植生型多孔混凝土性能影响因素的试验研究
杨加12,3 欧正蜂1 刘欢1 周锡玲
（1.湖南农业大学东方科技学院，湖南长沙，410128，中国；2.湖南农业大学工学院，湖南长沙，410128，中国 ； 3.中南大学土木建筑学院，湖南长沙，410004，中国。）
摘 要：研究了灰集比、水灰比和矿物掺合料对植生型多孔混凝土性能的影响，分析了相应的影响规律。试验结果表明，植生型多孔混凝土灰集比应控制在1:6-1:7之间，且水灰比为32%-35%之间较适宜；矿物掺合料对植生型多孔混凝土pH值的影响次序：粉煤灰﹥硅灰﹥矿渣，其最适掺合比例：粉煤灰15%-20%，矿渣10%-15%，硅灰4%-5%。
关键词：多孔混凝土；矿物掺合料；连通孔隙率；抗压强度；pH值
Experimental Study on Influence Factors of Property of Plant-growing Porous Concrete
Yang Jia1,Zhou Xi-ling2,3,Ou zheng-feng1,Liu Huan1
(1. Oriental Institute of Science and Technology of Hunan Agricultural University,Changsha, 410128,China；2.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, 410128,China；3. College of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha, 410004，China.)
Abstract:The effects of the cement-aggregate ratio , water-cement ratio and mineral admixtures on properties of plant-growing porous concrete are studied through experiments.The results of the study show that the cement-aggregate ratio of plant-growing porous concrete should be controlled between the 1:6-1:7 ratio,and water-cement ratio of 32% - 35% is more appropriate.The effective order of the mineral admixture on pH of plant-growing porous concrete is as following : fly ash﹥silica fume﹥slag powder, and the optimum addition ratio: fly ash ratio is 15%-20% , slag powder ratio is 10%-15% and silica fume ratio is 4%-5% .
Key words: Porous Concrete;mineral admixtures; connected porosity; compressive strength; pH
0前言
植生型多孔混凝土属于生态混凝土(Eco-concrete），是利用多孔混凝土较大的连通孔隙特征，填充植物所需营养，并且能使植物在其孔隙中生长，而根系可以通过混凝土连通孔隙深入到土壤层中吸收养分,其还具有多孔混凝土良好的防滑性、吸波降噪、净水等性能[1,2]。1995年，日本混凝土工学协会就提出了生态混凝土的概念，目前，植生型多孔混凝土在欧洲、美国、日本等国家已经应用于高速公路的路肩隔板建筑、屋顶、防岸护坡、停车场等部位。在中国[3]，植生型多孔混凝土的研发经过十五科技攻关，有一定的进展，尽管在孔隙率、水灰比、水泥浆、粗骨料级配及多孔混凝土的力学性能等方面都有研究报道，但与国外相比仍有很大的差距，至今国内尚无具体的水灰比确定方法，其配制技术研究仍处于初级阶段。
本文从影响植生型多孔混凝土性能的因素考虑，研究了灰集比、水灰比和矿物掺合料对植生型多孔混凝土主要性能的影响，为我国植生型多孔混凝土的应用与推广提供试验研究依据。
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作者简介：男，湖南农业大学东方科技学院 本科在读
研究方向：生态混凝土
基金项目：湖南农业大学东方科技学院“大学生研究性学习与创新性实验计划”项目(DFCXY201164)
1 原材料的选择
水泥:复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5。
粗集料:单一粒级级配石灰岩碎石（10mm-20mm），其有关技术指标见表1。
|
表1 碎石技术指标
|
|||||
|
项目
|
表观密度
（g·cm-3）
|
松方密度
（g·cm-3）
|
含泥量
（%）
|
针片状颗粒含量
（%）
|
压碎率
（%）
|
|
标准
|
＞2.5
|
＞1.35
|
≦1
|
≦15
|
≦20
|
|
实测
|
2.60
|
1.63
|
0.30
|
9.20
|
7.38
|
矿物掺合料：（1）粉煤灰：湖南湘潭电厂生产的超细粉煤灰；（2）矿渣：湖南泰基股份有限公司生产；（3）硅灰：贵州遵义铁合金厂生产。
拌合水：长沙市普通自来水。
2 试件制作与性能测定
2.1搅拌与制作
本试验施工方法如下:(1)全部粗集料加入1/2胶凝材料，搅拌30s；(2)加剩余的胶凝材料，搅拌30s；(3)每次加1/4水，搅拌35s，直至依次加完所有有效水；(4)出料；(5)混凝土拌合物分三层装入150mm×150mm×150mm试模内，按规范插捣密实、拆模,并标准条件下养护28d进行试验。
2.2连通孔隙率［P（%）］测定
相关研究表明[4]，多孔混凝土总孔隙率与连通孔隙率有良好的线性关系，连通孔隙率可以很好的代表多孔混凝土的孔隙率情况。植生型多孔混凝土连通孔隙率的计算方法如下：
其中V:用游标卡尺测量并计算试件的外观体积V，cm³；
W1:将试件浸泡在水中使其饱和后(浸泡24h以上)，称取试件在水中的质量W1，g；
W2:将试件在20±2℃、相对湿度60%的条件下，自然放置24h以上（直至恒重），称取试件在空气中的质量W2，g；
2.3抗压强度测定
本试验在试件28d后，在吸水饱和状态下进行抗压强度检测，测试方法与数据处理按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准 [5]。
2.4 pH值测试
采用取出固液萃取[6]的方法制备pH测定溶液，具体步骤如下:将一定龄期的多孔混凝土破碎，充分研磨，过筛(0.08mm方孔筛)，称取10g试样，加入100g蒸馏水，用橡皮塞塞紧以防碳化，每隔5min震荡一次，2h后用酸度计测定滤液的pH值.
3正交试验设计
3.1配合比设计
本试验选用灰集比(按质量比)为:1/6、1/7、1/8、1/9和1/10五个水平；水灰比(按质量比)为:0.29、0.32、0.35 、0.38和0.41五个水平；矿物掺合料(等量取代)为：粉煤灰和矿渣各为5%、10%、15%、20%和25%五个水平，硅灰为1%、2%、3%、4%和5%五个水平；
3.2正交试验表组合设计
本试验选用L25(56)水平正交表进行多孔混凝土的正交试验，共25组试验组合试验方案，正交设计的表头见表2，试验组成材料的用量见表3。
|
表2 植生型多孔混凝土配合比试验正交设计因素水平表
|
|||||
|
水平
|
影响因素
|
||||
|
灰集比
|
水灰比/%
|
粉煤灰/%
|
矿渣/%
|
硅灰/%
|
|
|
1
|
1:6
|
29
|
5
|
5
|
1
|
|
2
|
1:7
|
32
|
10
|
10
|
2
|
|
3
|
1:8
|
35
|
15
|
15
|
3
|
|
4
|
1:9
|
38
|
20
|
20
|
4
|
|
5
|
1:10
|
41
|
25
|
25
|
5
|
表3 正交设计与配合比安排
|
试件编号
|
灰集比
|
水灰比
|
粉煤灰
|
矿渣
|
硅灰
|
空集
|
组成材料的用量/（Kg/150mm3)
|
||||
|
水泥
|
水
|
粉煤灰
|
矿渣
|
硅灰
|
|||||||
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
3.857
|
1.257
|
0.217
|
0.217
|
0.043
|
|
2
|
1
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
3.380
|
1.387
|
0.433
|
0.433
|
0.087
|
|
3
|
1
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
2.903
|
1.517
|
0.650
|
0.650
|
0.130
|
|
4
|
1
|
4
|
4
|
4
|
4
|
4
|
2.427
|
1.647
|
0.867
|
0.867
|
0.173
|
|
5
|
1
|
5
|
5
|
5
|
5
|
5
|
1.950
|
1.777
|
1.083
|
1.083
|
0.217
|
|
6
|
2
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
2.637
|
1.077
|
0.371
|
0.557
|
0.149
|
|
7
|
2
|
2
|
3
|
4
|
5
|
1
|
2.229
|
1.189
|
0.557
|
0.743
|
0.186
|
|
8
|
2
|
3
|
4
|
5
|
1
|
2
|
2.006
|
1.300
|
0.743
|
0.929
|
0.037
|
|
9
|
2
|
4
|
5
|
1
|
2
|
3
|
2.526
|
1.411
|
0.929
|
0.186
|
0.074
|
|
10
|
2
|
5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
3.046
|
1.523
|
0.186
|
0.371
|
0.111
|
|
11
|
3
|
1
|
3
|
5
|
2
|
4
|
1.885
|
0.943
|
0.488
|
0.813
|
0.065
|
|
12
|
3
|
2
|
4
|
1
|
3
|
5
|
2.340
|
1.040
|
0.650
|
0.163
|
0.098
|
|
13
|
3
|
3
|
5
|
2
|
4
|
1
|
1.983
|
1.138
|
0.813
|
0.325
|
0.130
|
|
14
|
3
|
4
|
1
|
3
|
5
|
2
|
2.438
|
1.235
|
0.163
|
0.488
|
0.163
|
|
15
|
3
|
5
|
2
|
4
|
1
|
3
|
2.243
|
1.333
|
0.325
|
0.650
|
0.033
|
|
16
|
4
|
1
|
4
|
2
|
5
|
3
|
1.878
|
0.838
|
0.578
|
0.289
|
0.144
|
|
17
|
4
|
2
|
5
|
3
|
1
|
4
|
1.704
|
0.924
|
0.722
|
0.433
|
0.029
|
|
18
|
4
|
3
|
1
|
4
|
2
|
5
|
2.109
|
1.011
|
0.144
|
0.578
|
0.058
|
|
19
|
4
|
4
|
2
|
5
|
3
|
1
|
1.791
|
1.098
|
0.289
|
0.722
|
0.087
|
|
20
|
4
|
5
|
3
|
1
|
4
|
2
|
2.196
|
1.184
|
0.433
|
0.144
|
0.116
|
|
21
|
5
|
1
|
5
|
4
|
3
|
2
|
1.352
|
0.754
|
0.650
|
0.520
|
0.078
|
|
22
|
5
|
2
|
1
|
5
|
4
|
3
|
1.716
|
0.832
|
0.130
|
0.650
|
0.104
|
|
23
|
5
|
3
|
2
|
1
|
5
|
4
|
2.080
|
0.910
|
0.260
|
0.130
|
0.130
|
|
24
|
5
|
4
|
3
|
2
|
1
|
5
|
1.924
|
0.988
|
0.390
|
0.260
|
0.026
|
|
25
|
5
|
5
|
4
|
3
|
2
|
1
|
1.638
|
1.066
|
0.520
|
0.390
|
0.052
|
4试验结果与分析
4.1试验结果
植生型多孔混凝土连通孔隙率、抗压强度和pH值等性能指标试验结果见表4.
表4 正交试验结果表
|
试件编号
|
连通孔隙率/%
|
抗压强度/MPa
|
pH值
|
|
1
|
26.66
|
10.0
|
12.00
|
|
2
|
24.39
|
11.5
|
11.73
|
|
3
|
23.83
|
10.9
|
11.73
|
|
4
|
22.22
|
10.1
|
11.63
|
|
5
|
24.19
|
8.6
|
11.67
|
|
6
|
29.89
|
5.2
|
11.70
|
|
7
|
26.45
|
8.4
|
11.60
|
|
8
|
29.20
|
5.8
|
11.63
|
|
9
|
26.86
|
5.4
|
11.63
|
|
10
|
26.44
|
6.6
|
11.80
|
|
11
|
30.13
|
4.8
|
11.63
|
|
12
|
30.89
|
3.5
|
11.57
|
|
13
|
27.68
|
7.7
|
11.63
|
|
14
|
30.57
|
7.0
|
11.67
|
|
15
|
28.66
|
4.9
|
11.77
|
|
16
|
33.30
|
2.7
|
11.47
|
|
17
|
28.14
|
5.2
|
11.60
|
|
18
|
28.74
|
6.6
|
11.60
|
|
19
|
27.39
|
6.9
|
11.70
|
|
20
|
29.89
|
5.2
|
11.77
|
|
21
|
32.17
|
2.7
|
11.50
|
|
22
|
32.94
|
3.5
|
11.63
|
|
23
|
32.01
|
6.3
|
11.63
|
|
24
|
30.44
|
5.5
|
11.77
|
|
25
|
29.17
|
5.5
|
11.70
|
表5 方差分析
|
性能指标
|
方差来源
|
平方和
|
自由度
|
F值
|
F临界值
|
显著
|
|
连通孔隙率
|
灰集比
|
143.97
|
4
|
15.34
|
3.84
|
**
|
|
水灰比
|
27.34
|
4
|
2.92
|
3.84
|
*
|
|
|
粉煤灰
|
5.68
|
4
|
0.61
|
3.84
|
|
|
|
矿渣
|
7.07
|
4
|
0.75
|
3.84
|
|
|
|
硅灰
|
6.00
|
4
|
0.64
|
3.84
|
|
|
|
误差
|
18.77
|
8
|
-
|
-
|
|
|
|
28d抗压强度
|
灰集比
|
96.67
|
4
|
11.11
|
3.84
|
**
|
|
水灰比
|
16.29
|
4
|
1.87
|
3.84
|
|
|
|
粉煤灰
|
8.73
|
4
|
1.00
|
3.84
|
|
|
|
矿渣
|
3.20
|
4
|
0.37
|
3.84
|
|
|
|
硅灰
|
1.32
|
4
|
0.15
|
3.84
|
|
|
|
误差
|
17.41
|
8
|
-
|
-
|
|
|
|
pH值
|
灰集比
|
0.047
|
4
|
1.88
|
3.84
|
|
|
水灰比
|
0.040
|
4
|
1.60
|
3.84
|
|
|
|
粉煤灰
|
0.080
|
4
|
3.20
|
3.84
|
*
|
|
|
矿渣
|
0.028
|
4
|
1.12
|
3.84
|
|
|
|
硅灰
|
0.056
|
4
|
2.24
|
3.84
|
*
|
|
|
误差
|
0.050
|
8
|
-
|
-
|
|
图1 抗压强度与因素的关系曲线 图2 连通孔隙率与因素的关系曲线
图3 pH值与因素的关系曲线 图4 pH值与连通孔隙率的关系曲线
4.2灰集比对植生型多孔混凝土性能的影响
由表5方差分析可知，灰集比对多孔混凝土连通孔隙率与抗压强度影响较显著，而对pH值无显著影响。从图1、图2与图3可知，随着灰集比减小，孔隙率趋于增大，抗压强度却趋于减小，而pH值则先减小后增大。
多孔混凝土的性能是由胶凝材料与粗集料的共同作用，灰集比影响胶凝材料在多孔混凝土的含量，合理的灰集比使粗集料表面包裹均匀且颗粒接触点胶凝材料连接面大，则多孔混凝土的性能较高。试验表明，植生型多孔混凝土灰集比为1:6-1:7之间，满足植生型多孔混凝土的要求（孔隙率≥25%，抗压强度≥10MPa）。
4.3 水灰比对植生型多孔混凝土性能的影响
表6 不同水灰比及配合比的多孔混凝土的性能指标测试结果
|
编号
|
灰集比
|
粉煤灰/%
|
矿渣/%
|
硅灰/%
|
水灰比/%
|
连通孔隙率/%
|
抗压强度/MPa
|
pH值
|
|
1
|
1:6
|
10
|
10
|
2
|
29
|
27.79%
|
10.0
|
12.0
|
|
2
|
1:6
|
10
|
10
|
2
|
32
|
26.24%
|
12.5
|
12.0
|
|
3
|
1:6
|
10
|
10
|
2
|
35
|
23.64%
|
14.0
|
12.0
|
|
4
|
1:6
|
10
|
10
|
2
|
38
|
23.60%
|
11.9
|
12.3
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水灰比是混凝土需水量的表现，决定着新拌混凝土的和易性，水灰比的控制对多孔混凝土的性能具有重要意义。由表5方差分析可知，水灰比对多孔混凝土连通孔隙率影响显著，而对抗压强度与pH值无显著影响。从图1、图2、图3与表6可知，随着水灰比增大，连通孔隙率趋于减小，抗压强度则先增大后减小，而pH值则先减小后增大。一般来说，多孔混凝土的配合比和材料不同，其存在的最佳水灰比不同。研究表明，植生型多孔混凝土水灰比为32%-35%之间较适宜。
4.4 矿物掺合料对植生型多孔混凝土性能的影响
矿物掺合料的形态效应和微集料填充效益，使混凝土的孔隙率降低，孔径细化，改善混凝土的微观结构和水化产物的组成，使混凝土的密实度增加，并且其火山灰效应减少水化产物中结晶粗大水化产物Ca(OH)2的数量，降低混凝土的内部pH值。从表5方差分析可知，矿物掺合料对多孔混凝土连通孔隙率与抗压强度影响不显著，而对pH值的影响较显著，且对pH值影响的显著程度：粉煤灰﹥硅灰﹥矿渣。试验表明，相同掺量时，粉煤灰对pH值的影响较矿渣大。
从图1、图2与图3可知，随着矿物掺合料的增加，多孔混凝土连通孔隙率趋于先减小再增大，抗压强度则相反，而pH值趋于减小。但由图4可知，多孔混凝土pH值的变化趋势随连通孔隙率的增大而减小，但多孔混凝土的pH值与连通孔隙率并非存在一个良好的线性比例关系。试验结果说明，合理的掺入矿物掺合料不仅可以调整多孔混凝土混合料的工作性能，而且有利于多孔混凝土连通孔隙率和抗压强度的提高和降低多孔混凝土内部的pH值。潘志峰[6]等研究表明，高炉矿渣掺量大于30%时有利于多孔混凝土抗冻性能，然而，粉煤灰掺量大于30%时不利于多孔混凝土抗冻性能，应该控制在15%左右。研究表明，植生型多孔混凝土矿物掺合料最适掺合比例：粉煤灰15%-20%，矿渣10%-15%，硅灰4%-5%。
5 结论
（1）植生型多孔混凝土的性能是由胶凝材料与粗集料的共同作用，为满足植生型多孔混凝土的要求（孔隙率≥25%，抗压强度≥10MPa），植生型多孔混凝土灰集比应控制在1:6-1:7之间；
（2）一般来说，多孔混凝土的配合比和材料不同，其存在的最佳水灰比不同。研究表明，植生型多孔混凝土水灰比为32%-35%之间较适宜；
（3）研究表明，矿物掺合料对植生型多孔混凝土pH值的影响次序：粉煤灰﹥硅灰﹥矿渣；
（4）研究表明，植生型多孔混凝土矿物掺合料最适掺合比例：粉煤灰15%-20%，矿渣10%-15%，硅灰4%-5%。
参考文献
[1] Chen Yu,Zhang Qisen.Manufacturing Technology of Porous Cement for Highway Construction[R].Geo Hunan International Conference,2009,22-33.
[2] Sung-Bum Park,Mang Tia.An experimental study on the water-purification properties of porous concrete[J].Cement and Concrete Research,2004,34(2):177-184.
[3] 黄剑鹏,胡勇有.植生型多孔混凝土的制备与性能研究[J].混凝土.2011,(2):101-104.
[4] 杨加,周锡玲,张胜,杨军.环保型植生多孔混凝土试验研究[J].混凝土与水泥制品，2011,(10):18-22.
[5] 中华人民共和国国家标准.GB/T50081-2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[6] 孟志良,吴仲兵,钱觉时.大掺量粉煤灰混凝土的孔隙液相碱度[J].重庆建筑大学学报,1999,21(1):24-27.
[7] 潘志峰,高建明,许国东,吉伯海.植生型多孔混凝土抗冻性试验研究[J].混凝土与水泥制品.2007,(1):11-13.
[作者简介]:男，湖南农业大学东方科技学院 本科在读
[研究方向]：生态混凝土研究
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