（工程力学专业论文）生态混凝土的研制力学实验与研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文研究的绿化生态混凝土是一种新型的多相复合材料，它是由膨胀珍珠 岩、生物有机肥、耕植土以水泥胶合而成的新材料。 首先。采用正交设计的方法完成了生态混凝土配合比的研制，优选了2 组8 种配合比，考察了水泥用量与膨胀珍珠岩含量对混凝土强度、容重、酸碱性、空 隙率等性能的影响。然后，在上海大学固体力学实验中心，用z w i c k r o e l lz 0 2 0 高低温材料试验机研究生态混凝土在常温、2 0 0 。c 、- - 2 0 。c 以及饱和条件下的 抗压强度；通过对不同配合比在不同龄期下强度的轴压试验测试，绘制出了强度 随龄期增长曲线：用z w i c k r o e l lz 0 1 0 双轴材料试验机测试生态混凝土在双向受 压条件下强度和破坏特征。通过实验观察到微裂纹的产生、宏观裂纹的形成、裂 纹趋向及不稳定发展等现象，以及它们与临界载荷、极限载荷之间的关系。通过 改变x 轴与y 轴的应力比值口，考察不同应力比对抗压强度的影响，绘制了双 向受压的强度包络线图。按照s a e n z 公式计算不同应力比a 时双轴受压的弹性模 量，给出了生态混凝土双轴受压的本构方程。 最后，按照本文研究的配合比设计方案，在屋顶试验绿化生态混凝土草坪， 种植了黑麦草、早熟禾、高羊茅3 种冷季型草种，并且探讨了绿化生态混凝土用 于护坡的边坡稳定性分析以及格构护坡锚杆的拉力计算。 关键词：生态混凝土配合比双向受压力学实验 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e c o l o g i c a lc o n c r e t ei san e wm u l t i p l ec o m p l e xm a m f i a l ，i ti sp m p a m db ye c s t a t i cp e a r l s t o n e ， b i o l o g i co r g a n i c - f e r t i l i z e r , s o i la n dc e m e n t e c o l o g i c a lc o n c r e t ei sp r e p a r e di nt h i sa r t i c l ea tf i r s t t h eb e s tt w og r o u p s 侣k i n d s ) w e r e c h o s e nt ot e s tt h e i ri n t e n s i t y , v o l u m ew e i g h t ，p hv a l u ea n dp o r o s i t y t h e nt h em e c h a n i c a l e x p e 血n c n l so fe cw e r ef i n i s h e di ns h a n g h a iu n i v e r s i t ys o l i dm e c h a n i c se x p e r i m e n tc e n t e r t h r o u g ht h ez w i c k r o e l lz 0 2 0m a t e r i a lm a c h i n et h ei n t e n s i t yo fe cu n d e rr o o mt e m p e r a t u r e ， 2 0 0 0 c 一2 0 。c a n ds a t u r a t e dc o n d i t i o n sw e r et e s t e d t h ei n t e n s i t yv a l u e so fd i f f e r e n tm i x t u r e r a t i o sd l l r i n gd i f f e r e n ts t a d i u m sw e r eg o ta n du s e dt op l o tt h ei n t e n s i t yc u r v ef o l l o w i n gt h e s t a d i u m s b yt h eu s eo fz w i c k r o e l lz o l ob i a x i a lm a c h i n et h ei n t e n s i t ya n db r o k e nc h a r a c t e r w e r er e s e a r c h e du n d e rb h x i a ls t r e s s t h e a p p e a r a n c eo fm i c m c r a c k t h ef o r m a t i o n o f m a c r o c r a c k ，t h et e n d e n c yo fc r a c k ，t h ei n s t a b l ep h e n o m e n aa n dt h e i rr e l a t i o n sw i t hu l t i m a t el o a d w e r eo b s e r v e d b yc h a n g i n gt h es t r e s sr a t i oo fxa x i sa n dya x i st h es t r e s sr a t i oi n f l u e n c eo n t h e i ri n t e n s i t yw e r es t u d i e da n dt h ee n v e l o p ew a s # o r a c c o r d i n gt ot h es a e n zf o r m u l a ，t h e y o u n g sm o d u l u so fe ci n d i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o nw a sc a l c u l a t e da n dt h e c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n sw e r eg i v e n h n a l l y , u s i n gt h em i x t u r er a t i od e s i g n e di n t h i sa r t i c l e ，t h r e ek i n d so fc o l d - s e a s o ng i a s s w e r ec h o s e nt ob ep l a n t e do ne cl a w na tt h eh o u s e t o p ，d i s c u s s i n gt h es t a b i l i t ya b o u ts l o p e p r o t e c t i o nu s e db ye c c a l c u l a t i n gt h ep o w e ro fa n c h o r - h o l d k e y w o r d s ：e c o l o g i c a lc o n c r e t e ，m i x t u r er a t i o b i a x i a lc o m p r e s s i o n ，m e c h a n i c a le x p e r i m e n t 上海大学硕上学位论丈 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型翘导师虢牲吼旦厶纽 上海大学硕士学位论文 i i 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市教委重点科研基金资助项目，编号：0 4 a b 0 5 。 1 2 研究的目的和意义 以砂石、水泥为胶凝材料的混凝土是当今最主要的建筑材料，它用于土木工 程为人类做出了巨大的贡献。然而同时它也给人类带来了巨大的灾难，凡是有混 凝土的地方便寸草不生，人们只能依靠栽种些盆景作为装饰和点缀，人类生活在 钢筋混凝土的丛林中，离大自然越来越远。 据了解，2 0 0 4 年，中国水泥产量达到9 7 亿吨，水泥生产消耗大量资源、能 源，排放出数亿吨的二氧化碳和粉尘，给生态环境带来了巨大的压力。据估计， 全世界每年共生产水泥2 0 亿吨，混凝土3 0 亿立方米，水泥生产消耗大量石灰石、 黏土以及煤等资源，而且每年共排放约2 0 亿吨的二氧化碳和2 亿吨的粉尘。开 发生态水泥和生态混凝土，循环利用废弃的水泥和混凝土材料，探寻生态环境和 混凝土技术相结合的新方向，已成为土木工程和环境工程科研工作者的共识。 日本混凝土工学协会1 9 9 5 年提出了生态混凝土( e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y c o n c r e t e ) 所谓生态混凝土是一类特种混凝土，具有特殊的结构和表面特性，能 减少环境负荷，与生态环境相协调，并能为环保做出贡献。 生态混凝土是能够适应植物生长、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人 类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。这类混凝土的研究与开发时间还不 长。生态混凝土的出现标志着人类在处理混凝土材料与环境的关系过程中采取了 更加积极、主动的态度。生态混凝士不仅仅是作为建筑材料为人类构筑所需要的 结构物或建筑物，而且它是与自然融合的，对自然环境和生态平衡具有积极保护 作用的材料。 生态混凝土可大量的用于城市休闲绿地，住宅小区的绿化，停车场，屋顶花 园等，大幅增加了城市的绿化面积，改善城市的生态环境。用于高速公路的护坡、 上海大学硕士学位论文 江河的护堤，既能固土又能改善生态环境。进一步开发，还可用于沙漠固沙，为 沙漠改造提供了新的途径。 1 3 生态混凝土的种类 1 3 1 透水性混凝土 与普通的水泥混凝土路面相比，透水性道路能够使雨水迅速地渗入地表，还 原成地下水，使地下水资源得到及时补充，保持土壤湿度，改善城市地表植物和 土壤微生物的生存条件；同时透水性路面具有较大的空隙率，与土壤相同，能蓄 积较多的热量，有利于调节城市空问的温度和湿度，消除热岛现象；当集中降雨 时，能够减轻排水设施的负担，防止路面积水和夜间反光，提高车辆、行人的通 行舒适性与安全性；大量的空隙能够吸收车辆行驶时产生的噪音，创造安静舒适 的交通环境。由于透水性路面有诸多优点，欧美和日本等发达国家已经广泛使用 这种路面材料将其用于公园、人行道、轻量级车道、停车场以及各种体育场地。 如日本1 9 9 8 年渗水路面的施工量达到了7 1 9 万m 2 ，占当年人行道和广场使用铺 设材料的8 0 以上。到目前为止，用于道路铺装和地面的透水性混凝土主要有 三种类型，分别是水泥透水性混凝土，高分子透水性混凝土，烧结透水性制品。 1 3 2 绿化混凝土 绿化混凝土是指能够适应绿色植物生长、进行绿色植被的混凝土及其制品。 绿化混凝土用于城市的道路两侧及中央隔离带，水边护坡、楼顶、停车场等部位， 可以增加城市的绿色空间，调节人们的生活情绪，同时能够吸收噪音和粉尘，对 城市气候的生态平衡也起到了积极作用，是与自然协调、具有环保意义的混凝土 材料。目前，绿化混凝土共开发了三种类型，孔洞型绿化混凝土块，多孔连续 型绿化混凝土，孔洞型多层结构绿化混凝土【”。 其他生态混凝土还有污水净化、降低噪音、防菌杀菌、阻挡电磁波以及海洋 适应性等，在此不作一一介绍，本文中所研究的主要是绿化生态混凝土。 上海大学硕士学位论文 1 4 国内外的研究状况 1 4 1 国内外关于生态混凝土研制 目前国内外部分单位和学者对生态混凝土开展了为数不多的项目研究。武汉 理工大学岩土与环境工程研究所朱瑞赓( 2 0 0 1 ) 【2 l 成功的研制出以无机非金属矿 为基材的z z l s 绿色生态材料，该材料是无毒无污染的生态环保材料，其强度可 调，可以使混凝土、岩石上等不能长草的地方都可以长草绿化，改善生态环境， 是护坡、防护工程等的好材料，而且可以使护坡、绿化两道工序一次完成，降低 综合造价：同济大学材料科学与工程学院陈志山【3 】( 2 0 0 1 ) 研究了用于水污染治 理的生态混凝土技术，即在混凝土中综合物理、化学、物理化学以及生化作用， 多层次反复的降解和消除污染物质的生态混凝土污水处理方法以及通过在生态 混凝土中掺加缓释性净水材料，提高了生态混凝土的净水效果和耐久性，在实验 室研究的基础上，进行了严重污染河道污水的就地净化现场试验，结果表明 c o d 、b o d 去除率超过5 0 ，t p 去除率超过7 0 ， i n 去除率达到2 0 ，此项技 术不仅开拓了混凝土材料的使用范围，也为解决水污染问题提供了新途径：南京 绿野环境科技有限公司与东南大学合作开发的生态混凝土球采用无砂大孔混凝 土、振动压制成型技术，球直径2 5 0 r a m ，空隙率2 5 一3 0 。制品抗压强度达 1 2 m p a 。应用时用钢筋或其它连接件将混凝土球块连接在一起f 平面连接1 6 个球 为1 m 2 ) 。当铺设于河( 湖) 道边做护坡时，球体的空隙中可寄生螺、水蚯蚓和水 生昆虫、浮游生物，球与球体之间的空隙水生植物可生长，水体的生态系统大为 改善1 4 1 。 在日本生态混凝土最早被用于植被护坡，1 9 5 8 年日本道路公团采用了京都 大学农学部的快速绿化工法对高速公路边坡进行绿化，此后于1 9 7 3 年开发出了 纤维土绿化工法( f i b e r - s o l i dg r e e n i n gm e t h o d ) 标志着岩体绿化工程的开始。由 于此工法在理化方面的缺陷，1 9 8 3 年以特殊的沥青乳剂为粘结材料，开发出了 高次团粒s f 绿化工法( s o l i df l o c kg r e e n i n gm e t h o d ) i s l ，1 9 8 7 年日本从法国引 进了连续纤维加筋工法，和其自生的绿化工法结合在一起开发出了连续纤维绿化 工法( t g 绿化工法1 。另外，为防止水流对河岸的冲刷并考虑环境的保护，日本 于1 9 9 5 年又丌始进行多孔混凝土的研究并取得一定成效，目前只是由于成本过 上海大学硕士学位论文 高( 2 万日元，m 2 ) 而没有得到广泛应用f 6 】。 1 ，4 2 混凝土材料本构模型的研究阴 1 ) 线弹性本构模型 线弹性本构模型是以弹性力学为基础的模型，当混凝土无裂缝时，将混凝土 看成线弹性匀质材料而采用线弹性本构模型。虽然混凝土的变形特性是非线性 的，但在一些特定的情况下( 比如描述混凝土受拉时的工作性能) ，采用线弹性 本构模型进行分析还是有足够的精度的。其线弹性本构关系可以用虎克定律来表 示：s - c 训。( 式中，c 秘为材料弹性常数，是四阶张量，共有8 1 个常数) a 按照材料假设的不同，又可分为各向异性本构模型，正交各向异性本构模型，各 向同性本构模型等，其中c 。根据材料的不同而变换。 非线弹性本构模型 非线弹性本构模型是根据混凝土多轴实验数据进行总结、归纳，经过回归分 析而得出的模型。因为这类模型形式简单，使用方便，而且经过实验证明是有足 够精度的，所以这类模型是在实际工程中应用最广泛的模型，非线弹性模型属于 经验型的模型，适用于混凝土单调加载和混凝士受压区非线性变形等情况，所以， 这种模型的参数是以实验数据为依据的。这种模型大体可分为两大类：一是全量 式的应力一应变关系，采用不断量化的割线模量的超弹性模型属于这一类；另一 类是增量式的应力一应变关系，采用不断变化的切线模量的次弹性模型属于这一 类【8 i 。 3 1 塑性理论本构模型 塑性理论本构模型是以塑性流动理论为基础，考虑混凝土加载路径和混凝土 的硬化而导出的本构模型，在混凝土的应力一应变全曲线中，有上升段和下降段。 自从d r u c k e r 公设出现之后，经典塑性力学得到飞速发展，混：疑土塑性力学模型 也是基于这些公设建立的。以塑性理论为基础的混凝土本构模型，在对其加载面， 包括初始屈服面，后续加载面和破坏包络面等特征面的研究中，这些特征面若以 应力空间来表示时，当应力达到屈服后，材料发生应力松弛：若以应变空间表示 时，当应变达到松弛面后，材料发生应力松弛。基于应力状态屈服面或破坏包络 面的塑性理论类型的本构模型有弹性一全塑性模型、线弹性一硬化塑性一断裂模 上海大学硕士学位论文 型等：基于松弛面的塑性理论类型的本构模型有塑性模型、塑性断裂模型、硬化 断裂模型等。所有这些模型所做的假设与混凝土的实际性能还存在很大的差别， 而且模型的表达式和计算均较复杂，目前还不便于应用【9 】。 4 1 内时理论模型 内时理论模型最初由v a l a n i s l l 0 】于1 9 7 1 年提出，其基本概念为：塑性和粘塑 性材料内任一点的现时应力状态是该点整个变形领域内和温度历史的泛函，而特 别重要的是该历史是用一个取决于变形中的材料特性和变形程度的内时 f i n t r i n s i c t i m e ) 来量度的。这种模型采用了非弹性应变能逐渐积累的方法而不需考 虑塑性理论中的屈服面和流动法则，所以该理论尤其适合没有屈服面的混凝土材 料。由于内时理论能描述混凝土的复杂变形的历史，因而为各国学者所重视。但 由于表达式过多，确定参数又不容易，所以对其推广和应用仍需做许多工作。 不同类别的混凝土本构模型的理论基础，观点和方法迥异，表达形式和繁简 程度相差很大，计算结果和适用范围各有区别。至今还没有，今后也不大可能确 立一个公认的唯一混凝土本构模型。只能根据结构工程或分析对象的受力特点、 应力范围和计算精度的要求等加以适当选择。 1 5 多轴应力下混凝土的实验介绍 因为混凝土结构的很多问题可以简化成平面问题来处理，因而很有必要研究 混凝土在双轴受力情况下的性能，由于双向拉压计算相当复杂，因而多方寻求 “双向拉压实验”。 国外一些国家从2 0 世纪6 0 年代开始研制多轴加载设备【1 1 】。我国水利部水电 科学研究院【1 2 1 、清华大学1 13 1 、大连理工大学【1 4 】从8 0 年代开始研制混凝土多轴应 力装置，并收到了较好的效果。复杂应力状态下，混凝土强度的变形和强度实验 结果的准确性，主要取决于实验装置的加载系统及荷载和变形量测系统的可靠 性。在进行复杂应力状态下混凝土的变形和强度实验前首先必须选择合适的实验 装置，并了解它的组成，各组成部分的特性、荷载和变形标定结果及详细的实验 过程及要求，只有这样，才能取得可靠的实验结果，否则花费了大量的资金，动 用了大量的人力、物力，占用很长的时问，却得不到满意的实验结果。 传统的双向拉压实验以变相的方式求模拟双向实验，如冲模式双向拉压实 上海大学硕士学位论文 验、薄膜凸张双向拉压实验、用压力容器做双向拉压实验等。而十字型双向拉压 实验能直观反映试件的双向受力状态，是目前最可靠的一种方法。 按加压的原理实验机主要有“液压式”和“机械式”两大类。 液压式双向拉伸实验机的优点是加载力比较大，如日本的双轴全自动疲劳实 验机，其加载能力：静载最大2 5 t ，动载 最大2 0 r 。它的局限性是：液压法要控制 两向各自的精度是好的，但要控制平行异 向两边的拉力相等却是很困难的。特别是 对于小吨位的仪器，相对误差会更大。 机械式双向拉伸实验仪，由于薄板的 使用范围越来越广，而薄板所需的吨位较 小，加上传感器精度越来越高，因此机械 式双向拉伸实验仪大有发展的优势。图1 1 是华南理工大学李冈陵教授研制的机械式 双向拉伸实验仪【1 5 】。 按机架种类不同可以分为：整体式和 分离式。 6 0 年代初，埃森的k r u p p , _ 用建筑公 司研制出来的三轴实验装置的机架就是焊 接成整体的结构( 图1 2 ) 。这种装置的三 个轴是刚性连接的。由于应用刚性机架， 所以在实验中，试件被挤到一个角里，当 变形增大时试件受到不对称的应力增大。 因为轴是相互固定死的，变形得不到补偿， 图1 - 1 机械式双向拉伸实验仪 图1 - 2 通用建筑公司三轴实验机 这种机械限制在机械中产生强制应力，使实测荷载不能真实的代表试件的破坏荷 载。 6 0 年代末慕尼黑工业大学工程研究所制成了一种由两个预应力混凝土框架 组成的实验装置( 图1 3 ) 。其中一个框架以弹性的方式悬挂在另一个框架上，这 样就排除了两个轴方向的相互影响，减小了在试件中产生的不对称力。在此基础 上海大学硕士学位论文 上德国联邦材料检验局又研制了一种三个独立的互不相连的机架( 图1 4 ) ，分离 式机架装置使得各轴之间的结构简单，并易于安装和调整，量测装置也易于布置， 所以近年来研制的三轴实验机多为分离式机构。 图1 - 3 预应力混凝土图1 4 三轴独立分离实验机 框架实验机 1 6 本论文的研究工作 本论文所研究的生态混凝土主要是归属于绿化生态混凝土，它以轻质多孔岩 石、生物有机肥料、耕植土等为原料，用水泥胶凝材料胶结而成，论文从生态混 凝土的配合比着手，实验、计算以及理论分析了4 个方面的问题： 1 利用正交设计的方法，选择原材料，尝试生态混凝土的不同配合比以及制作 过程。 2 通过一系列实验，研究生态混凝土在高低温和常温下抗压强度，并利用精密 的双向拉压机，实验研究其双向受力情况下的力学性能。 3 以实验结果为依据，结合普通混凝土的本构方程提出生态混凝土的本构关系。 4 最后，探讨生态混凝土在工程上的应用，主要考虑生态混凝土在屋顶花园和 护坡方面的应用。 上海大学硕士学位论文 第二章生态混凝土的研制 利用正交的方法，选择骨料安排实验，在对实验数据资料分析的基础上优选 出两组( 8 种) 较好的配合比设计，制成4 4 2 块试件，用于考察水泥用量和膨胀 珍珠岩的含量对生态混凝土强度、容重、酸碱性、空隙率以及对植被生长情况的 影响。 2 1 正交实验法 在实验过程中，为了改进旧工艺或试验新产品，经常需要做许多因素的实验， 如何安排多因素试验是一个很值得研究的问题，试验安排的好既可以减少实验的 次数、缩短时间和避免盲目性，又能得到好的结果：实验安排的不好，试验次数 既多，结果还不一定满意，“正交实验法”是研究与处理多因素试验的一种科学 方法，它在实际经验与理论认识的基础上，利用一种排列整齐的规格化表一正 交表”，来安排试验。由于正交表具有“均衡分散”的特点，能在考察范围内， 选出代表性强的少数几种实验条件，做到均衡抽样的结果。由于是均衡抽样，能 够通过次数少的试验，找到较好的生产条件，即最优或较优的方案。 正交试验法( 又称正交设计法、正交法) 在国外已得到广泛的应用，特别是 在日本，对经济发展起了很重要的作用。在我国，正交法的理论工作有了进展， 应用效率有了提高，但在应用规模上，比之国外还有不小的差距。 本次实验中采用l 。( 3 4 ) 正交表1 1 6 】，粗略的考察各因素对生态混凝土的影响， l 。( 3 4 ) 中，4 表示有四种水平因素，3 表示每一种水平因素受影响的程度等级，9 表示一共有9 组实验。在对实验结果有了初步了解之后再细分各因素的程度，可 以采用变动其中某一因素，固定其他因素的方法考察此因素的影响力。 2 2 土、普通混凝土、生态混凝土 土壤由固体矿物、液体水和空气三部分组成，土中颗粒之间的联结强度，远 小于颗粒本身的强度：土中固体颗粒之间存在人量孔隙，为水和空气所充填，所 上海大学硕士学位论文 以土具有碎散性、压缩性、固体颗粒之间相对移动性和透水性等性能。良好的土 壤在生产上有很多作用。一是解决了水分与空气的矛盾，团粒问大孔隙雨天渗水， 雨后充满空气，而团粒内部的毛管孔隙保存水。因此土壤透气透水，爽水保湿， 雨天不积水，晴天不板结。二是有利于土壤养分的保蓄与释放。在团粒间，微生 物进行好气活动，不断分解养分供应植物吸收，在团粒内部保持嫌气活动，有利 于养分积累。三是有良好的耕性，单粒结成团粒、土粒接触面积减少，湿不粘， 干不硬，土壤疏松，有利于种子发芽和植物扎根生长。但是土壤强度低，浸水后 易软化流失。 混凝土是最常见的建筑材料，它是以水泥胶凝砂石的致密实体，普通混凝土 的比重为2 2 0 0 k g m 3 ，空隙率在4 左右。而且水泥在水化过程中释放大量c a 离 子，所以混凝土的碱性很强，对于植被来说，由于这种种不利因素，因此普通的 混凝土上是无法生长植被的。 已有文献报道的绿化混凝土大部分由下列几部分组成：作为主体的植被，承 载被面、被床、床絮和床基【1 7 l 【1 8 l 。所谓被面，即为混凝土表面上的一层薄栽培 介质( 1 0 2 5 m m ) ，由草炭土与普通土按比例拌和而成，营养素与施播的种子置 于此介质中，成为利于植物种子萌芽生长的初始环境。作为花草载体的被床，为 一种既具有一定的强度又有利于花草生长条件的特殊大孔蓄容混凝土，厚约 l o o m m ，空隙率达2 5 - - ：3 3 。所谓床絮，即为大孔混凝土( 被床) 空隙中的填 充物，充填率为空隙率的3 3 6 6 ，由草炭土构成，蓄容水分和养料利于苗根 须通过并扎根至基床。所谓基床，即为混凝土底下适于植物生长的土壤。需要深 度约3 0 0 m m 以上，可预置缓效性肥料，利于植物根系的长期生长。由于这种绿 化混凝土是将种子放在表层客土内进行播种，然后其根穿过混凝土伸入土壤中。 这样植物的耐践踏性、耐冲刷性、抗冻性以及吸收营养都会在较长时期内受到限 制。本项目拟研制一种将种子直接置于混凝土空隙中进行培育的绿化混凝土，从 而提高其耐践踏、耐冲刷、耐冻等性能。 表2 - 1 普通混凝土与适合植物生长的土壤的成分比较 上海大学硕士学位论文 由表2 - 1 可知，要想让植物能在混凝土中生长，绿化混凝土应解决以下4 个 方面的基本问题：1 要创造植物生长和发芽所需的空间；2 使混凝土具有植物生 长所需的保水空隙、保水功能和排水机构；3 引入植物生长所需的肥料；4 降低 混凝土的碱性，使之达到适宜植物生长的水平。 生态混凝土是一种性能介于普通混凝土和耕植土之间的新型材料，它以轻质 多孔岩石、生物有机肥料、耕植土等为原料，用水泥胶凝材料胶结而成。生态混 凝土具有一定的强度，质量相对较小、自重轻，能形成一个个“蜂窝状”孔隙， 既利于植被根系生长，又能为植被生长所需的养分提供存储空间。 2 3 原材料的选择 2 3 1 水泥 本次实验采用的是上海海螺水泥厂生产的海螺牌4 2 5 波特兰水泥，其细度及 相关指标如表2 - 2 所示。 表2 - 2 水泥细度及相关指标 海螺牌4 2 5 波特兰水泥的力学指标如表2 3 所示 表2 - 3 水泥力学性能指标 力学强度国家标准实验值 3 抗折 平均值：6 1 天 强度 3 5 6 16 o6 - 3 强 平均值：3 1 3 度 抗压 强度 3 1 3 3 1 63 1 9 3 0 9 3 1 93 0 0 2 8抗折 平均值：9 2 天强度 6 0 9 29 2 9 3 强 平均值：5 5 3 度 抗压 强度 5 6 35 4 45 5 0 5 5 65 5 05 5 6 1 0 上海大学硕士学位论文 2 3 2 轻骨料 本方案选用的混凝土轻骨料是一种叫膨胀珍珠岩的无机非金属材料，它是一 种轻质多孔岩石，矿物主要成分由一种灰色火山岩( 硅铝酸盐) 构成。是一种封 闭的轻质固体，密度小，为o 0 3 o 1 6 9 c m 3 ，空踪率约为9 3 ，其中空气容积 约为5 3 ，持水容积约为4 0 ，具有白色、美观、轻质、无味、无毒、不易碎 又便于清洗等优点。该岩石的p h 值为7 0 7 5 ，所含成分多数不能被植物吸收 利用。作为基材它的优点是易于排水、易于通气，物理和化学性质比较稳定，吸 水能力强，是一种良好的保肥、固水材料9 1 。图2 1 为该材料的微观照片f 2 0 1 。表 2 - 4 所示为轻质多孔岩石的主要化学成分。 图2 - 1 轻质多孔岩石微观图 表2 - 4 轻质岩石化学成分 2 3 3 生物有机肥 生物有机肥料是以锯末、草碳、和其弛复合有机肥料等按一定比例组合而成 的轻质基材。它是植物生长所需养料的主要来源之一，能够持久、充足的为植物 提供生长所需的各种营养。同时它又有利于在生态混凝土中形成孔隙，提供植物 生长的空问。本次实验用的生物有机肥有机质含量为4 5 5 0 ，氮含量2 o ， 上海大学硕士学位论文 磷含量2 0 ，钾含量2 o 。 2 3 4 其他材料 除上述三种主要原材料外，生态混凝土中的另一个重要成分就是耕植土，耕 植土是植物生长的天然基材，耕植土具有良好的保肥、固水性能，同时能给植物 生长提供必要的养分。纯粹的土壤容重大，干燥时易开裂，浸水后又变得疏松， 容易流失，强度很低，但一定量的耕土却可以改善生态混凝土的性质，使其更适 合植被的生长，并且土壤本身也具有一定的粘性，可以胶结其他材料，适量的土 壤还可以避免由于其他基材过于轻质而导致固定植株较差的不利影响。此外根据 配比的不同生态混凝土中还需添加稳定剂和保水剂，以满足不同的需要。 2 4 配合比设计 2 4 1 实验方案拟定 生态混凝土的组成设计，应同时满足空隙率、酸碱性及强度三方面的要求【2 1 】。 采用正交设计方法，选取的因素包括水泥含量、骨料品种和含量、有机肥料 品种、轻骨料品种、耕土用量、外加剂品种和水胶比等。见表2 5 正交因素和水 平表。 表2 - 5 正交因素和水平 枰水泥羔有机肥料嚣耕土嚣慧 水平 水泥轻骨料有机肥料 。品种 耕土 水胶比 品种品种 l6 o 8 5 轻骨料a踮2 1 0 ：1甲3 2 5 28 1 2 l o 轻骨料b8 0 8 3 1 0 l 6 1 5 轻骨料c 7 34 1 4 ：1乙4 2 5 41 2 2 0 2 0 轻骨科d6 6 0 2 4 2 配合比优化确定 通过对水泥、轻质多孔岩石、有机肥料含量等成份影响因素进行j 下交实验 初步确定配合比。在已研制出来的生态混凝土配合比基础上，通过调节各种因素 进一步研究各因素对生态混凝土的影响，选择比较合理的两组生态混凝土配合 上海大学硕士学位论文 比，作为i 、i i 实验的基准混凝土。把轻质多孔岩石、耕植土、有机肥和水泥按 i 、i i 两组比例成分，设计8 种配合比，分别考察水泥用量和轻质多孔岩石的含 量对生态混凝土强度、容重、酸碱性、空隙率以及对植被生长情况的影响。设计 两组生态混凝土的配合比，分别如表2 - 6 和表2 7 所示。由于耕土吸水性强，因 此水胶比相对较高，需视耕土干湿而定。 表2 6 生态混凝土配合比( i ) 上海大学硕士学位论文 第三章生态混凝土特点与力学实验 作为工程力学研究的方法，实验是重要手段之一。本课题利用上海大学固体 力学实验中心的z w i c k r o e l l7 - - 0 2 0 和z w i c k r o e l lz 0 1 0 分别进行生态混凝土 2 0 。c 、2 0 0 0 c 的高低温抗压实验和双向应下的压缩实验，与普通压缩实验比较， 考察不同条件下的生态混凝土抗压特点。 3 1 高低温压缩实验 3 1 1 仪器简介 z w i c k r o e l lz 0 2 0 高低温拉压材料实验机分为主机和温箱两部分，主机通过 更换夹具可做拉伸和压缩实验，其测量范围在2 0 2 0 k n ，误差小于0 2 ，夹头 跟气泵相连，可自动调节松紧。温箱通过轨道可进出主机之间，在推入主机后合 上密闭门就形成了一个实验腔，试件在实验腔中完成拉压过程。温箱通过鼓风机 给实验腔加热，利用液氮制冷实验腔。实验腔内的温度可控制在5 0 0 c 至2 0 0 。c 之间。图3 - 1 和3 2 是z w i c k r o e l lz 0 2 0 高低温拉压机的实物照片。 图3 iz w i c k r o e l iz 0 2 0 高低温拉压机 图3 - 2 实验腔 上海大学硕士学位论文 3 1 2 各配合比在不同状态下的抗压强度 混凝土的抗压强度是它的主要力学性能指标，对于生态混凝土而言也是如 此，生态混凝土的抗压强度取决于配合比中各项要素的含量与性能以及压缩的条 件。 混凝土在遭受高温后会引起物理变化，包括由于热膨胀、热收缩以及与失水 相联系的蠕变所引起的一系列较大的体积变化，这些变化可引起较大的内应为并 导致微裂缝和断裂。此外高温也会引起混凝土化学和微结构的变化，如水分的迁 移、水化物的脱水、界面的弱化以及坚硬的水泥浆体和骨料的化学分解。通常这 些变化都将引起混凝土性能的降低 z 2 1 1 矧。因此对生态混凝土在高温条件下的抗 压强度实验是很有必要的。 在寒冷地区，混凝土受冻融循环作用往往是导致混凝土劣化的主要因素【2 4 】。 抗冻性可间接地反映混凝土抵抗环境水侵入和抵抗冰晶压力的能力【2 5 l 【2 6 1 。因而 各国也都非常重视抗冻性的研究，本次实验将生态混凝土置于低温条件下压缩， 考察温度对它强度的影响。 生态混凝土区别于普通混凝土的最大特点是它可以适合植物生长，它的内部 的空隙要比普通混凝土大很多，用于储存水分和养分满足植被生长。因此考察生 态混凝土处于饱和状态下的抗压强度也有很重要的现实意义。 经过2 8 天标准养护后，实验按配合比的不同，对a 、b 、c 、d 四组试件分 别进行常温( + 2 5 。c ) 、2 0 0o c 、- - 2 0 。c 以及饱和条件下的压缩实验。 试件的尺寸：1 1 0 由1 0 5 m m ，加载速度：2 m m m i n ，在正式加载前先欲加载 5 n ，以略去加载曲线最初不稳定的阶段。 0 5 04 n l0 3 芝 r0 2 毯 0 1 0 0 1o123456 7 应变 图3 - 3 配合比ao e 曲线 n e e z i 盏 1o123 4 5 6 7 891 0 1 11 2 应变 1 j 图3 4 配合比bo 一曲线 6 5 4 3 2 1 0 0 o 0 0 0 0 0 上海大学硕士学位论文 0 8 0 7 0 6 e0 5 薹0 4 穴0 3 毯0 2 0 1 0 o - 0 1 101234567 应变 图3 5 配合比co 一曲线 1 0 0 8 n l0 6 芝 r0 4 毯 0 2 0 0 - 1 01234 56789 应变 图3 - 6 配合比d o c 曲线 随着实验的进行，z w i c k r o e l lz 0 2 0 实验机自动采集数据，根据加载时间的 长短不同采集的数据点也不同，本此实验在每个试件压缩过程中分别采集了 3 0 0 0 - 7 0 0 0 个不等的数据点，这些数据点足以精确的绘制出压缩过程中生态混凝 土的应力一应变全曲线。以上四组曲线分别是配合比为a 、b 、c 、d 的试件在 常温、2 0 0 。c 、一2 0 。c 以及饱和条件下的应力一应变曲线。由图3 3 至3 6 可见， 在应力达到峰值之前，应变随应力线性递增，应力到达峰值之后，应力随变形增 大而降低，当结构性完全破坏后到达残余应力状态，峰值与残余应力的大小均与 水泥用量和压缩条件有关。 生态混凝土试件破坏前、后照片下图所示： 破坏前破坏后 上海大学硕士学位论文 图3 _ 3 至图3 - 6 中每一条曲线代表了一个试件的压缩过程，为了保证数据的 可靠性，实验对每组配合比在4 种条件下的强度分别进行了3 次相同的实验，再 取他们的算术平均值。实验机自动记录抗压强度最大值，表3 - 1 所列为各个试件 在不同条件下的极限抗压强度。 表3 - 1 各个试件抗压强度 试件号 配台八 1 号2 号3 号平均值 a0 4 5 30 4 6 70 4 4 2 0 4 5 4 常b0 5 3 00 5 1 40 5 4 0 0 5 2 8 温 c o 6 6 90 6 8 50 6 5 6o 6 7 0 d0 8 9 60 8 9 4 0 8 7 10 8 8 7 a0 4 1 20 4 2 00 3 9 5 0 4 0 9 高 b0 4 8 70 4 3 10 4 3 8 0 4 5 2 温 c 0 5 7 8o 5 5 60 5 5 20 5 6 2 d0 7 4 2 0 7 4 90 7 6 2o 7 5 1 a0 5 0 40 4 8 30 4 7 4 0 4 8 7 低b0 5 5 50 5 7 40 5 8 1 0 5 7 0 温 c 0 7 5 70 7 3 90 7 3 30 7 4 3 do 9 7 20 9 6 0 1 0 0 50 9 7 9 a0 1 6 70 1 5 30 1 5 3 0 1 5 7 饱bo 2 1 40 2 2 20 2 1 5 0 2 1 7 和 c 0 2 9 80 3 0 10 3 0 40 3 0 1 d0 5 3 1 0 5 2 60 5 1 20 5 2 3 表3 2 所列是a 、b 、c 、d 四组配合比试件抗压强度平均值和它们的物理参数： 表3 2a 、b 、c 、d 各配合比平均抗压强度及物理参数 试件号 常温，c 2 0 0 0 cf ： - 2 0 。c l 饱和，c密度饱和密度 空隙率p h 值 a0 4 5 40 4 0 9 0 4 8 70 1 5 70 9 91 3 6 4 5 7 4 b0 5 2 80 4 5 20 5 7 0 o 2 1 70 9 81 3 34 3 7 7 c0 6 7 00 5 6 20 7 4 30 3 0 11 0 01 2 9 4 1 8 0 d0 8 8 70 7 5 l0 9 7 9 0 5 2 31 0 11 3 64 1 8 3 上海大学硕士学位论文 以每立方米水泥用量为横坐标，抗压强度为纵坐标，得到不同配合比生态混 凝土在高低温及饱和情况下的曲线如图3 7 。 1 0 0 9 、j 0 8 垂o 7 芝0 6 赵0 5 鬻0 4 蜜0 3 o - 2 0 1 4 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 水泥用量k g m 3 图3 7 水泥用量在不同条件下的抗压强度关系 横向观察图3 7 可以知道随着水泥用量的增加，试件的抗压强度也越大，并 且这种变化关系是一种非线性的增长。纵向观察此图可以发现高温降低生态混凝 土的强度，这与普通混凝土高温性能降低是一致的。但负温却增加了生态混凝土 的强度，这与普通的混凝土负温下强度降低正相反，这是由于普通混凝土比较致 密，含水量少，而且粗骨料的强度远远大于冰晶的强度，冰晶压力只会使混凝土 强度降低。而生态混凝土空隙率较大，含水量也多，自身强度低，低温使混凝土 中的水分结晶，加强了各相的粘结力，因此强度反而增加了。此外，从实验结果 可以看出，饱和情况下生态混凝土的强度最低，根据水泥用量的不同，强度下降 4 0 7 5 。 同时对另一组配合比e 、f 、g 、h 也做了常温下的单轴抗压实验，以比较 当水泥用量相同时珍珠岩含量对生态混；疑土强度的影响，实验结果见图3 8 。 上海大学硕士学位论文 文0 5 0 毯0 4 8 0 4 6 3 03 54 04 55 05 56 0 珍珠岩含量体积 图3 - 8 膨胀珍珠岩含量与抗压强度的关系 从图中可以发现，珍珠岩含量对强度有影响，但影响不大，随着所占体积比 重的增加，生态混凝土强度略有提高。 3 1 3 各配合比在不同龄期下的抗压强度 水泥的水化是一个持续而缓慢的过程，为使今后生态混凝土能应用于工程实 践并得到大面积推广，有必要考察不同配合比的生态混凝土在各龄期的抗压强 度。把制成的生态混凝土试件放在室内养护( 平均温度2 5 。c ) ，经过3 、7 、1 4 、 2 8 、6 0 、9 0 、1 2 0 天脱模取出试件在实验机上做压缩实验，实验机自动读取抗压 强度的最大值，如表3 3 所示： 表3 - 3 各配合比在不同龄期下的抗压强度 配合比abcdefgh 30 1 5 80 1 8 00 1 7 70 2 6 9 o 1 6 5 0 1 7 70 1 8 0 0 1 6 9 7 0 2 9 50 3 2 20 3 4 60 ，4 2 3 0 2 9 0 0 3 1 10 3 2 20 3 3 8 1 40 _ 3 7 00 3 9 90 4 9 6 0 6 7 80 3 5 50 3 7 60 3 9 9 0 3 8 7 2 80 4 5 40 5 2 80 6 7 00 8 8 7 0 4 6 2 90 4 8 70 5 2 8 05 5 0 6 00 4 8 90 5 7 50 7 2 30 9 5 00 5 3 10 5 5 30 5 7 50 6 2 3 9 00 4 9 70 5 9 50 7 3 20 9 7 10 5 6 3 0 5 8 90 5 9 5 0 6 1 8 1 2 00 5 0 40 6 0 20 7 1 40 9 8 3 0 5 7 00 6 0 60 6 0 2 0 6 1 5 6 4 2 5 5 5 0 0 o o e e 、z c 上海丈学硕士学位论文 1 o o 9 0 8 “ e0 7 芝e 0 6 氓o 5 趟0 4 0 3 0 2 o 7 0 6 刊0 5 e 乓o 4 z r o 3 翅0 2 0 1 o2 04 06 08 01 0 01 2 0 龄期天 图3 - 9 a 、b 、c 、d 在不同龄期下的抗压强度 o2 04 06 0 8 01 0 01 2 0 龄期天 图3 1 0e 、f 、g 、h 在不同龄期下的抗压强度 上海大学硕士学位论文 绘制生态混凝土强度一龄期曲线( 图3 - 9 ，图3 - 1 0