植生混凝土的配合比设计、碱度控制、植生土及植物选择

青岛环球——综合管廊模具、盾构管片生产线

张经理：186-7896-5637微信同号

往期：植生混凝土用多孔混凝土的制备技术研究

植生混凝土施工技术研究

植生混凝土的配合比设计、碱度控制、植生土及植物选择

王桂玲　王龙志²　张海霞²　崔鑫²　宋生辉²

（1.中建八局技术中心，上海　200120；2.山东建泽混凝土有限公司，济南　250101）

摘要：为了促进对植生混凝土（通常所说的种植混凝土、植被混凝土、绿化混凝土等）的了解与认识，总结和分析了植生混凝土配合比设计方法、施工工艺、碱度控制、孔隙填充土和表层客土的选择与施工及植物的选择和种植方法。通过这些内容的讲解，期望推动植生混凝土的研究不断深入、发展，促进植生混凝土尽早大规模工程化应用，以减少混凝土对生态环境的负荷，增进混凝土与自然生态系统协调发展，为人类构造舒适的生活环境。

关键词：植生混凝土；配合比；施工工艺；碱度控制；植生土；植物选择

0引言

混凝土作为人类目前用量最大的建筑材料，为人们生活质量的提高做出了巨大贡献，人们在享受混凝土给人们带来的便利、舒适的同时，也感受到了其带来的消极的一面，能源、资源的大量消耗，废水、废渣、废气的大量排放。为了节约有限的资源、不可再生的能源，为了保护自然生态环境、保护人类生存环境，科研人员于上世纪九十年代初提出了生态混凝土的概念，即混凝土的生态化。同时，开展了植生混凝土的研究工作，它是一种可以种植绿化植物、护坡植物等的混凝土，使植物与混凝土有机结合，具有降低环境负荷、提升地表能量交换能力、保护水土、净化水质等作用。虽经过大量研究，得出许多宝贵资料，但还有很多工程问题没有统一、公认的解决措施。通过对植生混凝土配合比设计方法、施工工艺、碱度控制、孔隙填充土和表层客土的选择与施工及植物的选择和种植的总结与分析，以引起对相关问题的注意与重视，促进植生混凝土的深入研究和尽早大规模工程应用。由于植生混凝土的研究涉及工程学、岩土学、园艺学、植物学、肥料学、生态学和硅酸盐物理化学等学科，本文主要针对与混凝土相关方面进行一定说明。

1　混凝土的原材料一般要求及配合比确定

植生混凝土是由孔隙混凝土、填充土、表层所构成，孔隙混凝土是植生混凝土的骨架，起保护植物根系、防止水土流失的作用。孔隙混凝土原材料的一般要求及配合比计算方法如下，并对孔隙混凝土配合比计算中应注意的问题进行了解释说明。

1.1　原材料一般要求

（1）集料：由于我国每年产生大量的废弃混凝土，可对这些混凝土中的骨料再利用或采取掺一定比例再生骨料的方式，以节约资源。

（2）水泥：对于水泥主要是碱含量方面的要求，以降低植生混凝土中碱含量，适应植物生长的需要。同时，应优先选择生态水泥。

（3）掺合料：掺合料的使用，一方面是废渣再利用；另一方面是降低混凝土中碱度的作用，一般采取复掺的方式，即二种及以上的掺合料同时使用。

（4）外加剂：外加剂的使用，一方面是降低水泥用量，节约资源、降低混凝土中碱含量；另一方面可一定程度上提高混凝土强度。可采用pH值为酸性的外加剂，以降低胶材碱度。

1.2　配合比确定

（1）骨料用量的确定

单位体积多孔混凝土的骨料用量按下式计算：

其中，W_J—为单位体积多孔混凝土胶结浆体用量，kg/m³；

ρ_G—为骨料的表观密度，kg/m³；

R_VOID—为目标孔隙率；

ρ_J—为胶结浆体的密度，kg/m³。参照砂浆质量密度测试方法，注意水胶比的影响。

（3）胶材用量和拌和水用量的确定

确定了水灰比，便可以确定单位体积多孔混凝土中胶材以及拌合水的用量，按下式计算[1]：

其中，W_C—单位体积多孔混凝士胶材用量，kg/m³；

w/c—为水灰比；

W_W—为单位体积多孔混凝土拌合水用量，kg/m³。

此植生混凝土配合比计算方法简明、实用，适合做为植生混凝土的基础配合比。但在实际应用中要注意以下问题：

1）水胶比（w/c）的确定。由于植生混凝土结构形式不同于普通混凝土的结构形式，致使植生混凝土的水胶比具有一定的独立性，衡量水胶比适宜程度的标准是其对骨料的包裹程度，即要使骨料间接触点充分胶结，又不能使胶结浆发生过度沉浆。所以一方面需有个水胶比的指导范围，另一方面更需要通过植生混凝土的试拌确定工程配合比。水胶比的指导的范围为：水胶比使胶结浆体流动度在160mm～200mm之间，此时植生混凝土能够较好的成型，其中在160mm～180mm时适合振动成型，振动有利于浆体均匀地包裹在集料表面；流动度在180mm～200mm时多孔混凝土应采用压制成型而不宜采用振动方法成型，振动会使浆体沉降而造成底部孔隙堵塞[1]。同时兼顾水胶比对植生混凝土强度的影响。

2）骨料级配的确定。骨料的粒形、级配直接影响到骨料空隙率，并一定程度上影响到植生混凝土的强度。应根据目标孔隙率确定骨料的级配。因为植生混凝土由骨料、胶结材浆体和孔洞组成，如果骨料空隙率与植生混凝土孔隙率值之间相差过大，则胶结材浆体用量就会增大，而胶结材浆体不可能均匀包裹骨料，此时必然会产生降低有效孔径、增大混凝土碱含量、降低连通孔隙率、浪费资源等不利影响；如果骨料空隙率与植生混凝土孔隙率值之间相差过小，则胶结材浆体用量将减少，植生混凝土强度会受到影响。所以应使骨料空隙率与植生混凝土孔隙率相适应。

3）胶骨比，即胶结材与骨料间的重量比。很多学者针对此概念进行了大量有益的试验研究[2-5]，但作者不建议使用此概念，具体原因如下：第一，胶骨比不具有类比性。因为不同骨料间表观密度相差较大，不可避免的引起胶骨比值间相差较大，不同胶骨比数据间没有可比性，其只适用于同一均匀试验样品的定性分析。第二，同一试验胶骨比也不一定具有可比性。如骨料粒径均匀性较差，两份骨料间虽然质量相同，但空隙率不一定相同、骨料表面积不一定相同，将导致胶骨比所对应的数据没有可比性。第三，胶骨比为现象，而本质为胶面（骨料表面积）比。因胶骨比变化，所引起的影响，只能用骨料单位表面积上胶材用量的变化来解释，所以使用胶面比的概念更为科学。同时，使用胶面比的概念的前提假设是全部胶材均匀包裹骨料。

2　植生混凝土的施工工艺

根据植生混凝土的分类，分别对现浇植生混凝土和预制植生混凝土的施工工艺进行简要说明。

2.1　现浇植生混凝土

确定了植生混凝土的施工配合比后，可按普通混凝土的搅拌工艺进行混凝土生产，但为了保证骨料的裹浆效果，可适当延长搅拌时间，具体时间可根据工程实践确定。

植生混凝土的工程应用应包括普通混凝土框架和现浇植生混凝土两部分。普通混凝土框架的作用一方面为由于植生混凝土强度相对较低，普通混凝土框架可对植生混凝土边缘起到很好的保护作用。另一方面减少“潜流”对植生混凝土底的土壤的侵蚀。一般而言，植生混凝土置于经过平整的坡面上，可以防止雨水或流水对坡面表层的直接侵蚀和冲刷，但是它的容水量是有限的，当降水速度超过渗水速度后，植生混凝土下方就会形成潜流，潜流的形成会对植生混凝土底下的土壤形成侵蚀作用[6]。而普通混凝土框的存在可防止流水直接冲刷植生混凝土底部，同时框与框之间设有排水设施，进一步减小了流水的冲刷作用。普通混凝土框架的长、宽和高可根据具体工程确定，如坡面较宽，则分为上下两层或以上；高度应能保证地上部分不低于植生混凝土的浇筑高度；长度可根据排水设施的设置情况、美观方面的要求、种植植物的习性等方面进行确定。

植生混凝土浇筑前应对基层土面进行适当平整处理，同时可施加一定的肥料。由于植生混凝土的流动性较差，所以当坡面坡度允许时可不设模板。对于浇筑后的植生混凝土应采取必要的振动、压制工艺，以加强植生混凝土骨料的密实度，提高植生混凝土强度。

根据工程实践经验，成型后的植生混凝土可采用塑料薄膜覆盖等相关措施进行养护，并不定时进行喷雾养护以保持混凝土早期水化对水的需求[7]。

2.2　预制植生混凝土构件

预制植生混凝土构件的制作首先要确定预制件的形状，如四边形、六边形等，再使用普通混凝土或纤维混凝土成型植生混凝土的保护边框。将搅拌好的植生混凝土浇筑于保护框内。此时可选择振动加压制的成型工艺，提高植生混凝土的密实度和强度。首先振动15s～20s，再施加0.1MPa～0.15MPa的压力，根据相关试验结果，使用此种成型方式28天抗压强度比单独采用振动或压制工艺成型的试件的抗压强度提高约30%[1]。成型后的试件可根据条件采取标养等养护措施。

达到龄期的预制植生混凝土构件可选择中和、水洗、高分子封闭等方式降碱，再填充植生土、种植植物，即可像花盆一样直接拼接使用。

3　植生混凝土的碱度控制

植生混凝土孔隙内土壤的长期pH值控制，是植生混凝土研究的重点。碱性过高，植物不能成活；酸性过高，植生混凝土强度及耐久性能得不到保障。酸碱性的适度控制，使填充土的pH植即符合植物长生的要求，又不影响混凝土的长期性能是植生混凝土成功与否的关键的技术。植生混凝土pH值控制的常用方法如下[8]：

3.1　化学方法

（1）缚碱。采用离子络合、鳌合方法，使析出碱不易游离到孔隙充填材料中。

（2）吸碱。利用“分子筛效应”选择高活性集料，吸附有害植物生长的离子，减少盐碱的析出量。

（3）封碱。用分散性好、抗破乳性强的聚合物对胶材进行改性或石腊乳液成膜剂，封堵水化水泥中的毛细孔道，阻塞碱溶液析出。

（4）中和碱。使用酸性溶液对植生混凝土进行喷淋或浸泡，以中和水泥水化所生成的碱。但使用此方法一定要注意喷淋量或浸泡时间，防止严重影响植生混凝土的强度。

（5）固碱。利用具有碱激发活性的矿物外加剂，消耗氢氧化钙，降低碱度。

3.2　物理方法

（6）洗碱。对植生混凝土采用特定养护方法，使表面pH值降到7.0～7.5之间，但此效果维持时间较短。

（7）弃碱。采和酸性胶凝材料（如磷酸盐水泥）解决植生混凝土生物生存环境与强度之间的矛盾。

以乳化沥青或水泥乳化沥青砂浆为胶结材，生产植生混凝土，也是可研究的方向。

3.3　土壤化学方法

（8）换碱。将对植物和混凝土结构有害的元素形态转变成有利形态，生长基中常见的阳离子交换能力次序为：

Fe³ >A1³ >H >Ca² >Mg² >NH₄ >K >Na

交换能力强的离子可把交换能力弱的离子交换出来，但如果交换能力弱的离子浓度较大，也可以把交换能力强但浓度小的离子交换出来。

（9）滞碱。用化学吸附方式，使可游离到填充土中的迁移碱形成不溶物或难溶物，相对增加了孔隙填充材料的缓冲容量。

（10）消碱。增加填充土中有机质或酸性土的含量，可提高土壤的缓冲性能。

3.4　生物化学方法

（11）用碱。利用部分迁移碱、毛细碱形成的弱碱性环境，将孔隙填充材料中或植生混凝土下铺设的含角蛋白质材料分解成氨基酸分子团，为植物提供缓释养分，反应式如下：

COOH-[R]-NH₂→NH₃→NH₄

氨基酸上的羧基（-COOH）也具有一定的平抑盐碱影响的能力。

-COOH Na →-COONa H

3.5　结构方法

（12）避碱。根据工程情况，合理选用植生混凝土的有效孔径，扩大植物根系生长空间，避免或减少植物根系直接接触析出碱的机会。

（13）降碱。混凝土中水化碱的数量随水泥用量及水胶比的增加而增加，因此在符合设计要求的前提下，宜尽量减少水泥中的盐碱量、减少水泥用量、降低水胶比。

（14）耗碱。在工期、播种期、生长期容许的条件下，将植生混凝土放置一定时间，水泥石表层会因Ca² 碳化而降低碱浓度。

3.6　农艺方法

（15）压碱。在植生混凝土表层回填一定厚度客土，压制毛细碱对植物的影响。

（16）从碱。选种抗碱性较好、抗逆性较强的植物。

3.7　植物生理方法

（17）调碱。在孔隙填充材料中，增加氨基酸的转化量，提高碱度调节能力。

植生混凝土pH值控制的方法较多，在具体应用中，应根据实际条件选择适宜的几种方法综合使用，以达到长期控制植生混凝土填充土酸碱性的目的。

4　植生混凝土的孔隙填充土和表层客土

植生混凝土孔隙填充土和表层客土是植生混凝土的重要组成部分，为植物提供生长环境，提供养料、水和空气，正确的选择土壤组成和施工方法可有效保证植物的成活和成长。

4.1　孔隙填充土

4.1.1　孔隙填充土的选择

植生混凝土孔隙是一个特定的人造植物生长环境，填充材料的化学性质及所提供的各种植物所需营养元素，决定了植物能否在植生混凝土内正常发芽、生根、长期生长。植生混凝土孔隙填充土成份需要根据植生混凝土孔隙内特殊的植物生长环境合理进行组合，使所种植植物持续茂盛生长，实现工程功用与环境保护有机结合，达到保护、修复、再造生态环境的目的[9]。

填充土的基材一般为适宜植物生长的耕植土或黄土，并根据需要加入一定量的肥料、保水剂、有机质、腐殖质等附加材料。植生混凝土孔隙内填充材料肥力培养的主要方向之一是增加有机质及腐殖物质含量。广义的土壤有机质是指存在土壤中的一切含碳的有机物，包括土壤中破碎的动、植物残体，微小生命体及其分解、合成的各种有机物质及微小的异源有机物质。腐殖物质是由大小不同的分子组成的混合物，腐殖物质结构中有大小不一的孔洞，可以捕获或固定相对低分子量的有机和无机比合物，具有很强的阳离子吸附与代换能力，具备多方面的化学活性，能协调土壤中的水、气、热状况，增强保肥性及肥效，提高土壤缓冲能力，活化土壤养分，刺激植物生长发育等。另外，由于混凝土空隙周围可能存在弱碱性环境，应尽量采用酸性土壤及降解后能产生弱酸的植物纤维、酒糟等填料，以起到对孔隙内碱的中和、缓冲作用[9]。

由上可知，填充土主要组成为：第一是有机质和腐殖质；第二是保水材料；第三是碱度中和、缓冲材；第四是长效肥；第五是防雨水冲刷的粘结剂；第六是杀虫剂及其它组分。

4.1.2　孔隙填充土的填充方式

（1）灌浆法

灌浆法是将填充土拌和均匀后用水及适量减水剂调制成浆体，用水泥枪将浆体填充于植生混凝土孔隙中。调制时应对用水量进行控制，若用水量太大，所形成的浆体无法粘附于孔隙壁，影响填充效果；当用水量太小时，浆体流动度小，由于浆体的黏滞性，无法使浆体充填混凝土下层孔隙，还会使浆体堵塞孔隙，影响进一步的填充[10]。因此，浆体的流动度控制是关键点，应根据试验确定。同时，由于浆体失水后会收缩，为了达到更好的填充效果，可多次灌浆。

（2）高压吹填法

施工时，用空气压缩机、缓冲罐及专用喷嘴．以高压（5～8个气压）气流近距离吹填，以孔隙（尤其是横向孔隙）基本充满、无法继续吹入充填材料为度。吹填时，应适当调整风压，减少飞溅量[11]。

（3）层铺法

层铺法是将造粒后的植物培养基以一层植物培养基，一层骨料的层铺形式加入植生混凝土。

（4）混合法

混合法是将植物培养基造粒，而后在混凝土搅拌机中将植物培养基颗粒和骨料混合，把植物培养基颗粒作为骨料的一部分来制作预制块[12]。

层铺法和混合法对于短期工程可能效果较好，对于长期工程，当植生培养基分解后，则植生混凝土体系也随之解体，无耐久性可言。其它填充方法还有震动法，但震动法不适用于此种低强度的混凝土，如果震动强度控制不当，将对植生混凝土结构造成破坏。

4.2　表层客土

表层客土铺设于植生混凝土表面，形成植被初期生长的空间，提供植被初期生长的养分、水分和防止混凝土表面过热影响植物生长，并在植物具备水土保护前减少植生混凝土内水分蒸发、防止其下部的植生混凝土填充材流失。所以表层客土的主要功能表现为为植物提供营养和为植生混凝土提供强度保护。

针对表层客土的研究不多，有的简单地将普通土壤覆盖于植生混凝土表面当做客土层，但如出现极端天气，客土客很难存在或发挥其功能。

4.2.1　表层客土的选择

（1）类填充土型表层客土

顾名思义，类填充土型表层客土的组成成份与植生混凝土填充土相同，只是各成份间用量有所变化，以体现各自的功能与作用。

使用此材料做为表层客土的优点是由于其组成成份与填充土相同，节省了采购成本、节约了相应的管理费用、减少了生产环节等。但应用时一定要注意，非经试验验证，两种材料不可使用相同配比。

（2）水泥基植生混合土

有文献称敷设型植生混凝土[13]，现暂且称其为水泥基植生混合土，其可做为合格的表层客土使用，通常的配合比如表1所示[14]。

4.2.2　表层客土的施工

表层客土采用普通干喷技术，加水量应保持表层客土不流不散。要求喷枪口距植生混凝土1m左右，喷射角度与坡面成40°～50°，自上而下条状喷施，喷射厚度一般在15mm～30mm。在表层客土拌料时可加入混合植物种子。在表层客土喷射完成后，若在暖季节要覆盖28g/m²无纺布进行保墒，但在低温季节则需覆盖地膜，以保证种子发芽所需的温度；在施工48h内应防止暴雨冲刷，并定期进行洒水养护[15]。此种喷射施工方式适合大面积施工。

5　植生混凝土的植物选择和植物种植

植物的选择一方面要适应植生混凝土特殊的生长环境，另一方面又要适应当地气候。植物能否正常生长是植生混凝土是否研制成功的重要检验检验标准。

5.1　植物选择

选择草种应满足：发芽快，出芽率高、整齐；根系发达，抗逆性强；冷季型草种和暖季型草种配合；尽量使用当地物种，避免生态灾难；尽量作到物种多样化[14]。

为了兼顾短期迅速覆盖坡面及长期恢复生态植被的效果，在植物种子选择上选配乔、灌、藤、花草相结合进行混播，并在坡面上适当人工加种灌木、藤本，通过播种和栽种双重手段，确保坡面恢复植物的多样性和功能的长久性。早期以花草绿化防护为主，后期则以乔、灌木防护为主，这样可构建乔、灌、花、草立体防护生态体系，达到恢复生态自然植被及美化环境的目的。植物种子的选择及配置应走本地化的道路，以地带性植被、乡土植物为基调，适当引进适于本地生长条件的野生植物和外地植物；同时也应考虑浅根植物和深根植物的结合、豆科植物与非豆科植物的结合；还要尽可能配置抗逆性强的植物及水、肥、光、热利用率高的植物。这样才能使植物体系更加适应当地气候，与自然植被融为一体，建设一个具有生物多样性的、稳定的、生命力强的立体生态群落，达到四季常绿的生态景观效果[16]。

对于在水位变动区，应选择当地自然生长植物。当地自然生长植物是当地水生动物食物链的组成部分，单纯播种某种花草，人为改变当地自然水草环境，势必切断水生动物的食物链，是对自然生态的破坏。在水位变动区以上，可根据工程要求与当地实际情况，选择多年生植物，并进行必要的养护。在水位变动区以下，建议尝试种植管束类或黑藻、金鱼藻等可以吸收水中有害物质的植物[13]。

植物种类的选择即要考虑植生混凝土的现实情况，又要考虑当地植物种类情况、气候情况等，多因素综合作用，确定最终植物种类。表2为我国部分地区主要护坡植物[17]。

5.2　植物种植

植物不同、地区不同、季节不同，可选择的种植方式也不同，以下介绍按播种方式和播种形式划分的两种植物种植方式。

5.2.1　按播种方式划分

按播种方式不同，植物的种植有平面覆土播种法、凹面覆土播种法、预埋播种法、草坪卷铺设法[18]、水力喷播法[19]等。平面覆土播种法制作便利，发芽率好，有一定抗冲刷能力，可向孔隙内自行补给部分土壤，有一定抗晒能力，但在一定坡度遇大雨时，草籽易被冲刷；凹面覆土播种法发芽率、成活率均较好，抗冲刷能力强，土壤补给能力强，抗晒能力好，但凹面制作较难控制；预埋播种法能使草在混凝土孔隙深处发芽，耐践踏，但草籽用量大，后期营养易接续不上，使成活率较低；草坪卷铺设法种植简单，成活率高，但造价高，根须穿透能力不强。水力喷播法是在人们常规方法难以施工的被面上植草坪。水力喷播技术是以水为载体，将经过技术处理的植物种子、木纤维、粘合剂、保水剂、复合肥等材料混合后，经过喷播机的搅拌，喷洒在需要种植草坪的地方，从而形成初级生态植被的播种技术。与传统植草方法比，其可全天候施工，速度快，工期短；成坪快，减少养护费用；不受土壤条件差、气象环境恶劣等影响。

5.2.2　按播种形式划分

按播种形式划分，植物种植可分为3种：（1）撒播草籽：按一定的密度将草籽均匀的撒播在土层上，并根据需要用抹灰刀将草种嵌入土层，进行混播时应先小粒、后大粒和先量少、后量大的原则。（2）种植草皮：将已培植好的草皮移植到种植层上，移植时应将种植土层表面刨毛，使草皮更快更好的扎根到新的土层中。（3）种植草根：部分植物是以草根的形式种植在土层中，此时要求土层较为松软，利于植物生长[10]。其中草籽的处理方式又有三种情况：不浸泡、浸泡、浸泡至破口。草种浸泡有利于提高发芽率，一般应浸泡12h左右即可，防止破口。

6结语

植生混凝土是一种既能减少对生态环境的负荷，同时又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的生态混凝土。将植生混凝土用于破坏了的河道护岸、沟渠驳岸、公路边坡等生态环境进行修复和重建，不仅具有传统的混凝土护岸的特点，而且由于植生混凝土表面生长着绿色植物，既改善了周围大气的环境，又保持了绿色自然景观。同时，微生物及小动物在植生混凝土凹凸不平的表面或孔隙内生息，既保持了生物的多样性，又能对河川、湖泊的水质问接地进行净化，具有一举多得的生态效果，创造了混凝土与自然环境的衔接点，社会效益和生态效益十分突出，对人类的可持续发展具有重要贡献。

通过对植生混凝土配合比设计方法、施工工艺、碱度控制、孔隙填充土和表层客土的选择与施工及植物的选择和种植的总结与分析，希望使更多研究人员了解、关注植生混凝土，进而投入到植生混凝土的研究当中，共同推进混凝土生态化进程，促进人与自然和谐发展。