0 引言

植生混凝土是一种多孔混凝土与植物相容的新型复合材料，主要由粗骨料、胶凝材料、外加剂和水组成^[1]。由于其特定的多孔构造具有降噪、绿化、改善雨水径流、边坡固化等作用，可广泛应用于生态护坡和屋顶绿化工程中^[2-3]。但是，目前植被混凝土的制备主要以水泥为胶凝材料。水泥的生产和使用会排放大量的二氧化碳，加剧全球温室效应。此外，水泥的水化产物氢氧化钙胶凝体系中析出并扩散到植生混凝土的孔隙中，导致植物生长环境碱度过高，不利于植物生长^[4-5]。基于上述实际问题，有学者利用粉煤灰、矿渣、活性炭等部分替代水泥，降低植物生长环境的碳排放和碱度^[6]。然而，水泥仍然是制备植被混凝土的主要胶凝材料。从环境保护和资源利用的角度来看，没有大规模减少碳排放和充分利用固废资源。

地质聚合物主要是指利用含有硅铝酸盐的天然矿物或固体废弃物与一定的激发剂混合，经过聚合反应生成以硅-氧四面体与铝-氧四面体为主要存在形式的三维网络凝胶体。碱激发胶凝材料是由碱金属活化剂与铝硅酸盐原料反应得到的无机聚合物，具有无定型三维网络结构^[7]。与普通硅酸盐水泥相比，地聚合物的二氧化碳排放量要低得多。此外，也有学者在早期对地质聚合物的物理力学性能和耐久性进行了研究，发现地质聚合物水泥的力学性能和耐酸碱腐蚀性能优于普通硅酸盐水泥^[8]。制备地质聚合物的原料来自铝硅酸盐矿物和工业副产品，如天然黏土、矿渣、粉煤灰、硅粉和偏高岭土^[9]。据文献统计，全世界粉煤灰的利用率仅占总量的25%。许多未被合理利用的粉煤灰造成了空间占用、环境污染等一系列问题^[10]，因此，合理利用粉煤灰作为地质聚合物前驱体的原料具有工业固废回收利用的潜在优势，减少碳排放，保护环境。

近年来，国内外学者对碱激发地质聚合物透水混凝土进行了较多研究。徐庆等^[11]采用碱激发矿渣制备了透水混凝土，主要研究了碱激发剂模数对其性能的影响。Sun等^[12]利用矿渣、偏高岭土制备了地聚合物透水混凝土，研究表明具有较好的力学性能和透水性能。根据文献可知，透水混凝土中有大量的连通孔隙，使得空气和水得以在其中贯通，为植物的生长提供可能。因而，本研究基于碱激发地质聚合物透水混凝土的研究现状探讨地质聚合物在植生混凝土的应用。本研究使用F级粉煤灰和矿渣完全代替水泥制备植生混凝土。通过正交试验研究了在水胶比为定值0.3，养护温度为65 ℃时，矿渣掺量、碱活化剂的模数(MS)、活化剂占粉煤灰质量的比重(C/F)这3个因素对植生混凝土的抗压强度、孔隙率、渗透系数和碱度影响。本研究的植生混凝土是一种可以有效减少碳排放，缓解“温室效应”的建筑材料。

1 试验 1.1 原材料

F级粉煤灰(FA)来自中国河南某电厂，S95级矿渣(Slag)来自中国河南某材料有限公司。两种粉体的化学成分经X射线荧光光谱分析，结果见表 1。在本研究中，拌和水为自来水(W)，碱活化剂由水玻璃(NS)和氢氧化钠(NH)混合制备。市售水玻璃固体含量为36.22%，其中SiO₂=27.55%，Na₂O=8.67%，H₂O=63.78%，模量(MS)为3.28。氢氧化钠为市售(分析纯)。粗骨料为单一粒径9.5~13.2 mm的石灰岩，表观密度为2 715 kg/m³，破碎指数为13.5%。

1.2 试验方案设计

通过正交试验法确定植生混凝土配合比。本试验采用L₉(3³)正交表，选定碱活化剂模数(MS)、碱固含量与粉煤灰质量比(C/F)、矿渣掺量(Slag content)这3个影响因素，研究各因素在水胶比(W/F)为0.3和固化温度为65 ℃时对孔隙率、渗透系数、抗压强度和孔隙环境pH值的影响程度，进而优选出有效孔隙率适宜、强度较高和pH值适中的配合比。具体因素-水平见表 2。本研究采用绝对体积法设计植被混凝土配合比。其中，为使透水性、透气性、抗压强度满足工程应用要求，设计孔隙率为25%^[13]。植生混凝土具体配合比见表 3。

1.3 试件制备

FGVC采用二次投料法：首先，在卧式搅拌锅中将10%的碱激发剂溶液加入粗骨料中搅拌20 s，使得粗骨料表面覆盖一层活化剂水膜。其次，加入既定比例的粉煤灰和矿渣，搅拌30 s，使得粗骨料表面被铝硅酸盐原材料均匀包裹。最后，加入剩余的碱活化剂，搅拌120 s，直至粗骨料完全被碱激发胶凝材料包裹。完成搅拌过程后将新拌混凝土采用“插捣+静压法”装入100×100 ×100 mm³的模具。具体操作为：将搅拌均匀的混合物分3次装入模具，每次装入插捣15次，3次装入后静压(0.3 MPa)，使得试件获得最佳嵌挤力。成型后的试覆膜放置在恒温烘箱中固化(固化温度设定为65 ℃)，24 h后脱模，再次用塑料薄膜包裹，固化2 d^[6]。取出固化后的试件放置在室温条件下继续养护至规定龄期进行测试。

1.4 测试方法 1.4.1 孔隙率

本试验所用样品为100× 100×100 mm³的立方体，总孔隙率P_tp如(1)所示：

(1)

式中，P_tp为总孔隙率(包括连通、半封闭和封闭孔隙)；M₁为干燥测试样品的质量；M₂为浸水至饱和的样品质量；V为样品体积；ρ_m为水的密度。

有效孔隙率如(2)所示：

(2)

式中，P_ep为有效孔隙率(包括连通和半封闭孔隙)；M₃为样品在(20±1) ℃和相对湿度(RH)为(95±2)%下养护24 h后的质量。

1.4.2 渗透系数

FGVC的渗透性采用等水头法测试。测试设备如图 1所示。当达到稳定流量时，进行渗透率测试。水渗透系数根据等式(3)^[14]计算：

(3)

式中，K为温度T ℃下的渗透率系数；L为试样长度；A为试样的截面积；H为水头高度；t₁为测试开始时间；t₂为测试结束时间；Q为t₁~t₂流经试样的水体积；η_t为温度T ℃时水的黏度，η₁₅为温度15 ℃时水的黏度。

1.4.3 抗压强度

FGVC的抗压强度依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》^[15]中的混凝土立方体抗压强度试验方法进行测试。

1.4.4 pH值

本试验采用100×100×100 mm³立方体混凝土试件。植生混凝土的碱度值按李氏方法测定^[16]。将试件浸入蒸馏水中，通过测量水的pH值来反映多孔混凝土基体内部孔隙碱度的变化。具体操作如下：将试块放入塑料容器中，往容器中加入蒸馏水使其浸没试块的上表面(每组试块应注满等量的水)，并密封。12 h后，用pH计测量碱度值，更换溶液，重复上述操作，直到溶液的碱度值不变。

2 结果与讨论 2.1 正交试验结果及极差分析

FGVC的正交试验结果和极差分析，见表 4~5。表 5中，K_j为水平j条件下各试验指标对应某一因素的均值；R为某一因素在不同水平上的检验结果的平均值的极差；R_max为最大极差，表明该因素对某一检验指标的影响最大。

根据表 5中的极差分析结果可知，对于FGVC有效孔隙率、抗压强度影响的主次因素为：MS>Slag  C/F；对于FGVC渗透系数影响的主次因素为：MS>C/F  Slag；对于FGVC孔隙碱度影响的主次因素为：MS>C/F  Slag。

2.2 碱活化剂模数对FGVC物理力学性能的影响

应严格控制碱活化剂的模数，适当的模数有利于地聚物的抗压强度。模量过低，体系中SiO₃^2-含量少，使铝硅酸盐原料的解聚产物不能缩聚形成三维网状结构凝胶。如果模量过高，体系中OH^-含量过低，硅铝酸盐原料中的玻璃体不能充分解聚，从而缺乏大量金属阳离子，也不能形成三维网络凝胶的结构^{[7, 17-18]}。此外，模量也会影响FGVC的孔隙率。当水灰比一定时，不合理的模量通过影响地质聚合物的碱引发反应速率来影响水泥的流动性和涂层性能，从而可能导致混凝土的堵塞。如果模量过低，体系中大量的Na⁺和OH^-会从孔隙中析出到试件表面，形成可溶的Na₂CO₃和NaHCO₃，导致混凝土孔隙中的碱度值过高，不利于植物生长。因此，需要选择合适的碱活化剂模量来制备强度高、有效孔隙率合适、碱度值较低的种植混凝土。

2.2.1 抗压强度、孔隙率和透水系数

表 4~5为FGVC在不同模量水平下的总孔隙率、有效孔隙率和抗压强度的正交试验结果。图 2显示了不同模数值下总孔隙率和有效孔隙率之间的关系。随着MS的增加，总孔隙度和有效孔隙度的平均值降低。当MS为1.4时，达到了最低值，分别为25.93% 和24.40%。此时骨料表面被地聚物砂浆均匀包裹，混凝土底部无孔隙堵塞现象。增加碱活化剂的模数可以提供额外的SiO₃^2-中水解的钙离子反应生成水化硅酸钙(C-S-H)^[19]。因此，孔隙结构更致密，孔隙率有下降趋势。图 3显示了不同水平的模数、有效孔隙率和透水性之间的关系。FGVC的透水系数和有效孔隙度随着模量的增加而减小。

结合表 4和图 4发现，提高模数时，它的总孔隙率和有效孔隙率减小，抗压强度增加。FGVC的7 d抗压强度均值最低为7.10 MPa，最高为11.75 MPa，增长了65.4%。28 d的抗压强度均值最低为10.87 MPa，最高为15.87 MPa, 增长了45.9%。一般来说，影响多孔混凝土抗压强度的主要因素是粗骨料的表观性能、粗骨料的压碎值、孔隙率和胶凝材料的基体强度。随着模数的增加，碱活化剂中有多余的SiO₃^2-，铝硅酸盐中的钙离子与其反应生成C-S-H和水化硅铝酸钙(C-A-S-H)。这些胶凝物质与水化硅铝酸钠(N-A-S-H)相互交联，填充原有胶凝体系的孔隙，使孔隙更加致密，提高了抗压强度^[20]。

2.2.2 碱度

地质聚合物的活化剂主要由氢氧化钠和硅酸钠溶液配制, 当碱激发剂没能完全利用，体系中残余较多未反应的OH^-和Na⁺，随着龄期的增长、温度的变化和毛细血管作用，离子向外逸出，在试件表面与空气中的Co₂和水蒸气发生反应，形成可溶性的碳酸钠和碳酸氢钠。图 5显示了模数和碱度值得关系。试验表明，随着模数的提高，pH呈现下降的趋势。当模数从1.0提高到1.4时，pH的均值从11.53下降到9.53，降低了17.34%。随着模数的提高，体系中游离的碱金属离子相对减少，可减少碳酸钠和碳酸氢钠的生成。根据上一节讨论，提高模数可以提高胶凝材料的密实度，所以碱金属离子不容易逸出到试件表面。

2.3 C/F对FGVC物理力学性能的影响

根据以往的研究，与碱活化剂的模量一样，碱活化剂固含量/粉煤灰(C/F)的大小影响地质聚合物的聚合度，进而影响FGVC的物理机械性能^{[9, 21-22]}。Ding等^[23]将碱浓度从3%增加到5%时，SFGC的28 d抗压强度从31.7 MPa增加到58.2 MPa，增加了83.6%。此外，无论固化时间多久，较高的碱浓度总是形成较高的抗压强度。这是因为较高的碱浓度会加速铝硅酸盐原料释放铝硅离子以及地质聚合物的聚合反应速率，从而有利于抗压强度的发展。Ubolluk Rattanasak等发现，铝硅酸盐原料在氢氧化钠浓度为5 M(M为mol/L的简写)，10 M和15 M时，铝硅离子浸出率先增加后减少，并且当浓度为10 M时浸出率最高。这是因为随着浓度的提高，碱活化剂稠度变大。此时，浸出的部分铝硅离子进一步增加了稠度，导致溶液和离子迁移率降低，特别是在粉煤灰表面，延缓了离子的浸出。因此，过高的浓度阻碍玻璃体的聚合反应，抑制其生成三维网状的胶凝体系，影响地质聚合物的物理力学性能^[23-24]。表 4~5显示了不同水平的碱激发剂固体含量及其性能指标正交试验结果。

2.3.1 抗压强度、孔隙率和透水系数

图 6显示了不同水平C/F的总孔隙率和有效孔隙率的关系。随着C/F的增大，总孔隙率和有效孔隙率的均值呈现先减小后增大的趋势。当C/F为0.15时，它们分别达到了最低值27.13%和25.10%。这可能是因为铝硅酸盐原料在较低浓度碱固含量时，铝硅单质离子释放率低，不能形成足够多的胶凝，孔隙结构不密实。因而，较低浓度的碱固含量导致较高的孔隙率。随着碱固含量浓度的不断提高，铝硅离子浸出率逐渐增加，并达到最高值。此时，继续提高碱固含量，活化剂浓度变大，溶液变稠，阻碍了铝硅离子的浸出，抑制了聚合反应。宏观上表现为拥有较高的孔隙率。因此，随着C/F从0.10增加到0.20，孔隙率呈现先降低后上升的趋势。图 7显示了不同水平的C/F、有效孔隙率和水渗透系数的关系。FGVC的水渗透系数和有效孔隙率的变化一致，都随着C/F的增加先减小后增大。结合表 4和图 8发现，提高C/F时，它的总孔隙率和有效孔隙率先减小后增大，抗压强度先增大后减小。FGVC的7 d抗压强度均值最低为7.65 MPa，最高为9.45 MPa，增长了23.52%。28 d的抗压强度均值最低为12.12 MPa，最高为13.40 MPa, 增长了10.56%。一般而言，较低的孔隙率带来较高的抗压强度。孔隙率又是聚合反应度和胶凝体系密实度的宏观表现。当C/F为0.15时，铝硅离子浸出足够的量，聚合反应度高，形成了大量的三维网状结构凝胶。正是这种密实的结构，形成较低的孔隙率和较高的抗压强度。

2.3.2 碱度

当碱激发剂没能完全利用，体系中残余较多未反应的OH^-和Na⁺，随着龄期的增长、温度的变化和毛细血管作用，离子向外逸出，在试件表面与空气中的二氧化碳和水蒸气发生反应，形成可溶性的碳酸钠和碳酸氢钠。图 9显示了模数和碱度值得关系。试验表明，随着C/F的提高，pH呈现上升的趋势。当C/F从0.10提高到0.20时，pH均值从10.36上升到10.96，上升了5.7%。铝硅酸盐原料在较低碱固含量时，释放出部分硅铝单质与其反应，大量的OH^-和Na^-被利用。此时，残存的OH^-和Na^-较少，因而碱度较低。然而，过高的碱固含量的提高，进一步阻碍了铝硅单质的释放，抑制了聚合反应，体系中游离的碱金属离子相对较多，因而碱度较高。

2.4 矿渣掺量对FGVC物理力学性能的影响

根据许多文献可知，在粉煤灰基地质聚合物中加入矿渣可以提高抗压强度^[25]。这是因为矿渣中的Ca²⁺水化产物C-S-H和铝硅酸盐凝胶N-A-S-H交织在一起，形成更加密实的网状结构。此外，矿渣中的Ca²⁺和铝硅酸盐原料在碱激发作用下生成了C-A-S-H，并且它能充填在微观孔隙中，进一步密实孔隙结构和利于抗压强度发展。然而，加入过量的矿渣不利于地质聚合物反应。有研究表明，随着矿渣的不断加入，胶浆的流动性降低和凝结时间减小。因此，当体系中流体使用量不变时，粗集料上的胶浆包裹不均匀，导致多孔混凝土基体抗压强度减小，孔隙率增大。表 4~5显示了不同水平的矿渣掺量及其性能指标正交试验结果。

2.4.1 抗压强度、孔隙率和透水系数

图 10显示了不同水平矿渣掺量的总孔隙率和有效孔隙率的关系。随着矿渣掺量的增大，总孔隙率韩和有效孔隙率的均值呈先减小后增大的趋势。当矿渣掺量为15%时，总孔隙率和有效孔隙率为最小值，分别为27%和25.2%。图 11显示了矿渣掺量、总孔隙率、有效孔隙率和水渗透系数的关系。试验表明，FGVC的水渗透系数和有效孔隙率随着矿渣掺量的增加先减小后增大。图 12显示了FGVC的7 d抗压强度和28 d抗压强度的变化。它的抗压强度随着矿渣掺量的加入呈现先增大后减小的趋势。FGVC的7 d抗压强度均值最低为8.14 MPa，最高为9.72 MPa。28 d的抗压强度均值最低为12.71 MPa，最高为13.38 MPa。当矿渣掺量从10%增加到15%时，矿渣中的Ca²⁺和铝硅酸盐原料在碱激发作用下生成了C-A-S-H和C-S-H，它能充填在微观孔隙中，进一步密实孔隙结构和利于抗压强度发展。因而，在这个范围内FGVC的孔隙率减小，抗压强度增大。当矿渣掺量从15%增加到20%时，地质聚合物聚合反应变快，流动性降低，胶浆的凝结时间变短。这些会使得胶浆不能均匀包裹粗集料，导致较高的孔隙率和较低的抗压强度。

2.4.2 碱度

在地质聚合物中加入适量的矿渣，其水化产物C-S-H和C-A-S-H交织形成网状结构填补胶浆的孔隙，不仅利于强度的发展，还能抑制残余的OH^-和Na^-逸出到混凝土表面后生成可溶性的碳酸钠和碳酸氢钠，从而降低FGVC的孔隙碱度。正如图 13所示，当矿渣掺量从10%增加到15%，混凝土孔隙的碱度呈现降低趋势。然而，当矿渣掺量从15%增加到20%时，碱度呈现增长趋势。这主要是因为随着不断提高矿渣掺量，胶浆流动性降低，胶浆凝结时间过快，以至硅酸盐原料反应不充分，胶浆不能均匀包裹粗集料以及微孔隙的出现。随着龄期的增长，残存的OH^-和Na^-从孔隙中逸出到表面生成碳酸钠和碳酸氢钠，导致孔隙碱度增大。

综上所述，根据表 5中的极差分析结果可知，对于FGVC有效孔隙率、抗压强度影响的主次因素为：MS>Slag  C/F，各因素最佳组合为MS选取1.4，矿渣掺量15%，C/F为0.15。对于FGVC渗透系数影响的主次因素为：MS>C/F  Slag，各因素最佳组合为MS选取1.0，矿渣掺量20%，C/F为0.10。对于FGVC孔隙碱度影响的主次因素为：MS>C/F  Slag，各因素最佳组合为MS选取1.4，矿渣掺量15%，C/F为0.10。选取满足较高的抗压强度、适宜的孔隙率、渗透系数和较低的孔隙碱度的最优组合为：矿渣掺量为15%、碱活化剂模数为1.4 M以及碱活化剂固体含量/粉煤灰为0.15。测得有效孔隙率为23.6%，7 d抗压强度为14.35 MPa，28 d抗压强度为18.20 MPa，碱度值为9.5。

3 结论

本研究对FGVC的物理力学性能和种植性能进行了研究。从研究中可以得出以下结论：

(1) 碱活化剂的模数从1.0增加到1.4，FGVC的总孔隙率和有效孔隙率呈下降趋势，最低分别为25.93%和24.40%。抗压强度呈上升趋势。7 d和28 d的最大抗压强度分别为11.75 MPa和15.87 MPa，比最低值提高了65.4%和45.9%。碱度由11.53降至9.53，下降17.34%。这意味着模数越高，残留的Na⁺和OH^-越少，因此不会形成大量的碳酸盐。

(2) 当C/F从0.10增加到0.20时，FGVC的总孔隙度和有效孔隙度呈现先减小后增大的趋势。主要是因为随着碱活化剂浓度的增加，铝硅酸盐原料中的硅和铝离子被浸出，参与聚合反应，形成无定形的三维网络结构。胶浆均匀包裹粗骨料，使混凝土孔隙密实，提高抗压强度。当活化剂浓度过高时，溶液变稠，阻碍硅和铝离子的浸出，导致聚合反应不充分，不能产生足够的胶浆。由于没有足够的胶浆来包裹粗骨料，相应地造成较高的孔隙率和较低的强度。C/F为0.15时，7 d和28 d时有效孔隙率最小，抗压强度最大，分别为25.10%，9.45 MPa和13.40 MPa。碱度呈增加趋势，pH值由10.36增加到10.96，增加5.7%。正因为浓度增加，残留的Na⁺和OH^-越多，后期形成的可溶性碳酸盐就越易导致较高的pH值。

(3) 当矿渣含量由10%增加到20%时，FGVC的总孔隙率和有效孔隙率呈现先减小后增大的趋势，抗压强度先增大后减小。这主要是由于矿渣中的Ca²⁺水化反应生成C-A-S-H和C-S-H，它们与地质聚合物相互交织形成更致密的结构。因此，当含量为10%~15%时，孔隙率先减小，抗压强度先增大。但当掺入量为15%~20%时，胶浆的流动性降低，凝结时间变短，导致砂浆包封在粗骨料上不均匀，孔隙率增大，强度降低。

(4) 本研究的地质聚合物植生混凝土可用于河岸的边坡防护，有效减少水对土层的侵蚀，延缓混凝土块的崩解。此外，公路工程建设过程中易出现边坡侵蚀现象，公路边坡在进行生态防护时，能利用植物根系的锚固性能和蒸腾作用来提高边坡的稳定性。