生态混凝土护坡技术

新型边坡生态防护、植生技术日本JCK株式会社北京特希达新材料有限公司杨才千吴智仁1报告内容边坡防护技术概述新型现浇透水·植生生态混凝土边坡保护、植生技术W-OH边坡保护、植生技术

2护坡、植生技术设计流程开始边坡结构稳定与否Yes植生与否植生与否NoYesNoYesNo结构稳定工程1）框架+锚固+砂浆2）框架+砂浆3）混凝土+砂浆4）预制混凝土块等植生群落设计确保设施安全工程抛石护坡法1）贴草皮2）植生垫及植生布3）厚层客土喷施法4）种子+客土喷施纤维基材植生法生物植生袋法植生群落设计结构稳定工程+植生工程++边坡稳定工程+植生工程只有边坡稳定工程锚杆+混凝土喷浆3国内外边坡治理主要技术被动式现场浇筑混凝土铺设石块或石板钢混框架+砂浆混凝土栅栏金属塑网、碎石堆积锚杆+砂浆挡土墙、扛滑桩等

主动式绿化植生技术（W-OH植生技术、客土喷施、植生垫以及植生带等方法）上述固定技术+植生技术透水﹒植生生态混凝土技术等4一、生态混凝土国内外研究现状二、SR-3/SR-4材料及现浇透水·植生生态混凝土性能特征三、透水及植生护坡原理四、基于SR-3/SR-4现浇透水·植生生态混凝土的边坡保护、植生技术五、所取得成果及其效应透水·植生生态混凝土的护坡植生技术5一、概念及国内外发展现状概念：通过材料筛选，采用特殊工艺制造的具有特殊结构与表面特性的，能减少环境负荷，与生态环境相协调，并能为环保做出贡献的混凝土。（1995年日本混凝土协会）英国19世纪50年代初，起初在无细骨料的情况下制成了多孔混凝土；1965年前后，传到北欧等寒冷地区国家，用于绝热保暖；国内外发展现状在美国，关于透水性混凝土的研究始于1956年。日本发展现状上世纪80年代，日本少数私营企业开始研发并应用生态混凝土（亚洲产业株式会社、小泽混凝土工业株式会社等）；61995年，日本混凝土工学协会提出了生态混凝土的概念，并设立了生态混凝土研究委员会；2001年，出版《多孔性混凝土河川护岸方法的手册》，主要用于河道、蓄水池斜面边坡的生态治理；2001年，同年成立了名为“关于确立多孔性混凝土的设计及施工方法的研究委员会”。中国的研究发展现状研究起步较晚，但近年来，国家逐渐重视生态材料、技术方面的研究，启动了863计划，投入大量的资金，在8个基地进行开发研究。如，国家863“十五”重大科技专项“镇江城市水环境质量改善与生态修复技术研究与示范”。JCK株式会社与国内清华大学、东南大学、青海大学等院校、科研机构，建立了长期稳定、紧密协作的合作关系；并与北京特希达新材料有限公司共同成立合资公司致力于将国际领先水平的新型现浇透水·植生生态混凝土技术在中国应用和推广。7

传统被动护坡技术示意图

砌块或混凝土碎石反滤层传统护坡技术传统护坡技术的不足1）被动防护，堤体与外部处于物质、能量的隔离状态，内部不稳定；2）需铺设反滤层，施工麻烦；3）坝体与保护层协调变形能力差，故抗震动能力差，耐久性能不好。4）无环境、生态和景观附加功能等。8二、现浇透水・植生生态混凝土护坡原理透水生态混凝土透水生态混凝土护坡法混凝土的碱性降低土中小动物低成本的自然填充土陆生昆虫植生生态混凝土护坡法透水·植生生态护坡技术的优点1）主动防护，水及空气等可在堤体与外部自由流通，处于动态平衡状态；2）无需反滤层，可现浇施工，施工性良好；3）坝体与保护层协调变形性能好，故抗震动能力好，抗冻融性好，耐久性好；4）具有植生性能，改善生态环境和景观，可实现可持续性长期生态护坡；5）消波和吸附噪音及有害气体等附加功能等。9与普通混凝土的护坡效果比较比较因素现浇透水·植生生态混凝土普通混凝土（现浇）透水性①具有良好的透水性，可实现自由排水，故堤体及坡面都具有高度的安全性；②连续孔隙可设计性强，反滤效果很好，不会发生管涌及土沙等颗粒流失现象。①不具备透水性，其排水只能通过排水孔来实现；②无反滤性能，混凝土与被保护体之间的界面必须设置防止土质细颗粒流出的材料。消波、抗震性能①生态混凝土具有犹如米花糖状的表面，其消波效果好；②生态混凝土与堤体相容性及具有多孔性等特点，对地震时的变形适应性强。①施工面平滑，无消波效果，波浪上扬厉害；②与堤体的刚度差别甚大，地震时由于两者动态特性不同而导致变形过大而断裂。抗洗掘、流失性能由于自身的过滤效果和消波效果，对洗掘，流失具有高抵抗性能。使用排水孔等方法，易造成流线集中且流速较快，土粒子流失较严重。景观性能在生态混凝土上实现植生绿化，不仅改善景观，又能进一步加强坡面的稳固。景观型一般较差。生态亲和性能及特征其最大优点是具有良好的生态和环境亲和性能：内部的连续孔隙可使水、空气等自由渗透，为动植物及微生物提供栖息和活动空间，而且还可有效地提高水质的自然净化能力。无生态亲和性能及特征。10三、SR-3/SR-4现浇透水·植生生态护坡技术介绍类别SR-3（透水）SR-4（植生）外观棕褐色悬浊液棕黄色悬浊液主要成分碳酸钙、硅石粉、机能性无机盐及木质素磺酸・羟基羧酸组成的复合物碳酸钙、硅石粉、机能性无机盐及改性聚羧酸组成的复合物固含量40~46%42~48%pH4.5±0.53.5±0.5比重1.28±0.021.30±0.02SR-3/SR-4材料性能11SR-3/SR-4主要成分的功效SR-3/SR-4成分1成分2成分3成分4促进水泥的水合反应，提高混凝土早期强度，确保孔隙均匀和控制孔径大小。增加水合物与骨料的附着能力，增强骨料间粘结层的强度，提高了耐久性。在骨料表面形成致密的保护层，提高抗化学的侵蚀能力，同时防止Ca(OH)2的溶出，改善了生态混凝土的环境亲和性。促进植物的光合作用，便于动植物及微生物栖息，提高了和生物共生能力，有效促进水质的自然净化作用。提高了力学、耐久性等结构性能改善了生态亲和性和环境协调性12现浇透水·植生生态混凝土性能特征生态特性：可实现植生绿化、生物共存、水质净化等功能；施工特性：施工性能良好，凝固时间快，保水性能良好，适宜现场浇筑；力学特性：抗压、抗弯强度大，与普通混凝土相当；其他特性：耐久性、耐化学侵（腐）蚀性能良好。结构特性：具有大量连通的孔隙，且孔隙率、孔径分布可控性好；13现浇生态混凝土与同类产品的性能比较对比试验配方表配方粗骨料细骨料普通水泥SR-3/SR-4高效减水剂水实施方案(一)58~70%12~20%12~15%0.2~0.4%无3.5~4.5%实施方案(二)72~81%4.5~12%8.5~12.5%0.2~0.4%无2.5~3.5%比较方案74～81%无16～22%无0.1~0.3%2.5~4.0%14各指标比较结果汇总表测定指标比较方案实施方案(一)实施方案(二)普通混凝土抗压强度(28d)10~15MPa15~25MPa10~25MPa18~30MPa冻融试验30次循环以下80次循环以上80次循环以上60-150次循环透水系数(定水位法)5.0cm/s以上0.1cm/s以上0.1cm/s以上1.0×10-9～5.0×10-7cm/s反滤作用反滤效果差反滤效果显著反滤效果显著不存在此功能空隙率25%以上20±5%25±5%3％~4％单位容重1.8t/m32.0±0.2t/m31.8±0.2t/m32.3t/m3养护条件蒸汽养护自然养护自然养护养护箱养护15新型现浇透水·植生生态混凝土施工程序整理施工面、框架内清扫SR-3/SR-4现场加入高速搅拌3-4分钟浇筑生态混凝土混凝土体初加工、表面精加工最后整理第一次搅拌混凝土搅拌车运输或现场搅拌16施工方面的优势(与普通生态混凝土比较）适合斜面现浇施工适合现浇和各种施工作业面，包括平面和斜面等；施工简便，不需机械碾压设备新型现浇透水·植生生态混凝土工艺简单，在现场完成搅拌后由普通施工人员用普通工具在各种各样的施工面敷料涂抹即可强度发展快：4小时可达5MPa；工艺控制简单水灰比误差控制在±3%时，其结构和各项性能指标不受影响；受气候、温度等影响小，可在-15℃以上施工；自然养护。17四典型的应用领域及示例大型水库堤坝的防护与治理河道周边生态环境治理及防护湖泊、蓄水池的生态环境保护道路边坡的生态治理与防护其他一些应用（人行道、停车场等）18示例1：农村渠道生态治理(日本冈山县)

19示例2：城市河道生态治理(日本名古屋市山崎川)

施工中施工完1月后3月后20示例3：一级河川生态治理(歧阜县土歧川)

21示例4：中国长江江堤生态防护(镇江世业洲)

22示例5：中国西宁市湟水河河道生态治理与防护23示例1：日本河内水库堤体边坡保护工程24示例2：日本辉北水库周边堤岸及边坡保护工程25示例1：日本高峰湖生态环境保护工程26示例2：日本盐田蓄水池生态环境保护工程27示例：日本道路边坡环境治理与防护工程2号西有年地区国道盐泽线村道28示例：其他一些应用（人行道、停车场等）29五、基于SR-3/SR-4的研究和应用总结1)工程业绩仅在日本已经有350多个工程施工实例，总施工面积达65万平方米以上。2)国家发明专利（1）通气透水性混凝土蓄水侧坡面的建造方法，申请号200510040877.4；（2）针对加气混凝土绝热和材料力学性能提升的关键技术方案，申请号200710190806.1。303)技术鉴定：结论：上述研究成果具有创新性，对生态混凝土的制备及耐久性设计相关标准的制定具有重要的参考价值，研究成果总体达到国际先进水平。314)技术规范《土地改良事业设计指针「蓄水池整备」》

《土地改良事业计划设计基准「堤坝设计」》

日本农林水产省已经将基于SR-3/SR-4的现场浇筑透水•植生生态混凝土技术作为大坝、水库、蓄水池、河道等水利工程治理和保护的最有效方法和措施之一进行推广和应用，如日本的辉北水库、石川水库、长柄水库、上津水库、东金水库、土歧川河道等的生态治理和保护。325)科研项目及论文863课题镇江城市水环境质量改善与生态修复技术研究与示范，863重大科技专项（2003AA601100-3-7）,《现场浇筑型植生生态混凝土护坡技术研究》子课题负责人。（研究成果被鉴定为“国际领先”）科研成果发表论文及工程设计报告书近20篇。其他效应该产品的推广应用同时带来巨大的经济、社会和生态效应。33W-OH护坡植生技术一、W-OH系列高新材料性能及其特征二、护坡和植生原理三、施工设备及技术四、基于W-OH的边坡植生保护示例五、所取得成果及其效应34一、W-OH系列生态材料及其特征W-OH系列:

一种亲水性氨基树脂，呈淡黄色乃至褐色油状体，遇水后极易溶解或乳化，并迅速形成有弹性的抱水凝胶体；该凝胶体遇水不再溶解，具有高度安全性。W-OH系列组份A

(亲水性聚氨酯)组份B(乳化剂)遇水可迅速反应固化，生成具有弹性抱水凝胶体提高和控制所形成凝胶体的抗紫外线性、耐久性各组份及其作用35W-OH系列材料的特性极易溶解于水，和水反应可迅速聚合形成弹性凝胶体，且不再溶解于水；能以任何浓度与海水在内的各种水质的水发生反应；耐久性良好，凝胶体的降解周期可控制；与多种材质(土、沙、混凝土等)具有很强的附着力；通过选择W-OH的种类及调整其浓度，可设计凝胶体的性能及用途，如固土、固沙、防尘、止水等；具有高度的安全性，对植被不产生药害，对生态环境不造成二次污染。36W-OH系列产品性能一览系列外观比重粘度mpa.s硬化时间特点主要用途W-OH1A淡黄色液体1.18350240弹性凝胶体通用型固土、固沙、防尘W-OH3X褐色液体1.1712050弹性凝胶体低粘度防涌水快速止水W-OH15X褐色液体1.16350600弹性凝胶体延缓型大坝薄浆用、深层注入止水以上数据均在20ºC，W-OH浓度为10%的条件下测得37W-OH的浓度和硬化时间特性(例)38固化层风洞试验试件制作与准备风洞设置情况（0°,20m/s）风洞设置情况（60°,20m/s）风洞实验中W-OH防护层抗风蚀能力及强度W-OH固化层39耐久性能和抗紫外线性能P5%-A0%P5%-AMN5%P5%-AMN6%P5%-AMN7%P5%-AMN8%P5%-AMN9%基于有机复合固化液（浓度2-7%）试样可控降解时间评价：第一组：六月以上第二组：一年以上第三组：三年以上40W-OH安全性能试验试验结果（1）W-OH系列产品不含任何重金属离子，对包括鱼类在内的动、植物的安全性均得到公共权威机关的确认；（2）W-OH可与水以任何比例反应，不会以W-OH的状态残留在水或土壤中。41第一阶段：种子、肥料等的混合、撒播、平整压实肥料、种子混合撒播平整掩埋碾压压实二、基于W-OH的护坡和植生机理土（沙）42界面均匀空隙及土(沙)施工设备喷洒作业固化后表面第二阶段：喷洒W-OH固化液（少量药剂与大量的水）43植物多孔固化体第三阶段：可持续性生态固土（沙）植生绿化植生效果1植生效果3植生效果244试样(固化剂5%)2周后(功能乳剂0%)

2周后(功能乳剂8%)2周后(功能乳剂9%)1个月后(功能乳剂0%)1个月后(功能乳剂7%)1个月后(功能乳剂8%)1个月后(功能乳剂9%)室内植生试验研究在日本的研究状况45有机复合固化液喷洒植物生物性能(3个月)植物生长性能(3个月)植物生长性能(5个月)在中国青海的研究状况草的种类：缄茅草、披肩草、冷地早熟禾、中华羊茅46有机复合固化液浓度对植生性能的影响室外植生试验研究47有机复合固化液喷洒

固化剂3%+功能乳剂0%

日本种

固化剂3%+功能乳剂5%日本种固化剂3%+J功能乳剂

5%

中国种固化剂3%+功能乳剂7%

中国种固化剂3%+功能乳剂9%

中国种不同种子对植生性能的影响研究

48三关键施工方法及设备边坡保护施工设备中国日本49高效护坡和植生技术特性结构及植生机能：空隙率大小、孔径分布等可通过调整W-OH的溶度和喷洒量进行控制，具有通气透水、保水、保温等特性，利于植生绿化；施工特性：仅需喷洒施工、固化迅速、施工性良好，适合大规模生态环境治理；力学特性：具有较强的抗拉、抗压强度；其他特性：降解周期可通过调整乳化剂进行控制，耐久性良好，降解产物对生态环境无副作用。经济特性：用量小，工艺简便单一，综合成本较低；50刚施工后一个月后示例1：山体边坡生态环境治理(日本大分县)

四典型的边坡保护和植生应用示例51示例2：高速公路分离带边坡生态治理

（日本佐賀県鳥栖～久留米間）

52示例3：铁道路基边坡生态环境治理53示例4：青藏铁路固沙生态治理示范工程（青藏铁路五道梁）施工前期，喷洒固化剂施工三个月后，植被生长情况54五、所取得的成绩及效应1、技术鉴定结论：首次开发了OH固沙植生技术，该技术成本低，材料可降解，施工简单方便，固沙效果明显。专家委员认定该研究成果总体达到国际先进水平。552、国家发明专利植生绿化用固沙工法，已在日本申请发明专利（特许号2007-192065）；基于有机复合材料的化学固沙绿化技术的沙漠治理方法（申请中）。3、有关重大科研项目1、【三江源地区脆弱生态系统修复与可持续发展关键技术研究及其应用示范】，国家“十一五”科技支撑计划，作为主持人提交的项目建议书已经获科技部批准，2008年；2、【青藏铁路防沙治沙关键技术研究】，（青海省重大科技攻关项目，项目编号∶20