种植屋面的兴起与防水技术的革新(建筑屋面的发展趋势

种植屋面的兴起与防水技术的革新(建筑屋面的发展趋势—绿化屋面等）

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种植屋面的兴起与防水技术的革新
www.xlc.cn 昕龙春来源：中国建设报 2005.11.12

　　“为了适应我国正在兴起的种植屋面工程，确保种植屋面防水工程设计与施工质量，必须在技术上总结、改进我国现有种植屋面经验和做法，同时参考欧洲和日本等国外成熟的种植屋面技术，确保种植屋面防水工程设计与施工质量。”这是建设部在2005年3月30日特批增加《种植屋面防水工程技术规程》国家规范的制定工作中强调的编制目的，要求本规程必须注重先进性、导向性和可行性。

　　1、种植屋面的棘手问题

　　虽然很多设计师已经意识到了种植屋面防水技术是种植屋面系统的关节所在，但是国内现存的种植屋面的做法非常有限且不成熟，而且现存的种植屋面漏水的现象严重，在大力发展种植屋面的今天，如何设计出可靠的种植屋面系统，是否可以继续延用原来的常规做法已经成为摆在设计师面前的棘手问题。

　　2、要解决种植屋面的漏水问题，首先要找到漏水的根源

　　种植屋面漏水的原因

　　目前国内在很多屋顶绿化项目中经过二至三年左右的时间后出现了屋面漏水现象，最短的不到一年就出现了屋面渗漏现象。

　　很显然不到一年就出现渗漏现象的，很大的可能性就是最初的防水系统不够完善，防水材料选择不当，或者是防水施工过程中防护措施做的不够好，最终导致防水系统的破坏。当然，也有这样的可能性，最初的防水系统以及施工过程都没有任何的问题，而是屋顶花园投入使用以后，其它因素造成了防水系统的破坏。那么是什么因素造成这样的防水失败呢？是不是和屋顶花园使用二至三年以后防水系统破坏是同一个原因呢？

　　对于屋顶防水系统而言，种植屋面上面的覆土是对防水材料的保护，土壤有效的保护了防水材料不受自然条件中的风吹日晒。早在一千多年前，古巴比伦就在屋面上覆盖土壤来达到防水的目的，当然他们不会在屋面土壤种植任何植物。对于现代的种植屋面来讲是什么造成了种植屋面防水系统在短时间内遭到破坏呢?植物根系的对防水系统的破坏欧洲在七十年前就有专门的研究，并且很多国家在二十世纪都成立了专门的种植屋面研究机构。

　　植物根系对防水系统危害

　　草类植物的根系相当发达并且穿透力较强，对防水层及结构层的破坏不亚于灌木和乔木。

　　种植屋面必须应用植物根阻拦材料,而且事实证明就是在仅有防水层或压制层的屋面上也用得到应用，由于空气的流动作用导致一些植物的种子飘落屋面上，在一定的条件下，植物也能顽强的生长。其后果导致其根系穿透防水层，甚至结构层，从而使整个屋面系统失去作用。

　　德国FLL（景观设计和园林建筑研究会）在1984年就专门成立了植物根阻拦研究的专门分支机构。他们对植物根系对建筑的危害进行了专门细致的研究，并得出结论：种植屋面系统必须做有效的植物根系阻拦。针对该结论欧洲景观设计及建筑研究会在1992年版及以后版本的《屋顶绿化的种植、施工、养护指南》中有相当的篇幅对此进行了专门的论述及强制规定。

　　FLL机构研究了完整的实验方法对植物根系对防水系统的破坏进行系统研究。

　　3、要解决种植屋面的漏水问题，植物根阻拦是关键

　　植物根阻拦的必要性

　　防止植物根穿透防水层而造成防水功能失效；在没有植物根阻拦措施的情况下，屋面所种植物的根系会扎入防水材料，造成防水层破坏，从而导致渗漏。

　　防止植物根穿透结构层而造成更为严重的结构破坏；在没有植物根阻拦措施的情况下，屋面所种植物的根系会扎入屋面突出物（如电梯井、通风孔等）的结构层、女儿墙而造成结构破坏。这种破坏一方面来讲不仅比第一种情况会增加更多的维修费用，而另一方面这种破坏如不及时补救，将会危及整个建筑物的使用安全。

　　避免由于植物根穿透造成防水层破坏甚至结构破坏而带来的连带损失；屋面结构层上进行园林建设,由于排水、蓄水、过滤等功能的需要，屋面种植结构层远比普通自然种植的结构复杂，而防水层一般处于最下面一层。如果忽略了植物根阻拦层的设置，植物根穿透防水层，将会导致结构层大面积渗漏，必须进行及时维修，情况严重，就必须更换防水材料，这意味着：必须将上面已经精心培养成熟的植物层及土层全部铲除，排水层及过滤层等也要全部铲除，然后才可能更换已经千疮百孔的防水层,增加不必要的直接维修费用。同时，维修过程中所需材料、机具的搬运及运输而影响建筑物的正常运作，建筑物所有者为保持清洁和形象而导致的间接损失不可估量。

　　4、选用适当的植物根阻拦材料,以及植物根阻拦层与整个种植屋面系统的配合是关键中的关键

　　不是所有可以根阻的材料都适宜用在种植屋面系统中。

　　虽然我们认识到了种植屋面系统中植物根阻拦层的重要性和必要性，但是选择什么样的根阻材料和如何选择和应用到种植屋面系统中去是需要进行认真研究和探讨的。

　　在参考了国外多年来种植屋面成熟技术后，我们应该认识到：不是材料本身有根阻功能就可以用在种植屋面系统中，一定与系统相匹配。这就是国内原有的一些种植屋面常规做法急待改善的原因。

　　国内常规种植屋面做法的分析

　　植物根阻拦层材料的选择不完善?双向配筋的40厚细石混凝土

　　在以往的种植屋面常规作法中往往选用双向配筋的40厚细石混凝土做为阻根层材料，对于材料本身而言细石混凝土是具有根阻性能的，植物的根的确不会穿过完好无损的混凝土表面的，但是作为种植屋面系统中的根阻层存在很多弊端。

　　1）对于面积较大的混凝土层而言，即使是设有相应的伸缩缝来降低收缩和温度裂缝的产生，混凝土表面的细小裂缝仍然不可避免，而且伸缩缝处永远是薄弱环节，存在隐患。对于无孔不入的植物根来讲这些小裂缝将是摧毁根阻层的有力突破口。

　　2）用作种植屋面的根阻材料应该同时要具备良好的抗腐蚀性，因为植物和土壤中存在着许多腐蚀性很强的物质，而作为根阻层材料的混凝土在长期接触腐蚀性物质的情况下，将会在一些薄弱点被腐蚀，进而造成结构破坏，失去根阻功能。

　　3）荷载问题：对于种植屋面而言，荷载问题已经非常敏感了，常规方案中40厚的细石混凝土势必加大了屋面荷载，细石混凝土的根阻层的选用与有效降低种植屋面荷载的目标相违背。

　　4）加大施工破坏防水层的可能性：因为细石混凝土没有防水性能，需要先铺设防水材料，在铺设完防水材料的完成面做这层混凝土层，人为造成防水破坏的几率过高。

　　种植屋面防水技术革新

　　在2005年7月5日刚刚通过的《种植屋面防水工程技术规程》编制大钢中，已经明确提出了耐穿刺防水材料在种植屋面中的应用，这是参考了国外先进种植屋面技术的基础上提出的。防水和根阻的完美结合将预示着我国种植屋面技术革新的开始。

建筑屋面的发展趋势—绿化屋面

07/01/29

来源筑能网

新闻作者:易瑛张大忠

一．前言

人类社会的进步、发展，始于居住房屋的建造。最初建造房屋，是建造一个壳体，用于抵自然界的风、霜、雨、雪以及动物的侵袭，获得一个可以安全利用的空间。随着人类社会科学技术的进步，经济的发展，以及文化生活水平的提高，人们对居住的要求，不再满足于它遮风避雨的最低要求，进而要居住得比较宽敞、舒适。

城市是现代人类聚居的场所，是社会的政治、经济和文化的中心，城市的建筑，显示出城市发展的成就，城市的发展也给人们带来文化与物质生活的提高。但另一方面，随着城市发展，人口增多，必然使商用建筑与民用建筑均大大增加，它们将带来较大的负面影响。例如：建筑占地面积的增加，不仅减少了绿化面积；而且，由于建筑物的吸热效率低，使城市出现的热岛效应，改变了自然的气候环境；城市能源消耗大幅度的上升，导致燃料消耗量剧增，大量燃料燃烧以及车流量增多，使大气中的二氧化碳浓度加大，成为地球温室效应的“罪魁祸首”。自然界原有的生态系统被人为的破坏了，城市的生态系统由绿色的自然生态系统向灰色的城市生态系统转化。

为了可持续地发展，急需改变以往的发展观点，因为以往在发展经济、建造商业建筑与居住建筑时，不自觉地仅注重了“以人为本”，而忽视了在发展过程中对大自然的破坏。发展不能停步，建筑仍需继续，为此，对建筑界提出新的要求，建筑楼宇不仅考虑避风、遮雨、舒适、美观，更重要的是令建筑学与生态学原理结合，遵循生态平衡的原则，即建筑规划、设计、施工建造，使用、维护管理等一切活动中，都自始至终地做到尊重自然、爱护自然，尽可能地将对环境的负面影响控制在最小范围内，建筑业应进入“生态建筑”范畴中。

生态建筑是建筑向绿化进军，实行“建筑种植绿化”。由于城市快速发展，人口不断增多，建筑占地面积的增加，绿化面积随之减少，“生态建筑”就是要将被建筑物占用的土地还归自然，并扩大到非占用土地的垂直墙面的建筑面上，实行“建筑种植绿化”。 “建筑种植绿化”即是在建筑物上种植植物，绿化建筑。“建筑种植绿化”包括建筑屋面、墙面、露台、市政桥梁、广场地坪面等的种植绿化。

建筑种植绿化系统的核心是种植屋面系统，它包括屋面基底、防水系统、蓄水系以及植被覆盖系统等。适用于一般工业与民用建筑屋面，也可用于中层绿化及中庭、裙房敞层的绿化。

二．种植屋面系统

为了顺利地排除屋面雨水，建筑屋面需有一定的坡度。屋面种植绿化系统可在不同坡度的屋面上建造。根据种植屋顶绿化的规划、建造和管理的要求，不同坡度屋面的绿化可采用不同的构造。

2-1．屋面种植绿化系统结构

屋面种植绿化系统直接建在屋面结构层上。其基本构造从上而下依次为：

1．水泥砂浆找坡、找平层。

2．卷材防水层。

3．特制的蓄水板。

4．保护层

5．轻质种植介质及绿化植物

种植屋面系统的一般构造如图1所示：

图 1. 种植屋面系统结构

2-2 种植屋面绿化种植

种植屋面绿化对屋面坡度的适用范围很广。

屋面为1º-3º的小坡度时，可采用如图1的构造。

坡度较大时，雨水排除速度加快，对植物种植的基质造成冲蚀，对建筑绿化有损害。因此，当屋面坡度大于15º时，须加设防滑装置，防滑装置做在屋面种植系统的防水层之下，屋面结构层之上。防滑装置如图2所示：

图 2. 屋面大于15º时附加的防滑板

1．防水板 8 竖档

2．边挡板 9 镶木版

3．砾石 10 屋面防水层

4．排水管 11 梁

5．种植植物 12 保护层

6．横挡 50mmх50mm 13 梯形滑梯档板

7．齿形设施

防滑设施可因建筑要求而定。

三．屋面种植绿化的建筑效用

3-1．种植屋面改进城市的气温环境

城市建设大量占用绿地、森林被大量砍伐，使排放到大气的二氧化碳及其它温室气体急剧增加，由此引发的温室效应使全球平均气温不断上升。椐报道：在20世纪全球平均气温上升了0.6ºC，而在上世纪末的最后5年间就上升了0.5ºC，而且，大气气温上升速度还在递增。

我国是发展中国家，各方面的建设速度加快，因而使大气气温升高的趋势更为显著，有的地区年平均气温上升程度远高于全球同期平均水平。

深圳市的城市建设速度位于全国的前列，特区以及市辖区内均建起了高层次高密度的建筑群，由于建筑物聚集的太阳辐射能增多，机动车数量急剧增加，导致城市热岛效应现象非常明显。1990年的年平均气温为22.ºC，而10年后2000年猛增到了23.3ºC，在全球最热的1998年，创下了23.8ºC的历史新高。

绿色植物的光合作用吸收空气中的二氧化碳释出氧气，减少二氧化碳的含量，也就减轻了温室效应，同时，植物叶面的蒸发与光合作用大量吸收太阳的辐射能，也对减缓气候变暖起到良好的作用。

屋面种植系统植物与种植基质所形成的湿润体系，通过吸收和蒸发过程中的相变，改变建筑屋面的能量平衡关系，减弱太阳辐射对屋面结构的影响，因此，种植屋面系统有吸热降温的特性，在寒冷地区可起到防寒层的作用。

3-2. 种植屋面的热辐射吸收性能

当太阳光照射到地球表面上，因受体不同而产生两种不同的结果，一是它使受体增温，推动水分子循环，产生空气与水的环流；另一种则被植物的光合作用所利用和固定。混凝土砖瓦等无机物制成的屋面，作为太阳光的受体，只参与太阳能的单向流动，对热辐射无任何利用和固定的作用。而种植屋面绿化则对太阳能起利用与固定作用。

屋面是被太阳直接照射的部位，也是建筑物外围结构接受太阳辐射最多的部位，无绿化屋面吸收的热量大部分传入建筑物的顶层，致顶层室内出现过热现象。另一部分的能量则被反射到大气中，成为影响地表附近气温升高的热源。

为了改善城市的“热岛”现象，西方发达国家在20世纪60年代以后，相继建造各类规模的屋面花园和种植屋面绿化工程，同时，政府对种植绿化工程给以政策和资金的支持。

在开展种植屋面的同时，国内外对屋面种植绿化对气温的影响、与无种植绿化屋面对气温影响的比较做了大量的工作。

3-2-1 种植屋面与非种植屋面隔热性能

德国Walter Kolb, Tassilo Schwary 对种植屋面绿化进行了热工测试，当大气温度为30ºC时，无种绿化屋面的表面可达40-50ºC，而在种植屋面系统当土壤介质层为20cm厚，上面已覆盖有植物时，在基质10cm 深处的温度仅为20ºC，且昼夜24小时的温度较为均衡。如图3 所示：

图 3. 夏天种植屋面土壤基质下10cm深处的温度与

无种植屋面的温度几气温的比较

冬天大气温度低时，种植屋面的保温性能，有如一个温暖罩保护着建筑物。与无种植屋面的保温性能的比较如图4.所示：

图4. 冬天种植屋面土壤基质5cm 处和

无种植屋面温度与大气温度的比较

国内有关单位也对种植屋面与无种植屋面的吸热性能作对比测试。当大气温度为36.8ºC时，种植屋面室内板面温度为30.4ºC，比室外温度低6.4ºC。无种植屋面室外屋面的日温差为21.1ºC，室内表面的日温差为13ºC，而种植屋面的外屋面的日温差仅为1ºC。测试结果如图5。

图5. 种植屋面与无种植屋面光辐射性能比较

3-2-2 屋面种植植物的隔热性能

组成种植屋面系统的主要部份是种植基质土壤与所种植的植物。基质土壤厚度、重量关系着建筑结构面层的承载能力与保湿能力。常用的种植土壤容重在1.2 g/cm³左右，持水后容重加大，故仅可用于建筑结构承重能力较大的平台上种植绿化。为了减轻建筑屋面的负荷，种植屋面必须采用质轻、保湿性能好的基质土壤，最大持水量容重约0.6-0.7g/cm³的基质土壤，符合质轻、保湿性能好的要求。适合于屋面绿化种植的植物种类有数十种之多，对气候条件的差异均较为敏感，例如，在较为寒冷的地区，所种植的植物必须耐寒；较为温暖地区的种植植物则另有选用；即使在同样气温条件下，还由于建筑屋面的空间位置如向阳或阴面的不同，建筑屋面结构载荷能力的不同，所种植的植物也不相同。因此，屋面种植植物种类的选用，须符合于当地的气候条件及建筑结构要求。

广州理工大学等对采用大叶油草、沟叶结缕草、黄榕和黄叶假连翘四种草的植被砌块与通风屋面的隔热性能进行测试与比较，通风屋面是无植被的屋面中隔热性能较好的一种屋面。

从测试结果可以看出：通风屋面外表温度高达57.5ºC时，其基层的外表面仅达到35.7ºC，而植被下屋面板外表面温度为；大叶油草32ºC、沟叶结缕草33.1ºC、黄榕30.6ºC、黄叶假连翘30.9ºC，都较通风屋面的表面温度低得多。

而通风屋面已是无种植屋面中隔热性能较好的一种屋面，若与常用混凝土屋面做同样条件的隔热性能比较，其屋面表面温差会更大。

从国内外对种植绿化屋面与无种植绿化屋面的隔热性能比较，得出的结果都认为种植绿化屋面的隔热效果，比没有种植绿化的屋面要好的多，因此，用种植绿化系统取代以矿物质为原料的结构屋面，已成为屋面隔热层的发展趋势，

3-3. 屋面种植绿化减少屋面排水

建筑屋面的形式，屋面坡度大的称为坡屋面，坡度较小的称平屋面。雨水流经未经种植绿化的坡屋面时，几乎全都通过屋面流入地下排水管道；未经种植绿化的平屋面，亦会有80-90%的雨水排入地下管网。

屋面种植绿化后，由于植物、其土壤基质和基质下面的蓄水板对雨水的截留和蒸发作用，使种植屋面的排水量大大减少。据德国有关研究机构进行的试验：在15分钟内的降水强度为20 l/m²时，在同一时间内，从种植绿化屋面流到出水口的水量仅有5升；而在同样降水强度的同一时间，从无种植绿化的砾石覆盖屋面流出的雨水量达16升。

种植屋面与砾石覆盖屋面的排水量比较示如图7。

图 7. 10cm厚基质土壤的种植绿化屋面与砾石覆盖屋面

排水量比较

随着屋面种植绿化的增多，雨后通过屋面排入城市下水道的水量将大大减少，降低了城市下水排放的负荷。其次，种植屋面所截流的70%雨水，将储存在屋面种植的储水板及种植土壤基质中，在雨后一段时间内，所储存的水通过种植植物的蒸腾逐渐扩散到大气中，改善了小气候及生态环境。

3-4. 绿化屋面减少混凝土面板的开裂

屋面绿化降低了屋面板面的温度，也减少了板内外表面的温差，也就降低了混凝土的温度应力，从而减少了混凝土面板的开裂，在一定程度上也起着保护混凝土面板的作用。

四. 结语

综上所述，屋面绿化的隔热、保温、防水、保护混凝土面板延长其使用寿命等功能，使屋面绿化成为建筑向“生态建筑”进军的必由之路，有助于建设生态环境城市。

深圳人口密度现在已高达每平方公里近6000人之众，100万辆汽车（包括大量重型车及外地车）在运行，大量排出二氧化碳；密度极高的高层建筑、众多的玻璃幕墙折射的太阳辐射热都对环境产生极大污染，因此，在深圳推广种植屋面绿化似乎是极为迫切的需求，我们将乐观其成。

参考文献 :

1. 屋顶绿化 Walter Kolb 与Tassilo Schwaarz（德），袁新民等译

2. 植被砌块屋顶隔热研究李建成，刘恰

3. 关于我国建筑种植绿化发展的探讨高延继

责任编辑:孙翠莲

附件---它山之石

为了屋面绿化的质量

—赴欧考察种植屋面及所用材料的抗根穿刺性能试验见闻

【发布日期:2006-11-14】【来源: 中国建设报】

　　种植屋面（又称绿色屋面系统）近几年来在我国发展很快，北京市已绿化的屋面约有50万平米，今年计划再建设10万平米。上海、成都、桂林等城市也纷纷建设屋顶花园，这不仅改变了城市景观，而且减轻了热岛效应，净化了周边空气，美化了居民的工作与生活环境。

　　种植屋面的结构一般由植物生长层、营养土、排水及过滤层、防水层、保温层、隔汽层、基面等组成。与通常的屋面防水不同，由于屋面绿化需要种树、种草，而树根、草根会穿透防水层，造成整个屋面防水结构的破坏，导致房屋渗漏。因此种植屋面中必须在防水层之上，设置抗根阻层，以阻止树根、草根穿透。目前，国内使用的抗根阻材料有合金卷材、合成高分子卷材（EPDM、PVC）与聚酯毡经铜蒸汽处理的改性沥青卷材、掺阻根剂的改性沥青防水卷材等。这些材料除基本的物理力性能要符合现行的国家标准和行业标准外，其抗根穿刺性能必须通过相关标准检验。也就是说，只有材料通过抗根穿刺性能试验，才能用于种植屋面，保证种植屋面的质量与使用寿命。

　　目前，欧洲有两个抗植物根穿刺性能的试验方法标准。一个是欧洲标准草案：prEN13948:2000《沥青、塑料、橡胶屋面防水卷材抗植物根穿刺能力的测定方法》；另一个德国发展园林建筑研究协会（FLL）的标准：《绿化屋面植物根阻能力的检查方法（1992）》。我国屋面绿化起步较晚，基础研究薄弱，有关这方面的标准还处于起步阶段，目前的设计、施工以及材料的选用等完全凭个人经验或利用已有的工程实例。因此，如何选用合适的抗植物根穿刺性能的材料，就成为保证屋面绿化质量的关键。而制定适合于我国种植屋面抗植物根穿刺能力的试验方法，建立测定抗植物根穿刺能力的国家试验室就成了发展种植屋面，推广屋面绿化的当务之急。

　　为制定适用于我国种植屋面用抗植物根穿刺材料及其相关试验方法的标准，中国建筑防水材料工业协会一行，踏上访欧的旅途。

　　此次访欧得到了德国威达公司、美国佳斯迈威公司的协助，参观了佳斯迈威在德国博宾根生产聚酯毡的工厂和威达在班贝克生产种植屋面改性沥青卷材的工厂。考察了法兰克福德国工商银行的屋顶花园与一个住宅小区的立体绿化工程。并与FLL下属的一个园林绿化组织（FBB）进行了交流。在荷兰阿姆斯特丹访问了一个面向全欧洲的建筑屋面与墙体测试咨询机构（BDA），参观了实验室，听取了该机构主管人员的业务介绍。

　　这次赴欧重点考察的对象是位于德国Freising的Weihenstephan大学园林研究所的抗植物根穿刺性能试验室，该试验室是FLL授权在德国能进行上述试验的机构之一。MartinJauch博士陪同我们参观了试验室，并详细介绍了他们按照FLL《绿化屋面植物根阻拦能力的检查方法（1992）》进行材料抗植物根穿刺性能试验的情况。该项试验在自然条件下需要4年；在温室条件下是2年。试验采用的容器最小内部尺寸是（800×800×250）毫米。欧洲标准，装有抗根阻层的容器是6个；不装有抗根阻层的对比容器是2个；德国标准试验容器是8个；对比容器是3个；FLL标准试验容器是8个，对比容器是4个。试验容器内分为植物、植物生长层、毡层或沥青层、保护层和耐湿层等五个层次。抗根阻毡层由试验委托方负责铺设并互相连接。铺设毡层有4个壁角缝、2个底板缝和1个中间伸展的T形缝。搭接缝粘接质量很重要，如粘接不好，植物的根很可能从此处穿透。FLL经过多年来的筛选，目前试验的树仅剩下欧洲火棘，草剩下叶麦草各一种。所种树木在温室里生长1～1.5年后再移植到容器中，每周浇水1～2次。欧洲标准试验植物是小丛树（木本植被），每个试验容器中种5棵，不种草。欧洲屋面绿化很少种竹子。因为竹子的根穿透能力很强，一般的毡材作抗根阻层很容易被竹根穿破。如用竹子绿化屋面，则其屋面结构须作特殊处理，在底层需铺设苯板，使竹根不垂直向下而是延苯板表面侧向生长，避免穿透根阻层。作抗穿刺试验时，是将在温室内已生长到一年的竹子移入试验容器内。试验容器内的植物生长层是由蓄水、排水双重功能的土壤、砖砾、火山灰浮石、陶粒等材料按一定比例配制成，应符合欧洲环保方面的规定。根阻材料与植物生长层所采用的材料均不含有任何损害植物生长的成份，并符合欧洲与德国各州有关植物保护和环境适应性法律和规章的规定。试验过程中，用张力仪来监测植物生长层培养基中吸水张力的变化，如吸水张力下降至-300百帕～-400百帕之间时，应适时浇水。给水量是在培养基里的吸水张力达到接近0hpa时的水量。每隔6个月，检查试验容器与对比容器底部是否有植物根穿透。试验结束时，如试验容器底部未发现穿透根出现，则表示受检材料抗植物根穿刺性能通过。据MartinJauch博士介绍：在他们实验室，所试验的材料有37%未通过此项试验，也就是说有63%的试验材料通过了抗植物根穿刺性能试验。通过试验的材料，他们可以出具FLL授权的认证证书。

　　这次考察欧洲的种植屋面，参观了试验室，听了有关方面专家的专题报告，收集了信息，开阔了视野，增长了知识，将有利于我国种植屋面用抗植物根穿刺性能实验室的建立，加快我国种植屋面用抗根穿刺材料行业标准的制定速度，为保证屋面绿化质量提供技术和法规上的支持。建筑材料工业技术监督研究中心杨斌

国际以及国内土壤固化剂的研究现状和前景展望

来源：中国化工联盟网时间：2006-7-13

    土壤稳定(固化)技术从20世纪40年代开始蓬勃发展，至今已经形成一门综合性的交叉学科。它涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、石油开采、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域，包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段，综合了力学、结构理论、胶体化学、表面化学等众多理论，它的处理对象也扩充到砂土、淤泥、工业污水、生活垃圾等多种固体、半固体，处理的目的也不仅仅是单一的加固，还包括增加渗透性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面。在这里仅以化学加固为重点，对土壤固化剂的现状做一个阐述。
    土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂。国际上，欧洲建筑业最先提出土力学理论：日本由于地理因素限制，对土壤固化剂的研究投入很大，成果较多；美国和加拿大在利用土壤固化技术建设道路上有很多成功的例子；还有像德国、澳大利亚、南非等国也处在研究的前列。国内以国家“七五”项目为牵头，虽然起步较晚，但是掀起了一阵研究高潮，研制了多种固化剂，并且部分成果已经从实验室走到了应用第一线，对国家建设做出了贡献。但是土壤本身的反应活性很低，再加上道路施工对土壤固化剂的要求较高(不仅要在成本上有较大幅度降低，而且希望强度要高、防水抗冻性能要好、施工方式简单、道路保养费用降低等)．到目前为止，国际国内的各种固化剂都有各自的缺点．在实际应用上国内还处在起步阶段，而研究工作现在也处于低潮。正是由于上述因素，有必要对国际国内的土壤固化剂做一个小结，希望可以从中找出发展的方向。
1 四类土壤固化剂
   从固化剂发展的过程以及固结机理来看，现有的固化剂大体可以分成四大类。
1．1 石灰水泥类固化剂
   石灰和水泥在建筑施工上的广泛应用使得它们自然成为固化土壤的首选。利用石灰改良土壤可以追溯到很久以前，以石灰、粉煤灰为固化原料的二灰土经常作为道路施工的基层材料。石灰、粉煤灰和水泥固化土壤的机理类似．包括结合土壤中的水分、形成胶凝成分来胶结土壤．堵塞土壤的毛细结构，从而形成强度和稳定性。缺点是固化土壤的早期强度不高；由于固化剂加入量较大，形成胶凝的过程会产生较大的形变，固化土容易干缩，形成裂缝，破坏结构，影响水稳定性；而且这类固化剂的固化效果依赖于土壤的颗粒度和含水量．在施工上存在着限制。一直以来，许多研究者致力于通过添加辅助成分来提高这类固化剂的性能。例如，在此类固化剂中添加无机盐类，促进钙钒石的生成．可以有效减少形变量，并且增加早强性，从而给这一类固化剂带来新的活力。
1．2 矿渣硅酸盐类固化剂
    这一类固化剂的元素组成与土壤较为接近．主要是活性硅氧化物、铝氧化物等，与水泥相区别。它利用活性激发成分促进固化剂水化和产生胶结土壤颗粒的胶凝物质，并且在一定程度上激发土壤颗粒本身的活性，在固化剂和土壤颗粒之间进一步形成有效的作用力，并且保留部分活性成分．在较长的时间内稳定地增加强度。由于这类固化剂采用的是水硬性成分，所以防水抗冻性能较好。这是目前较为成功的土壤固化剂，而且国内矿渣等资源比较丰富，成本也比较低，所以市场前景比较好。缺点是这类固化剂适用的土壤类型有限，而且固化剂掺入量仍然较大，施工量没有降低，对于本地缺乏资源的地区，进行施工需要较高的运输成本，这也是限制其应用的一大因素。
1．3 高聚物类固化剂
    这类固化剂种类很多，包括多种树脂、纤维、表面活化剂等。传统的高聚物改良土壤包括水土保持、土壤保湿、疏松土质等，在此基础上，研究发现利用聚合物交联形成立体结构包裹和胶结土粒，或者利用表面活性剂改变土粒表面亲水性质，形成有效的抗水能力．在土壤压实的基础上，可以得到较好的抗压强度．从而发展成为一类新的土壤固化剂。它有如下优点：固化剂的掺入量较少，运输方便，成本可以有较大幅度的降低；一般采用水溶液的形态与土壤混合，施工方便；加入催化聚合成分或者直接利用土壤成分来实现交联，土壤早期强度和后期稳定强度均可以满足要求；适用的土壤类型比较丰富，所以适应性也比较好。缺点是这类固化剂普遍的抗水性能比较差，遇水强度急剧降低，一些成型的产品同样存在这类问题。并且土壤的强度建立在聚合物本身的胶结能力上．土壤的结构成分复杂，对聚合物本身的稳定性也是一种考验，有待进一步发展和实践检验。
1．4 电离子溶液IISS)类固化剂
    这一类固化剂作用的机理是利用强离子来破坏土壤颗粒表面的双电层结构．减弱土壤表面与水的化学作用力，并且从根本上改变土壤颗粒的表面性质，使其趋于憎水性，在压力作用下使得土壤形成强度和良好的抗水性能．其中还包括一定的离子交换促使土壤具备一些活性，从而促进土壤的稳定和强度。这一类固化剂与高聚物类固化剂有相同的优点，施工方便．成本较低。但是也有较大的缺点．由于施工需要的用水量比较大．所以在北方和西部一些缺水的地方施工存在困难；另外这种固化剂对土壤成分有一定的要求．这也在很大程度上限制了其应用。
    这样的一种分类也只能大体上给出一个框架，在实际使用上，经常是多种类型的固化剂混合使用。此外在采用化学固化剂的过程中也常辅助以物理手段，例如国外曾采用施加电场的方式来排除土壤水分，引导离子电泳在土壤中形成固化盐类。此外，有很多种类土工织物也常用来增加土块的稳定性；还有公司开发出生物酶技术来加固土壤。
2 土壤固化机理
从土壤固化剂的开发角度，有必要总结出土壤固化的基本机理来明确研究方向。
2．1 水的处理
    从土壤固化过程来看，土壤中水分的存在对土壤固化具有很大的负面影响。土壤中的水分包括游离水和结合水，其中游离水以及通过物理吸附或表面剩余作用力吸附的水影响土壤固化。由于水的存在．溶解了土壤中的盐类和土壤本身部分带正电的活性成分，反过来促使水产生电离，形成的氢氧根离子在土壤颗粒表面通过弱的化学作用吸附聚集，使得土粒成为带负电的胶粒，进一步和土粒周围的阳离子形成双电层结构，使得土壤变成溶胶体。这样的胶体具有一定的稳定性，胶粒与胶粒之间维持一定距离，主要是范德华力在起维系土体的作用，所以土壤的强度比较差；即使在某种条件下破坏了这种胶体结构，在饱水的环境里产生的也是松散的絮凝，对土壤的强度并没有多少提高。所以为了固化土壤．必须将土壤中的水除去，并且还要保证这种形成双电层和土壤溶胶的过程不再发生。
    处理水的方式有两种。一种是将游离水转化为结晶水．利用生成高结晶水的物质消耗土壤中的游离水分。结晶水不参与上述破坏土壤强度的过程，并且生成的结晶水合物具有胶凝的性质，可以堵塞土块中的各种毛细管道．避免渗入水分再一次破坏固化土的结构。上述第一、第二类固化剂均采用这一种方式。但实验事实表明，这种方式处理后的土壤往往抗水性能并不佳。进一步实验表明．对于含亲水性阳离子较多的土壤，在形成结晶水的过程中伴随着溶液浓缩和盐类结晶过程，往往导致部分游离水残余，另外这些盐类也阻碍胶凝物质对土粒的胶结作用．在土粒与胶凝物质之间形成亲水间层．遇水容易崩坏。所以如何处理这部分阳离子．对土壤固化影响很大。
     第二种常用的处理水的方式是破坏土粒表面的亲水性质，削弱土粒与水之间的作用力，利用施压和引流等措施除去土壤中的水分。第三、第四类固化剂基本上是采用这种方式，但各具特点。利用高聚物来固化土．一般是利用高聚物包裹层本身具有的憎水性质；而电离子溶液是利用离子交换将土粒表面亲水性较强的阳离子变成亲水能力较差的铝离子等，再辅助以离子配位，使得土粒表面趋于电中性，从而释放土粒表面的吸附水。从效果上看，采用高聚物固化剂抗水性能普遍很差，而采用电离子溶液，从现有资料来看，是比较有效的。从最近的一些实验事实可以分析，用高聚物固化土壤形成的憎水层往往含有水分子可以自由进出的通道。这是由于一般的聚合物为链状结构，而且由于聚合度的限制没有办法在土粒上形成完整的包裹层。另外，聚合物分子与土粒之间的化学键合强度往往不够，土粒优先与水分子形成化学键，当水分经由通道靠近土粒表面时，很快就会破坏聚合物的包裹作用，从而使得固化土块迅速崩解。所以，如何有效的形成包裹结构和增强与土粒的键合，是聚合物类土壤固化剂发展的方向。
2．2 土壤颗粒的胶结
    之所以土壤需要外加固化剂，是因为土粒本身结构饱和，是反应惰性的，难于相互之间反应键合形成整体。研究表明，土体的力学性质并不取决于粘土中基本结构单元的强度，而是取决于它们之间的结构粘结力。所以采用何种方式粘结土粒，是影响固化土强度的主要因素。从另一个角度看，促进土壤颗粒在固化剂中的分散，增加粘结效率，也可以增强土壤固化效果。在后一点上，液体固化剂较之固体固化剂有着明显的优势，可以节省大量的施工费用。
    现有的固化剂在土粒的胶结上一般也是两种方式。一种是利用自身形成粘结土粒的结构，不管是凝胶或者是高聚物链，将土粒包裹镶嵌在已经形成的结构中。一般情况下硅酸盐的凝胶对土粒具有较强的粘结作用，利用第一、第二类固化剂得到的固化土无限侧压一般要高于第三、第四类固化剂。但是采用这种方式，土粒和粘结物之间的作用并不是化学键，而是物理固定和静电作用，所以，正如上文已经分析的那样，要做好防水的准备，提高粘结物质本身的强度。对于那些亲水阳离子，可以通过离子交换或者结合沉淀的方式除去。如果采用高聚物固化剂，聚合物链的长度和支化程度都正比于固化土的强度；增加交联度不仅有助于防水，也有助于提高抗压强度。
    第二种胶结土粒的方式就是激发土粒本身的活性，利用土粒与土粒之间的反应使得土壤成为整体，这也是土壤固化剂最终的目标。根据现有资料，第二类固化剂涉及到激发土壤的反应活性；电离子溶液固化剂处理的土壤颗粒含有部分具有活性的铝，在压力和配位离子作用下，土粒相互靠近以及通过化学键连接在一起。这些只是具有建设意义的机理推测，深入的研究需要建立在认真分析土壤颗粒化学组成和空间结构的基础之上，需要对具有活性的硅酸盐类物质和土壤进行对比分析。就目前所知，在一定条件下，土壤颗粒自己会聚合。在形成离子晶体时，遵循Pauling法则。根据这一法则．利用低价离子取代土壤中的铝离子，有利于土壤中矿物晶体的再形成。另外，钙离子有利于硅酸盐的聚集，铁离子化合物会在土壤结晶中处于中心晶核的地位。
    实际上，这两种胶结的方式经常出现在同一种固化土中，相互促进。
3 土壤固化剂的研究展望
    在固化剂的研究上，要综合考虑诸多因素，包括固化效果、适用性、耐用性、施工方式、成本、环境友好程度等等，而且还要考虑建设施工本身的要求。上述四类固化剂各有优缺点，有各自适用的特定场合。例如液体固化剂的施工比较方便，固化速度比较快，而且一般维护也比较方便，所以适合一些等级比较低的公路，这些公路在承载上要求不高，液体固化剂的固化效果就能够满足要求。而像属于固体固化剂的粉煤灰、矿渣。利用它们加固土壤有利于保护环境，废物利用，成本很低廉，在一些矿区公路和电站设施的建设中具有无可比拟的优越性。所以在目前阶段，固化剂的研究应该注重以下几点：
1)在各类固化剂的研究上注意扬长补短。在保证原有优势的基础上，研究的方向应着重于减弱和弥补缺点。各类固化剂的缺点在上文中已经有所指出，在深刻理解固化机理和施工过程的基础上．有针对性的进行改良和创新。
2)摸索多种固化剂的组合使用。促进优势互补。在这方面，有些公司已经推出产品。关键在于在实现优势互补的基础上，考虑如何降低成本和简化施工。
3)促进多学科联手，增加研究手段，加强成分分析、结构分析和机理研究，对现有机理进行优化，增加合理性，从而进一步指导土壤固化剂的开发。在现有的力学分析基础上，增加固化土的形态分析、结构透视以及固化过程的跟踪手段。
4)加快土壤固化剂的实际应用步伐。缩短固化剂从实验室研究到实现商品化的周期。实际应用反馈的信息可以促进固化剂的完善和更新。

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