗量较大，D10－20和D10－30两组总体消耗量较少，D5－25这组可能实验操作有误，数据不准确。 二、总磷
0.40.350.3TP（mg/L)0.250.20.150.10.05052030时间（天）40D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30空白
图5-3 水样总磷浓度变化规律
100908070605040302010052030时间（天）40TP的去除率％D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30空白
图5-4 总磷去除率变化规律
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分析：
（1） D5－20，D10－25 两组对总磷去除率最好，D5－25次之，D10－20和D10－30
两组第三，空白水道最差，平均去除率只有20％，比其它水道小的多。D5－20，D10－25 两组与溶解氧的消耗相对应， D10－20和D10－30两组与溶解氧的消耗相对应。D5－25一组去除率较好，验证了溶解氧的消耗数据有问题。D5－20，D10－25这两组较其它组，有更好的去除能力。
（2） 在20天左右，各组溶解氧消耗均较多，各组对磷的去除能力达到极限，出现
峰值。这与微生物生长周期曲线吻合较好，说明碱性水环境并没有对微生物生存造成大的影响。
（3） 在40天用混凝土净水的各水道TN在40天均降到0.15mg/l以下，达到地面水
环境质量标准III类指标。实验用人工废水TN初始浓度0.393mg/l，在第40天去除率均达到了61.8%。在整个微生物活性期，整体去除率达到80％。
三、总氮
21.81.61.41.210.80.60.40.2052030时间（天）40TN（mg/L)D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30空白
图5-5 水样总氮浓度变化规律
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100908070605040302010052030时间（天）40TN去除率％D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30空白
图5-6 水样总氮去除率变化规律
分析：（1）D5－20，D10－25 两组对总氮去除率最好，D5－25次之，D10－20和D10
－30两组第三，空白水道最差，平均去除率只有30％左右。D5－20，D10－25 两组与溶解氧的消耗相对应， D10－20和D10－30两组与溶解氧的消耗相对应。D5－25一组去除率较好，也验证了溶解氧的消耗数据有问题。D5－20，D10－25这两组较其它组，有更好的去除能力。
（2）在20天左右，各组溶解氧消耗均较多，各组对氮的去除能力达到极限，出
现峰值。这与微生物生长周期曲线吻合较好，说明碱性水环境并没有对微生物生存造成大的影响。
（3）用混凝土净水的各水道TP在40天均降到0.5mg/l以下，达到地面水环境
质量标准的II类. 实验用人工废水氮浓度2.149mg/l，在第40天去除率达到了76.7 %。在微生物的活性处理期总体去除率达到85％。
四、高锰酸钾指数实验结果如下图。
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30高锰酸盐指数（mg/L)252015105052030时间（天）40D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30空白
图5-7 高锰酸钾指数变化规律
高锰酸盐指数的去除率％70605040302010052030时间（天）40D5-20D5-25D10-20D10-25D10-30空白
图5-8 高锰酸钾指数去除率变化规律
分析：（1）D5－20，D10－30两组对高锰酸钾指数去除率最好，D10－20，D10－25次之，D5－25第三，空白水道最差。D5－20，D10－30较其它组别好，有更好的去除率。
（2）在20天左右，各组溶解氧消耗均较多，各组对高锰酸钾的去除能力达到极限，出现峰值。与微生物生长周期曲线吻合较好，在试验期水环境较适宜微生物的生长。 （3）实验所用人工废水高锰酸钾指数为26.7mg/l,在第40天降到了20 mg/l以下同时去除率达到25％，在微生物活性处理期，高锰酸钾去除率达到50％左右。
5.2 本章小结
（1）动态水质净化试验采用的温度是25℃，与自然光较为接近的6000lux的荧光灯照射，
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配制一定比例的人工废水，然后以较为恒定的流速循环通过，最后测得人工废水的最终含有害物质的量。
（2）水质净化的具体参数主要有溶解氧，高锰酸钾指数，总氮和总磷含量等。
（3）通过流水装置的水质净化实验，集料粒径5～10mm的多孔混凝土对溶解氧的消耗比集料粒径10～20mm的多孔混凝土多。多孔混凝土对磷、氮、高锰酸钾指数去除率在20天左右急剧降低，可能原因是：微生物在一个封闭的环境内，按照其生长周期所表现出的正常状态，或者由于附着在多孔混凝土上的生物膜对水中溶解氧的大量消耗，生物膜对磷、氮、高锰酸钾指数去除的活性降低。
（4）D10－25这组对磷、氮和高锰酸钾指数的整体去除效果最好，溶解氧的消耗也比其余组多，说明微生物的生长、以及可供附着的特殊表面积达到最理想的效果。
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第六章 结论与展望
6.1 本文主要结论
（1）生态混凝土又称环境友好型混凝土，又名亲环境混凝土，可以减轻环境负荷同时也与有机物相适应，它实质上是一种有着连续孔隙的多孔混凝土，水与空气能够很容易通过或存在于其连续通道内,能与生态环境相适应，可使水质得到净化。
（2）生态混凝土的抗压强度随着硅灰的掺量的增加而提高的，在掺量5%之前较基体生态混凝土的抗压强度有较大的提高，但随后抗压强度的变化较为缓慢。抗压强度随矿渣的掺量不是一个简单的直线，而是存在着一个比较理想的掺量，即掺量10％。而粉煤灰对抗压强度的影响没什么规律可言，对生态混凝土后期强度比较有益。
（3）混掺试验中，硅灰对生态混凝土的影响较大，而矿渣和粉煤灰相比于硅灰则影响是比较小的。同时第九组Si10S30Fa15（即硅灰掺量10％，矿渣掺量30％，粉煤灰掺量15％）的抗压强度是最高的，而且矿物掺合料占胶凝材料的比例达到55％。
（4）随着硅灰的掺入，生态混凝土的抗折强度是越来越高的，但是在掺量2％以上后，抗折强度的增加就十分缓慢了。矿渣的掺入对抗折强度也不是一个简单的线性关系，同样存在最优掺量，即掺量为20％时达到最大。而粉煤灰的掺量在15％时抗折强度达到最大。 （5）干湿交替破坏对多孔混凝土会造成破坏。在实验室条件下，温度40℃，相对湿度40%；温度50℃，相对湿度40%；温度40℃，相对湿度30%三种干湿循环制度中，以温度40℃，相对湿度30%时的干燥条件对试件的破坏程度最大，温度40℃，相对湿度40%的干燥条件对试件的破坏程度最小。
（6）生态护坡系统主要是由多孔混凝土、种植基质、营养液及植物种子构成。种植基质、营养液及种子混合组成多孔混凝土的种植基，采取渗透或浸渍的方法填充多孔混凝土内部空隙。
（7）植被种植试验时，依据不同的环境及气候条件采取相应的养护管理措施对植物的生长及发育极为关键。尽力为植物生长营造亲自然的小环境有益改善植株的生长环境，利于其快速健康稳定地生长。
（8）水质净化的具体参数主要有溶解氧，高锰酸钾指数，总氮和总磷含量等。
(9) 通过流水装置的水质净化实验，集料粒径5～10mm的多孔混凝土对溶解氧的消耗比集料粒径10～20mm的多孔混凝土多。多孔混凝土对磷、氮、高锰酸钾指数去除率在20天左右急剧降低，可能原因是：微生物在一个封闭的环境内，按照其生长周期所表现出的正常状态，或者由于附着在多孔混凝土上的生物膜对水中溶解氧的大量消耗，生物膜对磷、氮、高锰酸钾指数去除的活性降低。
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6.2 展望
生态混凝土较之普通混凝土在环境与生态方面的优势有理由使其成为将来混凝土研究的热点之一，并且随着生态混凝土在示范工程上的成功应用，也会引起人们越来越多的重视。但是生态混凝土在中国的研究工作才刚刚起步，本文也仅是做了初步尝试性的研究，尚有许多问题亟待研究和解决，例如如何进一步控制原材料的选择及基本性能参数、如何进一步提高力学性能和耐久性能、如何进行生态混凝土构件的质量控制、如何规范不同物种不同环境下植生的养护与管理制度以及如何建立植生效果和生态环境评价体系等等。与此同时，还需要生产、设计、施工和科研等单位共同协同合作，只有这样才能生态混凝土在中国得到大力推广及工程上的大面积应用，才能使中国的混凝土事业发展到一个新的高度，才能从真正意义上做到改善生态环境、保护水土资源及保持可持续发展。
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