《Buildings》：Characterization of Nutrient-Enriched Eco-Concrete as a Functional Growth Substrate: Optimization and Horticultural Compatibility
Jiang Lv,
Ming Zhong,
Jun Xu,
Guolun Hou,
Zhenhua Wang,
Botao Wei,
Yong Xiao and
Yong Shao
编辑推荐：
植被生态混凝土（Vegetation Eco-Concrete, VEC）是一种用于边坡稳定的新型材料，有效整合生态修复与工程防护。其核心支撑骨架由特定粒径骨料经胶凝材料粘结而成，具有高连通孔隙特征及一定力学性能。然而，VEC在实际应用中仍面临最优配合比设计精
植被生态混凝土（Vegetation Eco-Concrete, VEC）是一种用于边坡稳定的新型材料，有效整合生态修复与工程防护。其核心支撑骨架由特定粒径骨料经胶凝材料粘结而成，具有高连通孔隙特征及一定力学性能。然而，VEC在实际应用中仍面临最优配合比设计精度不足、结构材料与植物间园艺兼容性差等挑战。为确定多孔VEC的最优配合比，本研究采用普通硅酸盐水泥，基于正交试验设计VEC配合比，并基于所得最优配合比开展铺设与种植试验。结果表明：（1）最优配合比为水灰比0.27、水泥颗粒粒径10 mm、水泥颗粒含量70–75 wt%、砂浆粘结剂含量0.1 wt%、聚丙烯纤维含量0.16 wt%；（2）含营养强化颗粒的VEC表现出优异的园艺兼容性，可为根系穿透提供通道并营造适宜生境；（3）选择适应性强、根系发达且与VEC协同融合的植物物种，可同步提升VEC的工程防护效益与生态效益。
营养强化型生态混凝土的功能表征与园艺兼容性优化研究解读
研究背景与意义
矿业作为国民经济发展支柱，其开采活动尤其在石灰岩等建材矿区形成了大量高陡裸露岩质边坡，导致土地退化、生物多样性锐减、水土流失及地质灾害频发，亟需适配矿区特殊立地条件的长效绿化技术。植被生态混凝土（Vegetation Eco-Concrete, VEC）作为一种兼具结构支撑与生态修复功能的新型护坡材料，通过胶结颗粒的错叠堆积形成多孔结构，为植物根系提供锚固空间，实现“土体加固-边坡稳定”的协同效应。区别于透水混凝土（侧重雨水管理）与生物亲和混凝土（侧重地表苔藓定植），VEC需构建三维内部生境以支持高等植物生长，但其应用长期受限于两大瓶颈：一是传统“骨料-浆体”设计中浆体滑移导致的孔隙堵塞与养分持续性不足；二是硅酸盐水泥高碱孔溶液（pH>12）引发的根尖灼伤风险，且干湿循环下的长期耐久性尚未明确。针对上述问题，武汉轻工大学Jiang Lv、Ming Zhong等研究人员在《Buildings》发表研究，提出“全颗粒骨架”创新设计，通过正交试验量化多因素交互作用，系统解析VEC的力学-生态性能权衡机制，为矿区边坡生态修复提供科学依据。
关键技术方法
研究采用L18(37)正交试验设计，以抗压强度、抗折强度、孔隙率及孔溶液pH值为评价指标，筛选水灰比、水泥颗粒粒径与含量、砂浆粘结剂含量、聚丙烯纤维含量的最优水平组合。通过方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）确定各因素的统计显著性，基于性能导向设计（Performance-Based Design, PBD）确定最优配合比。选取高羊茅（Tall fescue）、羊茅（Sheep fescue）与狗牙根（Bermuda grass）为试验物种，在标准环境（温度25±2℃，湿度60±5%）下开展60天种植试验，通过断面计数法量化根系穿透深度与覆盖率，结合对照组（常规营养土）评估VEC的园艺兼容性。
研究结果
3.1 VEC试验结果与最优配合比确定
通过极差分析与ANOVA发现，水灰比是影响抗压强度（F=7.000）与孔隙率（p=0.0443<0.05）的主导因素，水泥颗粒含量则显著调控pH值（p=0.0222<0.05）。当水灰比为0.27时，水泥浆体的流变性能最优，可在颗粒接触点形成 robust 界面粘结颈（Interfacial Transition Zone, ITZ），使抗压强度达峰值4.31 MPa，同时维持28.75%的高连通孔隙率。最优配合比最终确定为：水灰比0.27、水泥颗粒粒径10 mm、水泥颗粒含量70–75 wt%、砂浆粘结剂0.1 wt%、聚丙烯纤维0.16 wt%，对应pH值为9.7，满足边坡防护工程的强度要求与植物生长的化学兼容性。
3.2 种植试验结果
3.2.1 植物生长状况
60天监测显示，含35 wt% KZ颗粒的N1组植物存活率达96.5%，显著高于25 wt% KZ的N2组（92.0%）。高羊茅与羊茅萌发速度快（约5天），60天平均株高21.8±1.5 cm，显著高于对照组（16.2±2.1 cm，p<0.05）；狗牙根萌发慢（7–10天）且生长受限，不适用于快速绿化场景。
3.2.2 株高动态变化
高羊茅与羊茅在生长周期内株高持续增长，45天内实现95%的绿色覆盖率，较对照组快15%（p<0.05），验证了VEC的早期绿化效能。
3.2.3 根系生长特征
高羊茅与羊茅根系30天内长度超10 cm，可穿透100 mm厚VEC层，72%的根量集中于多孔骨架内，平均穿透速度1.67 mm/天；狗牙根根系短小且不发达，表明细密纤维根构型更适配VEC的孔隙结构。
3.2.4 根系发育性能
KZ颗粒通过缓释养分与pH缓冲作用，促进根系与VEC的“根-混凝土互锁”效应，N1组底部界面根覆盖率达78.2%，显著高于N2组的62.5%，有效提升边坡抗剪稳定性。
3.3 工程实践考量
模拟35°边坡试验表明，VEC的颗粒骨架可通过高表面粗糙度减缓重力渗流，降低养分淋失风险。但在>45°陡坡与寒冷地区，需进一步优化孔隙结构以抵御冻融循环导致的粘结颈破坏。
讨论与结论
讨论部分指出，VEC通过“颗粒-粘结颈”力学机制突破了传统多孔混凝土的强度-孔隙权衡困境，KZ颗粒的阳离子交换容量（Cation Exchange Capacity, CEC）与pH缓冲功能将孔溶液碱度降至禾本科植物的耐受阈值（pH<10.0）以下，从化学层面保障了根系存活。研究局限性在于60天短期试验未覆盖多季节根系演化与极端气候耐久性，未来需结合X射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography）量化根-混凝土动态互作，并拓展本土物种适配性研究。
研究结论可归纳为四点：第一，水灰比、砂浆粘结剂与水泥颗粒含量是调控VEC力学性能的核心因素，水灰比0.27时界面粘结颈发育最充分；第二，最优配合比实现了4.31 MPa抗压强度、28.75%孔隙率与9.7 pH值的协同，满足边坡防护与植物生长的双重需求；第三，KZ颗粒通过持续供肥与碱度缓冲，使高羊茅等适生植物根系成功穿透VEC层，验证了材料的园艺兼容性；第四，VEC适用于非结构性边坡生态修复，长期耐久性需进一步通过野外监测量化。该研究为矿区废弃地生态治理提供了可复制的材料设计方案，推动了生态修复从经验试错向性能导向的范式转变。
