灰色关联法的植被混凝土植生基材综合选取研究分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：段培东（1999），男，汉族，河南南阳人，研究生，水利水电工程，水工材料方向研究。-195-灰色关联法的植被混凝土植生基材综合选取研究分析 段培东 华北水利水电大学，河南 郑州 450046 摘要：摘要：目的 随着我国对生态化发展的需求，以及植被混凝土兼顾工程效应及生态效用的优点，植被混凝土的未来发展潜力巨大，植生基材的选取是使植物良好生长的关键因素。方法 本研究针对植被混凝土特点、性能等多种影响因素，利用熵权法和层次分析法对影响因素的权重进行综合评价，通过灰色关联法将当前文献中已有的植生基材配置方案进行综合比较，并提出优选方案。结果 分析发现：经过发酵的酒糟、秸秆等生物质纤维腐殖质作为植生基材能够有效的改善植被混凝土的植生性能。结论 本研究针对不同植生基材对植生混凝土植生性的影响程度提出有效的建议，为推行生态植生混凝土发展提供借鉴。关键词：关键词：植被混凝土；植生基材；灰色关联法；方案优选 中图分类号：中图分类号：TU37 面对全球资源短缺、能源危机、环境污染等问题的日渐突出，绿色生态型混凝土已是国内外学者研究的热点，植生型生态混凝土也被叫做植被混凝土1，严格意义上属于生态混凝土的一种。上世纪 90 年代日本一工学协会首先提出了生态混凝土概念，相比于传统混凝土而言植被混凝土的原料通常来自于建筑垃圾的再生利用，且兼具良好的生态效应，与透水混凝土相比在保留透水性能外也兼具生物相容性优点，符合绿色工程的要求。当前植被混凝土按照种植位置主要分为上置式、中值式、下置式三种，同时也有夹心式等特殊的种植方式，同时原材料的类型也具有多样性。实际工程中也较多采用基材喷播的形式，不管是那种形式的植被混凝土基材都是其重要的组成成分，另一方面由于植被混凝土特殊的结构组成，使得植被混凝土的耐久性，碱性，植生性等问题较为突出，更加凸显了植生基材选取的重要性。1 植生基材的概念和特点 植被混凝土基材是植物根茎生长的基础条件，是决定植物生长的关键要素。植被混凝土由于混凝土原材料的限制，混凝土内部水泥水化反应使得孔隙内部呈现强碱性，植物的生长也需要多种的营养物质，微量元素和水分，且大部分植被混凝土多适用于各类护坡、公园等场地。使得种植基材要具有良好的碱性中和能力、保水及吸水能力、肥力、抗冲刷能力和易填充性。2 植生基材研究现状 2.1 传统植被混凝土基材 传统的植被基材一般为天然土或营养土，通过添加酸性化学物品或者添加磷肥等酸性营养物质，使得植被基材与混凝土孔隙水泥水化反应产生的强碱性物质进行酸碱中和，达到适宜植物生长的基础环境，最常见是添加剂是硫酸亚铁和磷酸。这种办发虽然简洁，但并未考虑过多关于土壤透气性，保水性等问题，面对各种不同的环境条件时，无法确保植物的存活率，大量酸性试剂的使用也会对环境造成一定的影响，违反了植被混凝土确保生态效益的初衷。刘梦溪等人2考虑经济和生态效应直接使用自然土壤和营养物质作为种植基材，在人工养护植物生存环境适宜的情况下可以正常生长，但使用此方式在天气炎热的情况下植物发芽率和存活率均受到了明显影响，并不利于实际工程的使用。2.2 外加物改良的植被混凝土基材 在一定的情况下植物生长基材可以被当作人工土壤进行配置,任耿等3用草酸土、珍珠岩、蛭石以及木渣等作为基材的基础材料，承担植物根茎生长时天然土壤的固定功能，并为植物生长提供部分营养物质、养分微量、水分等植被生长的基本要素。吴庭等4通过将煅烧磷尾矿、硅灰、土壤、肥料、保水材料等混合加水的方式制备植被基材，为植被基材提供强度的同时降低植被基材的 pH 值，且尾矿分解出磷酸根离子，中国科技期刊数据库 工业 A-196-为植物提供大量磷肥。刘琦等5在黄棕壤土中掺杂适量粉煤灰、复合肥、Fe SO4和醋酸乙烯乳液制成改性土壤，粉煤灰可为植物提供可溶性硅、钙、镁等养分以及多种微量元素;FeSO4 改良土壤强碱性，醋酸乙烯乳液提高土壤的抗冲刷性。李义强等6将 ECM 生态矩阵材料有效调节土壤 pH 值，提高土壤活性使植被迅速形成群落。申思7将土壤、新鲜的有机质，如稻壳、树枝和秸秆等的粉碎物、复合肥和有机肥、吸水树脂、种子混合制备植被基材，使土壤兼顾有机质、养分、和保水性。冀陆奇8在植被基材中加入酒糟、菌苞、锯末、谷壳,粉碎的秸秆及纤维经腐烂制得的腐殖质,以改善植被混凝土的物理性能和化学性能。赵延春9将灌浆基材选为：腐殖土、粉煤灰、水、绿矾（FeSO47H2O）、木屑粉。王玉军10将天然土壤掺入一定粉煤灰、植物纤维和木屑制作植被基材，使得土壤既肥沃又保水，一定程度上调节酸碱度。通过添加外加物改良基材的方式是当下相关学者研究的热点，由于替代土壤材料本身具有酸性物质与植被混凝土中的碱性环境进行中和，可以近似达到植物适宜生存的酸性条件，且基础材料多使用行业废弃物与土壤相比透气和保水效果更好，不仅可以确保将植被混凝土的植被效果，还可达到废物再生利用的效果，符合生态发展的观念。同时在基材中添加肥料、醋酸乙烯乳液、滞水剂、保水剂等添加物，提升植被混凝土抗冲性和保水性，完善植被混凝土的适生性，但植被混凝土多用于生态护坡等水利工程，废弃物和添加物中的有害物质可能会对当地水源和土壤造成一定的影响，在基材选择时环境问题也是需要考虑的重点。2.3 微生物对植被混凝土基材的改良 除以上传统的外加剂改良植被基材外，近些年国内外学者们开始了有关微生物改良基材的研究例如利用保水材料、有机质、BSC-J 菌剂等混合制备 BSC 生物基材，BSC-J 菌剂可以起到调节基材内酸碱平衡、增加土壤活性、同时增强土壤对有机质的分解能力，或者利用摩西球囊霉和根内球囊霉两种丛枝菌根真菌对植被混凝土植物早熟禾的影响，增强植物对光和水分的利用能力,促进植物更好地生长。对早熟禾的生长、抗逆性能和生理活性产生明显促进作用，利用菌剂改善土壤的透气性。虽然这些研究并未完全利用在植被混凝土领域，但对植被混凝土的发展具有借鉴作用。在之后的研究中可通过向基材中引入微生物的方法，协调水、气、热状况，使植被混凝土逐渐变成适于植物生长的土壤，并且可以减小植被混凝土中外加物对环境影响的风险。3 灰色关联法优选分析 植被混凝土作为生态混凝土的一部分，对于节约能源，生态保护，可持续发展有着重要作用，由于植被混凝土特殊的制备方式和功能，使得其在制备时必须满足多种性能的需求，而外加物的种类不同，对植被混凝土各个性能的影响程度也不同。对于单项性能提出的评价标准可以直观分析出外加物的优劣，但对多种性能需求下分析单种外加物的优劣却很困难。本文在单个指标评价结果的基础上运用熵权法（客观赋权）和层次分析法（主观赋权）确定单项指标的权重，通过灰色关联法提出一种植被混凝土植生基材的优选模型，探究不同外加物类型下植被混凝土综合性能的优劣，为工程的需要提供一种新的参考方式。以当前参考文献中主要使用的外加物组成，并对不同的外加物组别进行编号。具体分组如下：磷尾矿、硅灰；粉煤灰、醋酸乙烯乳液等；天然泥炭、椰糠、活性炭；稻壳、秸秆等的粉碎物；酒糟等生物质纤维经腐烂制得的腐殖质膨润土、营养土；粉煤灰、植物纤维；生物炭；腐殖土、木屑粉；草酸土、珍珠岩等。本文通过客观赋权法和主观赋权法两种方式确定指标权重，客观赋权采用熵权法，熵是对不确定性的度量，信息越大不确定性就越小，熵越小。指标的离散性越大，对决策的结果影响就越大权重越大，能够避免主观因素的影响。主观赋权采用层次分析法根据决策者的偏好，对各个指标的重要程度进行打分，表 1 各评价指标的权重 评价指标 酸碱中和水平 生态效益 肥力 保水性 透气性 抗冲刷性 经济效益 熵权法 0.1646 0.1646 0.0874 0.0727 0.0861 0.2780 0.1466 层次分析法 0.1556 0.2000 0.1111 0.1333 0.1333 0.0889 0.1778 中国科技期刊数据库 工业 A-197-表 2 各组别灰色关联度 组别 熵权法 0.758 0.711 0.467 0.588 0.732 0.497 0.606 0.572 0.721 0.571 层次分析法 0.689 0.600 0.544 0.693 0.863 0.585 0.707 0.652 0.622 0.626 123456789100.00.10.20.30.40.50.60.70.8灰色关联度组别 酸碱中和水平 生态效益 肥力 保水性 透气性 抗冲刷性 经济效益 图 1 熵权法各组别灰色关联度 123456789100.00.10.20.30.40.50.60.70.8组别 酸碱中和水平 生态效益 肥力 保水性 透气性 抗冲刷性 经济效益灰色关联度 图 2 层次分析法各组别灰色关联度 确定指标权重更贴合实际需求。具体各评价指标权重见表 1。灰色关联度的大小决定了各个组别对植被混凝土改良程度。灰色关联度越大说明该组的植生基材搭配越合理。由两种方法联合分析可以看出，当在考虑这七种评价指标时第组外加物计算出的综合灰色关联度均处于高水平，且在层次分析法分析时灰色关联度达到最大。说明相比之下第组植生基材及经过发酵得到的生物质腐殖质对植生混凝土植生性能改良效果最优，能够很好的满足各个评价指标的综合需求。灰色关联法分析可以根据植被混凝土在实际工程中的具体应用选取合理的评价指标，并根据实际情况制定相应评价标准进行评估，最终选取适合具体工程的最佳方案，有利于植被混凝土在实际生产生活中的推广应用。4 结论与展望 植被混凝土作为生态混凝土的一部分当前的研究仍然处于起步阶段，没有形成完整体系，且具有广泛的研究和应用前景。当前对于植生基材的研究主要聚焦废弃物的再生利用，没有与农学、植物学、土壤学科进行交插研究，忽略了对植生基材的冻胀性、土壤特性、植物适生性等研究。微生物的作用在农学等学科的研究已经非常完善，但植被混凝土中的应用较少，为植被混凝土的研究提供新方向。灰色关联法对于各类指标的评价体系可以引入植被混凝土，对植被混凝土在实际工程中的应用提供参考，对植被混凝土具有推广作用。参考文献 1何池全,智光源,钱光人.建筑垃圾制作植被生态混凝土的实验研究J.建筑材料学报,2007(05):592-597.2刘梦溪,卢经扬,于得水.可恢复植被的环保混凝土植生试验研究J.混凝土,2007(06):106-109.3任耿,任行.浅谈植生混凝土的应用与发展J.河南科技,2014(02):64-65.4吴庭,罗丽,李丹,等.利用磷尾矿制备新型植生基材J.四川建材,2015,41(05):115-116.5刘琦,夏振尧,刘大翔,张伦,姚小月,许文年.页岩陶粒植生型多孔混凝土制备与植生试验研究J.长江科学院院报,2017,34(12):115-121.6李义强,李智,赵斌,等.多孔质混凝土植被恢复组合结构与材料性能研究J.材料导报,2020,34(1):199-202.7申思.植被混凝土技术在矿山边坡生态修复中的实施J.绿色环保建材,2021(03):193-194.8冀陆奇.喷混植生护坡技术在花桥水利工程中的应用J.人民黄河,2020,42(2):102-104.中国科技期刊数据库 工业 A-198-9李荣炜,汪守淳,舒国志,韦江雄,余其俊.植被型生态混凝土孔隙内碱环境改造方法研究J.新型建筑材料,2014,41(09):11-14.10赵延春,郑林,金耀华,等.植生型再生混凝土护坡砖河岸护坡的应用研究J.江苏建筑,2020(02):100-102.11王玉军,翟爱良,赵佳,等.再生砖骨料植生混凝土植生试验研究J.水利水运工程学报,2016(03):90-95.