河道整治工程植生生態(tài)混凝土最佳配合比研究

吳 蒙

(高郵市水利局，江蘇 高郵 225600)

0 引言

生態(tài)混凝土是將傳統(tǒng)混凝土與現(xiàn)代生態(tài)環(huán)保理念二者相結(jié)合而成的新型混凝土，主要作用是促進(jìn)人類與大自然的和諧共存，這一概念最早由日本學(xué)者提出。從和諧共存的理念出發(fā)，就需要改變混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是增大混凝土內(nèi)部孔隙率，并且合理設(shè)置保水結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)植物的良好生長[1]。近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者和專家對生態(tài)混凝土的持續(xù)研究，生態(tài)混凝土取得了廣泛應(yīng)用，尤其是在河道整治工程領(lǐng)域。例如，2003年上海嘉定區(qū)的河道整治工程采用了從上海引進(jìn)的植生生態(tài)混凝土技術(shù)，應(yīng)用效果良好。伴隨著我國學(xué)者對植生生態(tài)混凝土的研究逐漸深入，通過開展工程試驗(yàn)和理論研究積攢了大量工程經(jīng)驗(yàn)，并且對護(hù)坡植生生態(tài)混凝土的制備方法及物理力學(xué)性能取得持續(xù)性進(jìn)展，然而在原材料選取、配合比設(shè)計(jì)及混凝土制備領(lǐng)域仍存在不足。因此，本文從河道整治工程的基本特征出發(fā)，通過采用試驗(yàn)研究的方法對植生生態(tài)混凝土的最佳配合比開展研究，從而為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

2 植生生態(tài)混凝土簡介

植生生態(tài)混凝土以多孔混凝土為骨架，孔隙率在20%左右，內(nèi)部孔徑較大。在工程實(shí)踐中，一般會在大空隙中填充植物生長所需養(yǎng)分，植物根系發(fā)育至混凝土內(nèi)部乃至穿透混凝土到達(dá)下部土壤，這種混凝土被稱為植生生態(tài)混凝土。利用植生生態(tài)混凝土的這一特征，可以種植灌木類植物，從而實(shí)現(xiàn)對受污染河道的修復(fù)及綠化，達(dá)到河道加固和生態(tài)環(huán)保的雙重效果。圖1為植生生態(tài)混凝土用于河道整治工程。

圖1 植生生態(tài)混凝土用于河道整治工程

由上可知，將植生生態(tài)混凝土用于河道整治工程具有顯著的環(huán)保價值，不僅可以美化河道環(huán)境，減輕河流污染，避免水土流失進(jìn)一步加劇。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可知植生生態(tài)混凝土具有以下優(yōu)勢：強(qiáng)度高，耐久性能良好；降低土體發(fā)生管涌現(xiàn)象的可能性；改善河道整體的生態(tài)環(huán)境，提升水源質(zhì)量；促進(jìn)河道整體生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共生[2]。

3 植生生態(tài)混凝土原材料及其基本性能研究

植生生態(tài)混凝土的主體結(jié)構(gòu)是多孔混凝土，利用膠凝材料的膠結(jié)作用可以將粗顆粒骨架形成整體，從而為植物根系發(fā)展提供有利條件。這意味著植生生態(tài)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)大小等與各組分的含量密切相關(guān)。而實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)連續(xù)空隙的根源在于配合比設(shè)計(jì)，因此通過試驗(yàn)研究確定原材料的選用和混凝土的最佳配合比，從而提高混凝土強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)植生生態(tài)混凝土應(yīng)用價值[3]。

3.1 膠凝材料

膠凝材料分為無機(jī)類和有機(jī)類兩種。對無機(jī)類膠凝材料而言，應(yīng)用范圍最廣的是水泥材料。水泥材料中一類是普通硅酸鹽水泥基膠凝材料，在設(shè)計(jì)中一般通過改變其組分和含量實(shí)現(xiàn)使用功能；另一類是無機(jī)膠凝材料，通過改性措施實(shí)現(xiàn)對材料酸堿度的調(diào)整，從而滿足植物生長。基于可操作性，多數(shù)試驗(yàn)人員采用的是第一類措施實(shí)現(xiàn)膠凝材料體系的調(diào)整。本次選用的水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)性能見表1所示。

表1 膠凝材料物理力學(xué)性能

3.2 粗集料

植物根系的良好生長與孔隙率密不可分，植生生態(tài)混凝土的孔隙率與骨料種類、粒徑及級配情況緊密相關(guān)。在集料選擇過程中，應(yīng)盡量選擇高強(qiáng)度的碎石，若工程實(shí)際對集料要求不高時，可選擇建筑廢料，如磚塊或混凝土等等，提高工程經(jīng)濟(jì)合理性[4]。粒徑及級配區(qū)間不同的粗集料的孔隙率均在較大差異，一般而言，粒徑大且級配變化范圍小的粗集料孔隙率較大。因此，在植生生態(tài)混凝土中多選擇粒徑大級配單一粗集料或者按一定比例混合的粗集料。本次試驗(yàn)中采用的粗集料粒徑分為兩種，一種為16.5～19.5 mm,另一種為19.5～27.0 mm。兩種粗集料的基本性能試驗(yàn)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料的基本性能試驗(yàn)指標(biāo)

3.3 外加劑及拌和水

為了滿足植生生態(tài)混凝土的強(qiáng)度需求，達(dá)到植物生長所需的酸堿度，本次采用的減水劑為聚羧酸高效減水劑，其參數(shù)如表3所示，采用的拌合水為自來水。

表3 外加劑性能指標(biāo)

4 植生生態(tài)混凝土最佳配合比研究

綠色生態(tài)混凝土內(nèi)部骨架由多孔混凝土構(gòu)成，為滿足使用條件，其標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于20 MPa，孔隙率不小于20%。因此，生態(tài)混凝土的配合比與混凝土強(qiáng)度和孔隙率相關(guān)。在工程實(shí)踐中為滿足植物生長，對混凝土的酸堿度有一定要求，即呈堿性，且pH小于10。同時，考慮到水泥等膠凝材料的流變性與礦物摻和料相關(guān)。綜合考慮上述因素，試驗(yàn)過程中在水泥等膠凝材料中添加礦渣等礦物，在此基礎(chǔ)上配制植生生態(tài)混凝土，并研究混凝土的抗壓強(qiáng)度和孔隙率的變化規(guī)律，由此得到植生生態(tài)混凝土的配合比參數(shù)[5]。

影響植生生態(tài)混凝土配合比參數(shù)的因素多種多樣，主要包括水膠比、粗集料、膠凝材料組分及含量。在本次試驗(yàn)中，上述各因素的參數(shù)如表4所示。

4.1 水膠比變化對抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水膠比的逐漸增大，不同膠凝材料組成(分別為100%水泥凈漿、80%水泥凈漿20%粉煤灰、70%水泥凈漿10%粉煤灰20%礦渣)的植生生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度不同，其中80%水泥凈漿20%粉煤灰隨著水膠比的變化幅度最大；當(dāng)水膠比為0.28時，70%水泥凈漿10%粉煤灰20%礦渣的膠凝材料的混凝土抗壓強(qiáng)度最大值為10.5 MPa；當(dāng)水膠比為0.30時，80%水泥凈漿20%粉煤灰的膠凝材料的混凝土抗壓強(qiáng)度最小值為6.8 MPa。

植生生態(tài)混凝土的水膠比較小，當(dāng)膠凝材料含量不變時，隨著用水量增大，膠凝材料和水的接觸面積增加，隨著水泥水化作用的持續(xù)進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度得到提升。在試驗(yàn)過程中，隨著水膠比的增大，膠凝材料的流動性能得以提升，粘結(jié)性降低，使得混凝土抗壓強(qiáng)度降低，強(qiáng)度增長效應(yīng)弱與強(qiáng)度減小作用，混凝土的最終表現(xiàn)特征是抗壓強(qiáng)度降低。對70%水泥凈漿10%粉煤灰20%礦渣的混凝土而言，其抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大先升高后降低，這是由于混凝土內(nèi)部的強(qiáng)度增長作用優(yōu)于強(qiáng)度減小作用，由于植生生態(tài)混凝土的內(nèi)部多孔隙結(jié)構(gòu)同粉煤灰和礦渣的混合作用對混凝土抗壓強(qiáng)度有一定影響，該機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

當(dāng)水膠比為0.28和0.30時，抗壓強(qiáng)度最大的為70%水泥凈漿10%粉煤灰20%礦渣的植生生態(tài)混凝土。隨著水膠比由0.28變化到0.30，膠凝材料組成為80%水泥凈漿20%粉煤灰時的混凝土抗壓強(qiáng)度變化率較大，這是由于隨著水化反應(yīng)充分進(jìn)行，混凝土土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸均勻，孔隙率增大，隨著水膠比的增大，膠凝材料的流動程度進(jìn)一步增大，粗集料外側(cè)的漿液厚度減小，從而使得混凝土孔隙率減小。

表4 各影響因素變化范圍

4.2 水膠比變化對孔隙率試驗(yàn)結(jié)果分析

隨著膠凝材料的增大，不同粒徑粗集料的植生生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度均增大，增長幅度為25%和12.3%；隨著水膠比減小，混凝土孔隙率減小幅度為4%左右。這是因?yàn)椋z比恒定時，膠凝材料水化作用隨著膠凝材料增加逐漸增強(qiáng)，使得混凝土強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，包裹于粗集料表面的漿液含量進(jìn)一步減少，混凝土內(nèi)部孔隙率減小。通過對抗壓強(qiáng)度和孔隙率的變化結(jié)果可知，膠凝材料含量對抗壓強(qiáng)度的影響程度顯著，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為植生生態(tài)混凝土提供工程借鑒，植生生態(tài)混凝土的最佳配合比為水灰比0.30、粗集料含量220 kg/m3、80%水泥凈漿20%粉煤灰的膠凝材料組成。

5 結(jié)語

(1)隨著水膠比逐漸增大，不同膠凝材料組成的植生生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度不同，其中80%水泥凈漿20%粉煤灰隨著水膠比的變化幅度最大；

(2)隨著水膠比由0.28變化到0.30，膠凝材料組成為80%水泥凈漿20%粉煤灰時的混凝土抗壓強(qiáng)度變化率較大，這是由于隨著水化反應(yīng)充分進(jìn)行；

(3)植生生態(tài)混凝土具有顯著的生態(tài)價值和經(jīng)濟(jì)效益，目前尚處于初步發(fā)展階段，對今后的的進(jìn)一步研究而言，可重點(diǎn)研究植生生態(tài)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及不同材料間反應(yīng)機(jī)制對混凝土強(qiáng)度等參數(shù)的影響。