20世纪80年代以来，随着社会经济的快速发展，生态环境日益破坏，水环境破坏尤为严重。近年来，在国内边坡建设工程中，结构主体受自身重力和其他各种荷载共同作用，使边坡稳定性受到极大影响。普通混凝土边坡严重破坏自然水体的生态环境，降低水体自净能力 ^[1]。华北地区属于温带季风性气候，且平原、河流众多。目前在河岸护坡建设中存在大量裸露严重、不良开挖等问题，崩塌、滑坡也频频发生，影响工农业生产和周边人民生活，许多专家根据这些问题提出“多自然”的生态型护堤理念，即根据本地情况，以植物或植物与工程相结合的方式提高护坡稳定性及抗侵蚀能力 ^[2]。为此，将生态混凝土作为护坡材料十分必要。

　　 生态混凝土概念首次提出于日本混凝土工学协会会议上，近年来欧美许多国家大力推崇利用植物进行护岸 ^[3,4]。国内众多学者对生态混凝土进行研究 ^[5,6]，谢新生等 ^[7]和李冉等 ^[8]对生态混凝土孔隙率和强度进行分析;何光明 ^[9]对比不同降碱手段，提出复合降碱技术;唐瑞 ^[10]对生态混凝土护坡的截留、反滤、除杂性能进行分析;娄可可等 ^[11]使用CT扫描法研究生态混凝土施工技术难点、重点及注意事项;柳超等 ^[12]在大沽河上对13种不同类型的生态护坡进行探究，结果表明生态混凝土护坡具有生态、安全等优点;杜婷 ^[13]和王玉军等 ^[14]分别使用Axioskop 40-Pol型偏光显微镜、扫描电镜对生态混凝土微观结构进行观察。

　　 目前已取得不少研究成果，但对生长在生态混凝土上的植物研究较少，对植物根系如何在混凝土中生长等问题并未进行详细分析。基于此，采用TAW-2000型微机控制电液伺服岩石压力机对生态混凝土进行抗压强度试验，研究生态混凝土强度与孔隙的关系;利用VHX-5000型三维超景深显微镜对生态混凝土中生长的根进行观察，探究植物根系的适应情况;使用印记法取样，并通过光学显微镜观察法对植物气孔进行初步研究。

　　 本试验使用P·O42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料为天然碎石，使用前用清水冲洗干净，然后进行筛选分级，分为5～10,10～15,15～20mm 3种级配，且满足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及方法标准》的要求;外加剂为粉状萘系高效减水剂;粉煤灰为II级，密度2.4g/cm³;拌合用水使用当地饮用水;矿渣为当地高炉矿渣，密度2.85g/cm³。生态混凝土配合比如表1所示。

　　 降碱添加剂为硫酸亚铁，溶液浓度为5%,pH为4～5，浅绿色透明状晶体，在水中极易溶解。当空气中水分含量较高时，三价铁离子易被氧化成难被植物吸收的二价铁离子，需密封保存。本试验添加的硫酸亚铁能保证植物更好地生长，为植物准备充足的营养成分。与有机肥拌合使用，效果更明显。

　　 将粗骨料进行清洗、晒干、筛选处理，保证骨料干净、无粉尘，且粒径大小符合试验要求。将试验所需成分按配合比计量量取，搅拌使用HJW60型强制式单卧轴混凝土搅拌机。投料时应先投放1/2的粗骨料，然后依次投放石、添加剂等，最后投放剩余的石。将试验剩余水分成5次加入，每隔1min加1次水。浇筑完成后采用分层振捣法进行振捣，每50mm为1层。将浇筑好的混凝土试块置于恒温养护箱中养护28d，每天浇水2次，直至强度完全符合试验要求。

　　 将养护良好的生态混凝土试块从恒温养护箱中取出，用粗细适宜的绳索固定，缓慢浸没至正方形玻璃容器中，水面高度以淹没生态混凝土试块50mm为准。当生态混凝土试块浸泡24h后，用手提秤称取水中试块质量w₁(g)，然后取出试块，用HH.N21.600型电热鼓风干燥箱将其烘干至恒重，用天平称取空气中试块质量w₂(g)，通过质量法测定生态混凝土总孔隙率P为:

　　 式中:v为生态混凝土试块体积(cm³)。

　　 2)力学性能

　　 本试验生态混凝土将应用于河道护坡工程中，故需满足一定强度要求。根据相关规范要求及试验目的，确定混凝土强度下限临界值为8MPa ^[15]。参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》，标准试块尺寸为150mm×150mm×150mm。所测生态混凝土28d抗压强度f为:

　　 式中:F为生态混凝土试块破坏时的峰值荷载(N);A为生态混凝土试块承压面积(mm²)。

　　 3)植生试验

　　 分析前期试验结果，优选孔隙率>25%、强度>8MPa的生态混凝土，根据配合比制成250mm×250mm×60mm的生态混凝土试块。在考察华北地区植物品种的基础上，结合植物自身生活习性和华北地区典型气候条件及地理特征，最终选取麦冬进行试验，并使用三维超景深显微镜观察植物根系生长情况，分析其变化。使用BDP-2000 CO₂型二氧化碳人工气候器模拟植物生长环境，对照试验组为用河边土壤培养的麦冬。设置光照强度为1 000μmol·m^-2·s^-1(足够光照强度)、CO₂浓度为400μmol·m²·s^-1、湿度为60%～70%。

　　 4)印记法取样及光学显微镜观察

　　 从麦冬植株上随机选取3张叶片，因麦冬主要靠远轴面呼吸，所以将无色透明指甲油涂于叶片远轴面，使用镊子采集气孔印记样品，制成临时切片。选择不同视野拍摄叶片印迹玻片，从中挑选画质清晰的9张照片，利用数码显微镜统计照片中的气孔密度。

　　 通过测试并计算得到的混凝土抗压强度和孔隙率如图1所示，由图1可知，水胶比一定时，随着骨料粒径的增大，生态混凝土抗压强度降低、孔隙率升高。生态混凝土强度受多因素影响，主要因素为黏结力和骨料粒径，当所选胶结材料一定时，黏结力主要由水胶比决定。生态混凝土内部属于点连接，当骨料粒径变大时，骨架内部粗骨料数量减少，接触点数量减少，接触面积累积值变小，胶结材料构成的接触面积降低，从而使生态混凝土强度降低、孔隙率变大。粗骨料粒径增大时，骨料内部出现缺陷的概率增加，从而降低骨料与混凝土的黏结性能，导致内部连接不完整，强度降低。增大骨料粒径，使搅拌时下沉速度加快，生态混凝土内部颗粒分布不均，进而降低强度。综合考虑强度和孔隙率的影响，粗骨料粒径选为15～20mm(曲线交点附近)时最优(见图1c)。

　　 本研究中水胶比增大时混凝土强度降低、孔隙率减小。生态混凝土强度与水胶比的相关性不像普通混凝土那样简单，当填充率较大时，随着水胶比的增大，生态混凝土强度明显减小;因包裹层较厚，混凝土强度主要取决于胶结材料浆体的强度，而胶结材料浆体强度依赖于水胶比;当填充率较小时，混凝土强度取决于骨料自身强度。生态混凝土胶结浆体流动性过大，则会导致孔隙堵塞，使孔隙率减小，甚至会导致底部沉降;但当流动性过小时，胶结材料难以包裹粗骨料，从而影响生态混凝土强度。经多次试验，当粗骨料粒径为15～20mm、水胶比为0.28～0.30时，制备的生态混凝土强度和孔隙率较好，更有利于植生试验的进行。

　　 植生试验结果如图2～4所示，由图2～4可知植物能较好地生长在生态混凝土上，且根系可穿过混凝土的孔隙，植物根系对生态混凝土具有适应性。生态混凝土能让植物在其上正常生长，在某种程度上可视为无土栽培。生态混凝土独特的连通孔隙网络，起涵养水分、储存营养物质、改善植物根系生长环境的作用。植物根系最重要的作用是吸收水分和各种养分，由土壤中的水分对根系进行引导(向水性)。因此植物根系可穿过生态混凝土的孔隙，扎根到土壤中，且在生长过程中会被动适应环境变化，根据混凝土中的连通孔隙构造改变根的走向。

　　 由图3可知，生长在生态混凝土上的麦冬气孔密度明显高于对照试验组麦冬;生态混凝土上的气孔密度最大值达107No．/mm²，而对照试验组上的气孔密度最大值达89No．/mm²。由图4可知，生长在生态混凝土上的麦冬和对照试验组麦冬的气孔分布特征存在显著差异，生态混凝土上的植物气孔分布相对密集。

　　 王碧霞等 ^[16]的研究结果表明，当生长环境存在干旱胁迫时，植物会通过增加气孔密度和调整气孔开度的方式响应环境。刘吉利等 ^[17]认为，适宜的亏缺水分有利于植物生长及产量，且可显著提高水分利用率。李中华等 ^[18]认为，当生长环境极其干旱时，植物气孔密度具有先上升后下降的趋势。部分研究者发现，当受中度干旱胁迫时，植物气孔密度升高，而当受重度干旱胁迫时，植物气孔密度下降。植物生长时期从混凝土底部吸收水分存在困难，生长环境供给植物生长所需的水分严重不足，通过调节气孔密度以满足生长需求。由于本研究中每月定期人工补充植物所需水分，所以麦冬在混凝土上的生长环境不符合极度干旱状态标准，故本研究符合上述相关规律。

　　 利用硫酸亚铁作为降碱添加剂制备生态混凝土，并使用TAW-2000型微机控制电液伺服岩石压力机进行抗压强度试验，利用VHX-5000型三维超景深显微镜观察植物根系对混凝土的适应情况，分析得出以下结论。

　　 1)胶结材料的组成及性能不仅决定着生态混凝土的配合比，还影响生态混凝土的强度、孔隙特性，当粗骨料粒径为15～20mm、水胶比为0.28～0.30时，制备的生态混凝土最适宜植物生长。

　　 2)通过观察，根系可通过利用混凝土孔隙中少量营养物质穿过混凝土，扎根到土壤中，且对生态混凝土孔径有适应性，可较好地生长在生态混凝土中。

　　 3)生长在生态混凝土上的麦冬气孔密度明显高于对照试验组麦冬，生态混凝土上的气孔密度最大值达107No．/mm²，而对照试验组上的气孔密度最大值达89No．/mm²。

　　 4)受试验条件、实测数据等影响，仍有以下问题需深入研究:(1)增加试验数量和理论分析，进一步探究生态混凝土强度与孔隙率间的关系;(2)表观下生态混凝土上的植物可健康生长，但用数码显微镜观测可知，生态混凝土对植物根系具有轻微伤害，因此对植物无任何伤害的添加剂尚待研究。