1．概述
随着社会的发展与进步，各类岩土建筑工程由以功能性为主，逐渐改变为在保证既有功能的前提下，实现人与自然和谐相处，合理利用资源，让人类活动与生态环境协调起来。对于水利工程来说，已由单一的防洪抗旱转变为开发利用保护相经互相结合，使之与人类社会的生存和发展更为协调，实现水资源的可持续利用。绿色建材的研究和应用，必将成为水利及其它岩土工程建设材料新的研究和发展方向。
传统的岩土工程一般采用坚硬的抗冲刷与抗冲击材料。用砌石、混凝土板块、模袋混凝土等护砌后的河道，其主要缺点为：
覆盖了大片植被，彻底毁坏了由水与草共同构成的水环境；
刚性护砌材料大量吸收阳光热能，夏季护砌表面温度一般可达40~60℃，加剧了城市热岛效应，影响着人类生存环境；
切断了水生物链，水中的生物及微生物的生存环境和生存空间受到毁灭性破坏，生态失去了平衡，使河流的自我净化能力大大降低，对生态环境形成不良影响；
需开山采石，挖河取砂，直接毁坏了山林和河道；
耗用大量的水泥，而生产1吨水泥将释放出二氧化碳气体约1吨，二氧化碳则是全球温度变暖的元凶。
根据绿色建材的保护环境、改善生态条件、基本保持原有防护作用的基本要求，吉林省水利实业公司经过几年的研究，研制出一种能长草的环保型绿化混凝土护砌材料。
2．环保型绿化混凝土试验研究
研究工作主要包括如下内容：
环保型绿化混凝土护砌材料的构造、环保型绿化混凝土的构件化及其耐久性；混凝土孔隙内碱性水环境的改造、植物生长环境研究、植草及草对构件护砌稳定性影响、环保型绿化混凝土的应用研究等。
2．1环保型绿化混凝土护砌材料的构造
多孔混凝土构造多孔混凝土基本由无砂混凝土构成，为了使植草能够在混凝土孔隙间生根发芽并穿透至土层，要合理选择骨料粒径，保证有一定的孔隙率、表面空隙率。表面空隙率采用拓印方式测得。表面空隙率小时，混凝土防护效果较好，但植生材料不容易充填，草的成活率低；表面空隙率过大时，容易产生直贯性孔隙，影响混凝土的防护功能，但草生长环境较好。水泥量和水灰比以水泥完全包裹骨料、无较多水泥浆流出为度。许多文献介绍过有关计算方法，但在实际应用中多有不便。本研究设计采用自制的反光观测器，直接观察底层混凝土水泥浆包裹情况及流动过程，根据观测结果进行调整、核定水泥用量及水灰比，既简捷又准确。无砂大孔隙混凝土抗压强度一般在2~15Ｍpa左右，普通火成岩骨料抗压强度一般在80~120Ｍpa，二者相差甚远。因此按照强度匹配原则，选用抗压强度相当的建筑废砖石，抗压强度为5.0~20Ｍpa。采用42.5号普通硅酸盐水泥，用选定粒径制成的碎石大孔隙混凝土抗压强度为2.7Mpa，砖石为1.6Mpa。当骨料粒径为2.5~4.0时，采用废砖石骨料的大孔隙混凝土容重为1320kg/m3;采用碎石骨料的大孔隙混凝土容重为1700kg/m3。
2．2绿化混凝土构件的耐久性研究
冻融稳定性。将分别用砖石、碎石制成的大孔隙混凝土立方体试块做冻融循环试验，试验结果为：冻融循环（快冻）次数不小于50次。在进行冻融循环试验时发现，采用砖石制成的大孔隙混凝土冻融稳定性优于碎石制成的大孔隙混凝土。在同样冻融循环条件下，碎石大孔隙混凝土已完全破碎，而砖石大孔隙混凝土除边缘有部分损坏外，基本保持原形状。
结构稳定性。以疏密结合方式制成绿化混凝土构件，将构件边缘高强度混凝土、内侧大孔隙混凝土浇为一体，从解决了绿化混凝土边缘强度低的弱点。为提高周边高强度混凝土的耐久性，采用了改性聚丙烯纤维混凝土。这种结构节省水泥约30%，节省砂、石65%。
穿透稳定性。观察长草后10cm厚的绿化混凝土构件，发现草具有亲肥性和亲水性，首先选择穿透混凝土孔隙，然后在土中向周边扩展，草根对绿化混凝土不产生膨胀破坏作用。
2．3绿化混凝土防护特性研究
⑴高透水性。绿化混凝土孔隙率高达40%，表面等效孔径2-3cm，孔隙自构件顶表面可蜿蜒通至地面。在堤防护砌工程中，受水位骤降的影响较小；在季节性寒冷地区，有利于排出和降低被保护土内含水量，减少冻害破坏。
⑵较大的拔出力。经实测，绿化混凝土提高堤防等护砌材料防护稳定性的效果是惊人的。对边距离45cm的六角形绿化混凝土构件，原重量30kg，长草生根后的被拔起时的重力为160kg。
⑶高透气性。在很大程度上保持了被保护土与空气间的湿、热交换能力。
⑷护砌安全性。绿化混凝土构件厚度与单块几何尺寸，可以按照《堤防工程设计规范》（GB?50286-98）有关规定计算。由于草根的锚固作用，将会使上述计算结果更加趋于安全。
2．4孔隙内碱性水环境改造
改造孔隙内碱性水环境是制作绿化混凝土的关键问题之一。通过对大孔隙混凝土中碱环境产生机理进一步进行了分析和研究，可找出改造混凝土孔隙间碱性水环境的简便办法。
⑴碱环境产生的原因。水泥中的各种无机盐碱主要是由生产水泥的原料和燃料煤所引入，一部分以硫酸盐和碳酸盐的形式存在，一部分则固溶在熟料矿物中。当水泥加水后，硫酸盐及碳酸盐形式的盐碱很快溶于水中，而固溶在熟料中的碱则随着水化的进行而缓慢溶入水中，同时部分又被水化物所吸收。
⑵碱释放速度。根据有关专家实验研究结果，在38℃下，28天时，某些水泥中的碱有86～97%释放出来，其中有45～85%是在前几小时内释放出来的。经过较长时间暴露后，硬化浆体中仅保留15%的碱。由此可知，大孔隙混凝土集料的比表面积小，水泥用量少，总碱量及可溶碱量较低，水分迁移路径较短，可溶性碱析出较快。混凝土初凝后，采用一些特殊方法，能减少孔隙间水泥表面可溶性碱量，辅以填充偏酸性植生材料，可在短时间内，改善孔隙间的碱性水环境。该结论经植草实验得以证实。
2．5植物生长材料选择和充填
填充的植物生长材料应当提供草在发芽及生长初期及在数年生长期内的养分与水分；减少残留碱性水环境对草根的不利影响。
在混凝土孔隙间，不仅地下毛隙水补给受阻，而且混凝土在继续水化期间，要从充灌到孔隙中的土壤中汲取水分，使得孔隙间的植草生长环境更为恶化。必须要加入保水剂。
实验发现：酸、碱性溶液、几种常见的化肥溶液、典型土的过滤液，对选用的保水剂均能产生不利影响，淀粉接枝程度越高，保水剂持水能力受影响越大。因此护砌厚度较小时，由于草可以从土壤中汲取水分，各类保水剂均能应用；当护砌厚度大时，宜采用丙烯酸酰胺型保水剂。
草品种多数为多年生植物，必须为草提供当年以及今后数年生长期内所需要的缓释肥。为提高缓释程度与绿化混凝土的绿色程度，选择了角蛋白类，这种角蛋白每100g含氮16.3g，包含有18种氨基酸。草坪在生长期内每年约需10g氮，据此计算，每平方米环保型绿化混凝土中，每100g这种角蛋白缓释出全部氮肥量可供使用年限为6.27年
采用多种方式分解角蛋白，包括碱性溶液分解、霉菌分解法、强氧化剂分解等方法，均达到了预期效果。用指示剂茚三酮进行检测，呈兰色，证明角蛋白已经转化为氨基酸。采用这种方法能使轻纺工业废弃物重新得到利用，提高了环境保护效应和材料的绿化程度。
当护砌厚度在15～20cm以下时，可采用在护砌材料下面提供缓释肥的方法，即铺设营养型无纺布。该种土工布系本研究单位发明，是在高纤度无纺布表面附上一层特殊纤维，既起到反滤作用，又可在几年内持续向植物提供营养。草根穿透无纺布后，可将大孔隙混凝土、无纺布一道锚固在被保护土上，提高整体护砌效果。
播种初期曾发现成群结队的蚂蚁搬走草籽，生根期在缓释肥霉烂过程中招引地下害虫使草根受到虫嚼损害。所以在填充材料里增加了杀虫剂成分。
试验中采用了了多种填充方法，最终认为高压吹填法效果较好，土充满了大部分孔隙，草生长茂盛，根系发育。施工也较为便利，缺点是填土过干时，有飞溅现象。
2．6植草选择、播种研究
对于城区堤防等有美化环境要求的防护工程，可采用草坪草，尽管草籽、养护费用较高，但环境效应较好；对于无特殊美化要求或保持大自然状态的防护工程，宜采用自然生长草。
对多种草坪草进行在绿化混凝土上生长实验。紫羊茅、早熟禾品种表现出很好的耐碱性和耐寒性，特别是耐寒性优异，在-7～-9℃时，仍郁郁葱葱。耐热性均有不足，特别是混凝土表面温度一般超过40℃，孔隙浅层温度36～38℃，使草在生长初期易产生热休眠现象，生长缓慢。因此在播种草籽时，应适当避开温度较高的季节，或加防晒措施。当环保型绿化混凝土表面覆土层较薄时，宜受水滴、雨滴等的冲击而流失，使得草发芽后的早期营养接续不上，降低成活率。因此，应当对环保型绿化混凝土表面构造进行适当调整，保持一定凹面和糙率。
考虑到自然环境下草品种的多样性，也选用了多样野生花草进行种植研究。稗草、车前草、蒲公英、波斯菊、芍药花、马莲草、无名野蒿草等均能生长。须根发育的野生花草，可以用根系将混凝土构件稳固在被保护土上；根系粗长的蒿草，根茎受到混凝土骨料约束，变得相对细长，穿入地面也较深，但根茎数有限，对混凝土构件稳固作用不大。
将已经生长7～10cm的草拔除后，砸开大孔隙混凝土生长基部分，可发现孔隙内几乎全部充斥着充填土和草根。在播种过的构件表面重新进行播种，发现生长效果优于初种。
水利护砌构件下一般铺设无纺布，植草的草根需要穿透无纺布后方能到达土壤中。实验表明花、草根须均顺利穿透纤度在10～15Dtex的无纺布。
播种方式试验了平面覆土播种法、凹面覆土播种法、预埋播种法、草坪卷铺设法等。可以根据草的生长、固土、发芽率等要求选定。
1．7草根对绿化混凝土稳定性影响的研究
植草生根达一定长度时，对绿化混凝土构件有锚固作用。
对几种紫羊茅、早熟禾、野稗草等试验草各部位抗拉力进行了检测，基本了解了草根茎部、根中部、根下3/4处、根末梢抗拉力分布情况。实测拔起对边45cm构件时的拉力为1566.33N（紫羊茅、黑麦混合草）,草根基本在混凝土板块以下的3/4～4/5处断裂，与推断相吻合。
影响草根对大孔隙混凝土构件锚固作用的因素较多，与草的品种与生长状况、土壤类型及特性等有关，有待进一步研究。
3．环保型绿化混凝土的应用研究
3．1环保型绿化混凝土可应用的若干岩土工程领域
⑴土堤迎水坡面护砌。
应根据有关规范合理确定混凝土构件的单块重量、厚度、几何尺寸，护砌高度应在多年平均枯水位以上。构件下应当铺设特制的营养型无纺布。
⑵土坝迎水坡面护砌。
同样应根据有关规范合理确定混凝土构件的单块重量、厚度、几何尺寸，护砌高度在多年平均枯水位以上。构件下亦应当铺设特制的营养型无纺布。
环保型绿化混凝土用于土堤、土坝护砌工程多年平均枯水位以下护砌时，其结构形式、植草类型与方式、作用、环境保护的对象与目标、保护水下环境的机理等与在水面以上大相径庭，进一步涉及水环境、水生物、水化学等相关学科。有关这种专门用于水下的环保型绿化混凝土研究，本单位正在实验研究中。
⑶公路边坡护砌。
环保型绿化混凝土可用于公路的穿路桥涵边坡、挖方公路两侧边坡等的安全绿化护砌。公路边坡护砌不似水利堤坝护砌需着重考虑风浪冲击、水流冲刷等问题。由于公路边坡护砌的坡度较陡，在保证边坡稳定的前提下，防止雨滴冲击和雨水汇流冲刷是关键问题。本单位的实验表明：由于植草扎根于环保型绿化混凝土孔隙内，受雨水汇流冲刷影响较小。为减少雨滴对植草的破坏，宜采用铺设草坪卷方式。
⑷硬化草坪。
用绿化混凝土制作可停车、行走的硬化草坪，近年来在国内已有报道。但必须注意的是，混凝土表面温度，较在土壤上要高出10-15℃，大多数草坪草在达到一定温度时便开始休眠。如果想让草正常生长，须频繁浇水降温，养护条件较为复杂。
3．2实验工程研究
2001年5月5日～2001年10月31日，吉林省水利实业公司在吉林省某地城区防洪堤防迎水坡面进行了绿化混凝土护砌实验施工，检验堤防迎水坡面绿化混凝土制作与施工方法、护砌效果。实验规模为长909米，宽5.4米，计4908.6平方米。六角形构件对边距52cm，厚度10cm。
在植草发芽期间，实验地突遇大雨，24小时降雨量为110mm，在实验高程以上单纯播草护坡不仅表面被严重冲蚀，且堤防被冲刷出数道宽2-3米的缺口。本研究的绿化混凝土护砌则安然无恙，被冲开的缺口发展到绿化混凝土护砌部分时被阻止。
播种两个月后，植草的草叶最长为6～8cm，草根分蘖并穿透混凝土板；至10月30日，草叶长10～12cm，颜色呈深绿；11月上旬，当地温度为-9～4℃，并落下一层薄雪，但植草仍能生存，正午阳光晒化积雪后，堤防坡面仍是一片翠绿。
在实验中也发现：个别自然生长的野草在绿化混凝土护砌面上长势旺盛.因此通过覆盖原土，凭借降水等自然作用自行充填，也可以实现绿化护砌目的。
该工程绿化混凝土造价与普通混凝土基本相同。
4．结论
4．1这种环保型绿化混凝土充分利用废砖石、轻纺工业废弃料，节省水泥用量约30%，减少砂石用量约65%，相应减少了对自然环境的毁坏，实现了在混凝土护砌面上种草的愿望，使刚性护砌与环境绿化完美地结合起来，是一种环境效应显著的绿色建材，也是对传统岩土工程护砌材料的一次重大变革。
4．2这种环保型绿化混凝土的结构及选用骨料材料较新颖，改造孔隙间碱性水环境的方法简便，肥料缓释办法独特，有较大实用价值。
4．3环保型绿化混凝土护砌材料来源较为广泛，制作施工较为便利，防护性能得到改善和提高，环境效益十分显著，有相当广泛的推广应用前景。
保护生态环境、优化生存条件是人类社会发展永恒的主题。在今后的堤防、路坡、裸露岩石等的护砌工程中，应全面推广环保型绿化混凝土。
参考资料
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作者简介：
董建伟，男，43岁,高级工程师，吉林省政府采购咨询评审专家。1983年毕业于大连工学院水利系水利水电工程建筑专业。
