CN107311688B - 一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土及其制备方法，该多孔植被混凝土包含以下重量分数的组分：碎石骨料100份、土壤5.0‑8.0份、水泥10‑12份、造纸黑液浓缩改性液5.0‑8.0份、有机肥2.0‑3.0份、水4.5‑6.0份；造纸黑液浓缩改性液是将造纸黑液蒸发浓缩后加入甲醛溶液，搅拌混合并升温至80‑85℃反应，后冷却并再次蒸发浓缩得到的。该多孔植被混凝土浇筑形成的多孔混凝土层，pH值仅有9.0左右，属于适合植被生长的低碱环境；孔隙率大，透水系数高，适合植物根植及根系穿过到达下层土壤；抗压强度高，能保证公路边坡长久稳定性；兼顾低碱环境与高强耐久性，适合公路边坡生态防护使用。

Description

一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于公路边坡生态防护技术领域，具体涉及一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，同时还涉及一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法。

背景技术

近年来，我国的基础建设正如火如荼，尤其是公路建设取得了举世瞩目的成就。但是，在公路建设过程中，考虑到路线选址、经济效益、社会效益等因素，多数路段经常需要进行高填深挖施工，这扰乱土壤结构、破坏植被，再加上大规模的开山采石、取土，造成公路边坡土质裸露以及大量的废土弃渣堆积，对沿线周围的生态环境造成严重的破坏，加剧了水土流失，易引起滑坡、泥石流等地质灾害，不仅容易阻断交通，还会威胁人们的生命财产安全。

传统的公路护坡方法一般是以水泥、石料、混凝土等硬性材料为主，以安全、经济为指标，增强边坡的稳定性，防止降雨入渗侵蚀及坡面冲刷破坏。如浇筑混凝土护坡技术，虽然能够满足一定耐久性和强度的要求，但坡面被混凝土所覆盖，导致公路边坡防护后呈现灰蒙蒙、光秃秃的一片，不仅不美观，而且持续的强降雨入渗侵蚀容易使这种防护失效从而导致地质灾害；框格护坡技术具有一定的绿化效果，但是框格孔隙内土壤抗洗掘性差，绿化率低。而一般的植物护坡技术是单纯在公路边坡上植草或建造防护林，虽然在一定程度上能形成植物群落，但是紧靠这些植物根系的固土作用无法保障公路边坡的稳定性，且单纯植物护坡基材存在湿胀垮落、剥落、植被退化等现象。

植被混凝土是一种能够适应绿色植物生长，又具有一定防护功能的混凝土及其制品，其特点是能够在上面生长植物、可以进行植被作业，恢复和保护环境，改善生态条件，又具有一定的承载能力和防护能力。现有普通的植被混凝土主要是由粗骨料、水泥与水进行适当的调整配比，经混合搅拌，现浇及自然养护而成的具有连续孔隙结构的混凝土制品；护坡施工时将基层进行清理，摊铺混凝土层，并在表面铺填一层由腐殖土、植物种子、缓释肥料与保水剂等混合而成的基质，以创造适宜的植物生长环境，植物种子发芽生长后慢慢形成护坡植被，以达到对公路边坡综合治理及生态恢复的效果。

水泥是配制植被混凝土基材是不可或缺的粘结剂及交联剂，一般情况下采用普通硅酸盐水泥，水泥掺量越大，混凝土基材的结构稳定性及防侵蚀性能越好，但是水泥在水化时会使植被混凝土基材孔隙内呈强碱性，出现烧苗或烧根的现象，不利于植被群落的恢复与重建；同时，为了保证植被生长所需营养条件，混凝土中需要添入一定量的绿化添加剂，现有绿化添加剂多为化学药剂，与混凝土的相容性不好，容易随雨水冲刷流失，也造成混凝土力学性能较差，耐久性不强。因此，现有的植被混凝土无法兼顾高强耐久性与保障植物正常生长的营养环境，限制了其进一步推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土。

本发明的第二个目的是提供一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，包含以下重量分数的组分：碎石骨料 100份、土壤5.0-8.0份、水泥10-12份、造纸黑液浓缩改性液5.0-8.0份、有机肥2.0-3.0 份、水4.5-6.0份；

所述造纸黑液浓缩改性液是由以下方法制备的：将造纸黑液蒸发浓缩至固含量为35％-40％得造纸黑液浓缩液，加入质量浓度为30％-35％的甲醛溶液，搅拌混合后升温至80-85℃保温反应2-3h，后冷却至室温，再次蒸发浓缩至固含量为35％-40％，得造纸黑液浓缩改性液。

本发明的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，优选为现浇混凝土；所用的土壤取自施工地公路边坡开挖的土壤；优选偏酸性或中性的土壤，pH值为5.5-7.0。

所述碎石骨料为粒径范围为16-26mm的连续级配的碎石。采用该规格的碎石骨料，弹性模量较高，能保证适宜的孔隙比和孔隙直径。

在制备造纸黑液浓缩改性液时，造纸黑液浓缩液与甲醛溶液的质量比为1:0.9-1.1。所述造纸黑液优选草浆造纸工艺产生的黑液。

所述有机肥是由以下方法制备的：将农作物秸秆切成长度为3-5cm的小段，喷洒沼液，使秸秆含水量达到60％-70％，后加入EM菌剂，混合均匀后，进行堆肥腐熟，即得。

所述农作物秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆中的任意一种或组合。

所述沼液是以有机物质如牛、猪、鸡、兔粪便为原料，在沼气池中经长时间恒温厌氧发酵产生沼气(用于发电)，所残留的褐色明亮的液体。

所述EM菌剂的用量为：每100kg农作物秸秆加入EM菌剂2.0-2.5kg。

在制备有机肥时，一般堆置3-5天开始发酵，1个月后进入高温发酵期，此时翻堆1次，将外层秸秆翻入中间并补足水分(含水量保持在60％-70％)；堆置2-3个月达到腐熟。

一种上述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)取配方量的土壤和造纸黑液浓缩改性液混合后，得胶凝混合物；

2)取配方量的碎石骨料，加入1/3-1/2配方量的水，搅拌使碎石骨料表面润湿后，加入1/3-1/2配方量的水泥，搅拌得预混料；

3)在步骤2)所得预混料中加入步骤1)所得胶凝混合物，搅拌过程中再加入剩余的水泥、水及配方量的有机肥，拌和，即得。

步骤2)中，加入水泥后，搅拌25-35s即得预混料。

步骤3)中，拌和的时间为160-200s。

本发明的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土中，碎石骨料为骨架材料，保证现浇混凝土内部能形成连续的大孔孔道；通过将造纸黑液蒸发浓缩并高温羟甲基化后得到造纸黑液浓缩改性液，具有较高的胶合强度，将其作为混凝土的胶凝材料使用，使得水泥用量仅为传统植被混凝土的一半，水泥用量减少有效降低了混凝土的碱性；同时由于造纸黑液浓缩改性液具有极强的粘性，与水泥复配使用，凝胶作用强，粘结性能好，使得混凝土具有良好的力学性能及持久稳定性。取自公路施工地的边坡开挖土壤优选弱酸性或中性，一方面可以中和混凝土整体的碱性，另一方面为植物根植或根系穿过提供扎根的载体；有机肥为微生物发酵肥，将其混入混凝土中，改善混凝土中有机营养物质及微生物贫瘠的状态，为植物生长提供适宜的环境。

造纸黑液中含有大量的纤维物质，成分中含有大量的木质素，还含有未降解的半纤维素、糖分和无机盐等成分，本发明将其浓缩改性后，造纸黑液浓缩改性液为极为粘稠的浆体，一方面作为混凝土的胶凝材料使用，降低水泥的用量并保证混凝土的力学强度；另一方面，造纸黑液浓缩改性液中的有机高分子物质本身带有羟基等活性基团，能调控混凝土中微量元素的缓慢释放，为植物生长提供养分。造纸黑液本身属于造纸厂产生的废水，对其进行改性后再利用，属于变废为宝，降低了公路护坡施工用混凝土的成本，具有良好的经济效益和环境效益。有机肥以农作物秸秆为原料进行堆肥腐熟，农作物秸秆中也含有大量的纤维物质，除了能为浇筑混凝土层提供肥效、养分和微生物外，还能增强其粘结强度和力学性能，也是变废为宝、节约资源的一种新途径。

本发明的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，是由碎石骨料、土壤、水泥、造纸黑液浓缩改性液、有机肥与水拌制形成的，其使用时现浇形成多孔轻质结构，是植被生长的载体，多孔混凝土表面及内部具有均匀分布的孔穴结构，具有透水、透气的特点；多孔混凝土孔隙内蓄容的水和肥成为植被萌芽生长的初始环境，同时有助于植被根须扎根至植被混凝土底下的公路边坡土壤中；该多孔植被混凝土浇筑形成的多孔混凝土层，pH值仅有9.0左右，属于适合植被生长的低碱环境；孔隙率大，透水系数高，适合植物根植及根系穿过到达下层土壤；抗压强度高，能保证公路边坡长久稳定性；该多孔植被混凝土兼顾低碱环境与高强耐久性，适合公路边坡生态防护使用。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

具体实施方式中，所用碎石骨料为粒径范围为16-26mm的连续级配的石灰岩碎石，表观密度为2.7g/cm³；所用水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5级；所用土壤取自河南连霍高速公路郑州段某施工路段边坡土壤，偏酸性，pH值为6.0。所用造纸黑液来自河南某造纸厂的草浆造纸工艺(烧碱法)，总固形物含量22％-24％，木质素180-200g/L，pH值10.5，密度1.1g/L，粘度8-10mPa·s。

具体实施方式中，在制备有机肥时，所用的农作物秸秆均是小麦秸秆与水稻秸秆的质量比为1:1的混合物；所用沼液是以有机物质如牛、猪、鸡、兔粪便为原料，在沼气池中经长时间恒温厌氧发酵产生沼气(用于发电)，所残留的褐色明亮的液体；所用EM菌剂是采用市售EM原液(河南郑州百益宝生物技术有限公司，含有效菌数量不小于100亿个 /ml)，加水稀释20-25倍制成的。

实施例1

本实施例的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，由以下重量分数的组分组成：碎石骨料100份、土壤5.0份、水泥10份、造纸黑液浓缩改性液7.0份、有机肥2.0份、水5.1份；

其中，所述造纸黑液浓缩改性液是由以下方法制备的：将造纸黑液蒸发浓缩至固含量为38％得造纸黑液浓缩液，加入质量浓度为30％的甲醛溶液，造纸黑液浓缩液与甲醛溶液的质量比为1:1；搅拌混合后升温至80℃保温反应3h，后冷却至室温，再次蒸发浓缩至固含量为35％，得造纸黑液浓缩改性液；

所述有机肥是由以下方法制备的：将农作物秸秆切成长度为3-5cm的小段，喷洒沼液，使秸秆含水量达到60％，后加入EM菌剂(每100kg农作物秸秆加入EM菌剂2.5kg)，混合均匀后，进行堆肥腐熟(一般堆置3-5天开始发酵，1个月后进入高温发酵期，此时翻堆1次，将外层秸秆翻入中间并补足水分使含水量保持在60％，堆置2个月达到腐熟)，即得有机肥。

本实施例的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)取配方量的土壤和造纸黑液浓缩改性液混合后，得胶凝混合物；

2)取配方量的碎石骨料，加入1/3配方量的水，搅拌使碎石骨料表面润湿后，加入1/3配方量的水泥，搅拌25s得预混料；

3)在步骤2)所得预混料中加入步骤1)所得胶凝混合物，搅拌过程中再加入剩余的水泥、水及配方量的有机肥，拌和180s，即得所述多孔植被混凝土。

实施例2

本实施例的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，由以下重量分数的组分组成：碎石骨料100份、土壤6.0份、水泥12份、造纸黑液浓缩改性液6.0份、有机肥2.5份、水5.4份；

其中，所述造纸黑液浓缩改性液是由以下方法制备的：将造纸黑液蒸发浓缩至固含量为35％得造纸黑液浓缩液，加入质量浓度为33％的甲醛溶液，造纸黑液浓缩液与甲醛溶液的质量比为1:0.9；搅拌混合后升温至85℃保温反应2h，后冷却至室温，再次蒸发浓缩至固含量为38％，得造纸黑液浓缩改性液；

所述有机肥是由以下方法制备的：将农作物秸秆切成长度为3-5cm的小段，喷洒沼液，使秸秆含水量达到65％，后加入EM菌剂(每100kg农作物秸秆加入EM菌剂2.3kg)，混合均匀后，进行堆肥腐熟(一般堆置3-5天开始发酵，1个月后进入高温发酵期，此时翻堆1次，将外层秸秆翻入中间并补足水分使含水量保持在65％，堆置2个月达到腐熟)，即得有机肥。

本实施例的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)取配方量的土壤和造纸黑液浓缩改性液混合后，得胶凝混合物；

2)取配方量的碎石骨料，加入1/2配方量的水，搅拌使碎石骨料表面润湿后，加入1/2配方量的水泥，搅拌35s得预混料；

3)在步骤2)所得预混料中加入步骤1)所得胶凝混合物，搅拌过程中再加入剩余的水泥、水及配方量的有机肥，拌和200s，即得所述多孔植被混凝土。

实施例3

本实施例的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，由以下重量分数的组分组成：碎石骨料100份、土壤7.0份、水泥11份、造纸黑液浓缩改性液5.0份、有机肥3.0份、水4.8份；

其中，所述造纸黑液浓缩改性液是由以下方法制备的：将造纸黑液蒸发浓缩至固含量为40％得造纸黑液浓缩液，加入质量浓度为35％的甲醛溶液，造纸黑液浓缩液与甲醛溶液的质量比为1:1.1；搅拌混合后升温至85℃保温反应2.5h，后冷却至室温，再次蒸发浓缩至固含量为40％，得造纸黑液浓缩改性液；

所述有机肥是由以下方法制备的：将农作物秸秆切成长度为3-5cm的小段，喷洒沼液，使秸秆含水量达到70％，后加入EM菌剂(每100kg农作物秸秆加入EM菌剂2.0kg)，混合均匀后，进行堆肥腐熟(一般堆置3-5天开始发酵，1个月后进入高温发酵期，此时翻堆1次，将外层秸秆翻入中间并补足水分使含水量保持在70％，堆置2个月达到腐熟)，即得有机肥。

本实施例的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)取配方量的土壤和造纸黑液浓缩改性液混合后，得胶凝混合物；

2)取配方量的碎石骨料，加入1/2配方量的水，搅拌使碎石骨料表面润湿后，加入1/3配方量的水泥，搅拌25s得预混料；

3)在步骤2)所得预混料中加入步骤1)所得胶凝混合物，搅拌过程中再加入剩余的水泥、水及配方量的有机肥，拌和160s，即得所述多孔植被混凝土。

实施例1-3所得多孔植被混凝土为现浇混凝土，使用时将其浇筑在需要生态防护的公路边坡上，形成厚度为7-8cm的多孔混凝土层，多孔混凝土层中存在大量连续的孔隙，能够顺畅地循环植物生长所需的水、气、热、肥等物质；在多孔混凝土层上铺设植生基材(植生基材内拌有植物种子)，植生基材填充进多孔混凝土层的孔隙内，并在表面形成厚度为2-3cm的植生层。植生基材内的植物种子萌发，可以在多孔混凝土层的孔隙中正常生长，植物根系穿过多孔混凝层深入到公路边坡的土壤层中，不仅可以源源不断的吸收下层土壤中养分维持植物生长，而且利用物质根系的浅根加筋、深根锚固的力学特性保护公路边坡的稳定性。

实验例1

本实验例对实施例1-3所得多孔植被混凝土的基本性能进行检测。检测方法为：将实施例1-3所得多孔植被混凝土浇筑在模具中，自然养护7d，形成厚度为8cm的多孔混凝土层，即为多孔植被混凝土样品，然后进行性能检测。

抗压强度：按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T 50080-2011》进行抗压强度试验，由公式N＝P/A计算得7d和28d的抗压强度。

密度：测得多孔植被混凝土的体积和质量，计算密度。

孔隙度：先测定体积为V的样品，烘干称得干重G1，然后在室温的水中浸泡至样品恒重G2；由公式P＝(G2-G1)/V×100％计算得样品的孔隙率。

pH值：将多孔植被混凝土样品置于容器中，加水淹没混凝土样品，浸泡24h后，测量水的pH值；换水，重复上述操作，知道Ph值趋于稳定而不变化。

透水系数：采用定水头的测试方法，根据达西公式测定混凝土的透水系数。

检测结果如表1所示。

表1实施例1-3所得多孔植被混凝土的性能检测结果

从表1可以看出，实施例1-3所得多孔植被混凝土浇筑形成的多孔混凝土层的pH值仅有9.0左右，属于适合植被生长的低碱环境；孔隙率大，透水系数高，适合植物根植及根系穿过到达下层土壤；抗压强度高，能保证公路边坡长久稳定性。

实验例2

本实验例对实施例1-3所得多孔植被混凝土的耐冲刷性能进行检测。本实验采用换水养护的方式模拟实际的多孔混凝土层的浸水状态，具体为：在容器中盛水，将多孔植被混凝土样品(自然养护7天后)浸没于水中，每48h换一次水，按照实施例1的方式检测样品的抗压强度。结果如表2所示。

表2实施例1-3所得多孔植被混凝土的耐冲刷性能检测结果

从表2可以看出，经过换水养护后，本发明的多孔植被混凝土的抗压强度仅比自然状态下下降了不到5％，说明采用本发明的多孔植被混凝土现浇形成的多孔混凝土层具有良好的抗冲刷性能。

实验例3

本实验例对实施例1-3所得多孔植被混凝土的使用性能进行检测。本实验例在户外进行草种盆栽实验，检测多孔植被混凝土的使用性能，具体为：先在盆地填入压实厚度不低于15cm的公路边坡开挖土壤(模拟自然状态下公路边坡状态)，在表面分别直接浇筑实施例1-3的多孔植被混凝土(三组平行试验)，形成厚度为8cm的多孔混凝土层，在多孔混凝土层上铺设植生基材在表面形成厚度为2cm的植生层。所用植生基材是公路边坡开挖土壤与腐殖土的质量比为1:1的比例混合而成的，同时拌入适量的缓释肥料和植物种子(狗牙根)，植物种子的播种量为4-6g/m²。

实验期间按照常规操作进行浇水和病虫害防治，可以观察到，3-5d植物种子即发芽， 7-14d植物根茎穿入多孔混凝土层继续生长，28d后植物根茎已经穿过多孔混凝土层，植根底部的自然土壤层中；盆栽表面植被覆盖率在80％以上，种植3个月后达到100％植被覆盖，期间没有发现烧苗或烧根现象，植被生长状态良好。

Claims (8)

1.一种用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，其特征在于：由以下重量份数的组分组成：碎石骨料100份、土壤5.0-8.0份、水泥10-12份、造纸黑液浓缩改性液5.0-8.0份、有机肥2.0-3.0份、水4.5-6.0份；

所述造纸黑液浓缩改性液是由以下方法制备的：将造纸黑液蒸发浓缩至固含量为35％-40％得造纸黑液浓缩液，加入质量浓度为30％-35％的甲醛溶液，搅拌混合后升温至80-85℃保温反应2-3h，后冷却至室温，再次蒸发浓缩至固含量为35％-40％，得造纸黑液浓缩改性液；其中，造纸黑液浓缩液与甲醛溶液的质量比为1:0.9-1.1。

2.根据权利要求1所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，其特征在于：所述碎石骨料为粒径范围为16-26mm的连续级配的碎石。

3.根据权利要求1所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，其特征在于：所述有机肥是由以下方法制备的：将农作物秸秆切成长度为3-5cm的小段，喷洒沼液，使秸秆含水量达到60％-70％，后加入EM菌剂，混合均匀后，进行堆肥腐熟，即得。

4.根据权利要求3所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，其特征在于：所述农作物秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆中的任意一种或组合。

5.根据权利要求3所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土，其特征在于：所述EM菌剂的用量为：每100kg农作物秸秆加入EM菌剂2.0-2.5kg。

6.一种如权利要求1所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)取配方量的土壤和造纸黑液浓缩改性液混合后，得胶凝混合物；

2)取配方量的碎石骨料，加入1/3-1/2配方量的水，搅拌使碎石骨料表面润湿后，加入1/3-1/2配方量的水泥，搅拌得预混料；

3)在步骤2)所得预混料中加入步骤1)所得胶凝混合物，搅拌过程中再加入剩余的水泥、水及配方量的有机肥，拌和，即得。

7.根据权利要求6所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，其特征在于：步骤2)中，加入水泥后，搅拌25-35s即得预混料。

8.根据权利要求6所述的用于公路边坡生态防护的多孔植被混凝土的制备方法，其特征在于：步骤3)中，拌和的时间为160-200s。