綠化混凝土配合比設計方法研究

黃亞梅，王立華

(1.廣東水利電力職業技術學院，廣州 510635；2.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635； 3.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣州 510635)

0 引 言

綠化混凝土是一種主要由粗集料及水泥基膠結料經拌和、澆筑或預制成型，具有連續孔隙結構、良好透氣和透水性能，可以改善周圍生態環境和營造生物多樣性的混凝土或混凝土制品，具有河流護岸所需的力學性能、穩定性和耐久性，同時又具有適合動植物和微生物生存，能兼顧水域生態系統健康性與可持續性需求。它以碎石和水泥為主要原材料，依靠天然成孔或人工預留孔洞的方法，得到的一種孔隙大、透水性能好的混凝土，通過在孔隙中充填腐殖土或河底污泥、種子、肥料等，創造適合植物生長的環境，種子發芽生長形成植被，成為水土相連的開放式生態護岸結構；同時天然形成或人工預留的較大的孔洞，適合作為魚類和兩棲類等動物的巢穴和產卵的場所，水體環境為綠化植物提供養分，綠化植物成為水生動物的食物來源，同時可凈化水質。

隨著社會經濟發展，人們逐漸認識到河岸是河流自然生態系統中的一個組成部分，它形成了從河道水流環境到陸地環境的一種過渡[1,2]。選擇護岸型式及材料時應考慮有效性、環境因素及經濟因素。河道不僅僅具有防洪、航運等基本功能，還應具有生物棲息地和人文景觀等功能。為了適應這種需要，河道綜合整治工程的護岸技術由以固土護岸安全為目標的傳統護岸技術逐步向多目標生態型護岸技術轉變[3]。新型生態護岸技術要求既可固岸護堤，也可削污凈水，改善河岸帶生態，還可以綠化造景，美化環境，實現河道流暢、水清、岸綠、景美的治理目標[4]。綠化混凝土作為一種近年發展起來的新型河流生態護岸技術，結合了混凝土護岸和植物護岸的特性和優點，既具有混凝土護岸的力學穩定性、抗沖耐磨的耐久性，又具有植物護岸的滲透性、生物適應性、削污能力、生態保障、景觀和休閑娛樂等特性和功能[5,6]。綠化混凝土護岸技術一經提出，迅速成為學術界的熱點，并迅速在河道綜合治理的工程實踐中得到廣泛應用[7-9]。與普通混凝土相比，綠化混凝土材料組成上最大的特點是沒有細骨料，內部結構上多孔隙，性能上也存在顯著差異，但是，目前綠化混凝土配合比設計方法沒有標準規范可以依循，也沒有文獻報道可供參考。

綠化混凝土配合比設計主要是確定綠化混凝土中各組成材料的用量，即1 m3綠化混凝土中各組分的質量，以單位kg/m3表示。本文主要結合綠化混凝土的特性，通過試驗研究，提出了綠化混凝土的配合比設計方法和有關參數取值。

1 原材料要求

根據綠化混凝土的技術特點，原材料應滿足如下要求：

(1)水泥可以是普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥和復合硅酸鹽水泥，強度等級應不低于42.5和42.5R；

(2)骨料應是質地堅硬的單粒級碎石骨料。連續粒級會降低“綠化”混凝土的孔隙率和滲透性，不建議采用連續粒級骨料。卵石表面光滑，對骨料顆粒間的黏結不利，不建議采用。

(3)根據綠化混凝土強度等級及施工需要可添加硅粉、礦渣粉、粉煤灰等摻合料，以及減水劑等。

2 配制強度

河流生態護岸“綠化”混凝土屬于水工混凝土，其強度等級應按設計齡期立方體抗壓強度標準值劃分，目前主要包括C5和C10兩級。配制強度fcu,0按式(1)計算。

(1)

式中：fcu,0為“綠化”混凝土配制強度，MPa；fcu,k為“綠化”混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；t為概率度系數，由給定的保證率P選定，其值按表1選用，通常設計齡期為28 d，保證率95%，概率度系數取1.645；Cv為混凝土立方體抗壓強度變異系數，MPa。

混凝土抗壓強度變異系數Cv，宜按相同強度等級“綠化”混凝土抗壓強度統計資料確定。當無統計資料時，建議按0.20取值。

3 水灰比

如圖1所示，綠化混凝土的抗壓強度與水膠比的關系，與常態混凝土一樣，符合“水灰比定則”，即隨著水灰比增大，抗壓強度下降，在一定范圍內抗壓強度與灰水比呈線性關系。這主要是由于水灰比越低，硬化水泥漿體的孔隙率也越低，內部越致密，抗壓強度就會越高。在工程實踐中，與普通混凝土相同，保持水泥用量不變，采用減水劑減小單位用水量，降低水灰比，是提高綠化混凝土強度最常用的方法。

圖1 28 d抗壓強度-灰水比關系圖

綠化混凝土的水灰比應根據設計強度等級的要求，通過試驗確定，在配合比設計時，水灰比可按式(2)進行計算：

(2)

式中：αa、αb為回歸系數；fce為水泥28 d抗壓強度實測值， MPa。

回歸系數αa和αb應根據工程所用水泥、骨料，通過試驗建立的28 d“綠化”混凝土抗壓強度-水灰比關系式確定，當不具備試驗統計資料時，可按表1采用。

表1 回歸系數αa和αb選用表

4 單位用水量

綠化混凝土的工作性以水泥在骨料表面包裹均勻，沒有水泥漿下淌，骨料顆粒表面有金屬光澤，無干澀感，同時在攪拌機內不易結底為宜。 “綠化”混凝土沒有細骨料，單位用水量主要由水泥用量和骨料粒級決定，應通過試驗確定。當無試驗統計資料時，可按表2選用。

表2 單位用水量初選表

5 水泥用量

確定了水灰比和單位用水量，綠化混凝土水泥用量可按照式(3)進行計算。

(3)

式中：mc0為每立方米“綠化”混凝土水泥用量，kg/m3；mw0為每立方米“綠化”混凝土用水量，kg/m3。

6 骨料及其他材料用量

綠化混凝土沒有砂，不依靠砂漿的潤滑作用提供工作性，施工時，依靠錘擊或壓碾使粗骨料顆粒之間緊密接觸，通過骨料接觸處的水泥漿將骨料膠凝成為整體，綠化混凝土的體積與所用粗骨料的體積基本相等，因此，配合比設計時，每立方米綠化混凝土粗骨料用量按緊密堆積密度選用。配合比設計骨料以干燥狀態為基準。

外加劑摻量按膠凝材料質量的百分比計，應通過試驗確定，并符合國家和行業線性有關標準的規定。

摻合料的摻量按膠凝材料質量的百分比計，應通過試驗確定，并符合國家和行業線性有關標準的規定。

7 試配與調整

綠化混凝土配合比試配時，應采用工程中實際使用的原材料。攪拌方法宜與生產時使用的方法相同。綠化混凝土配合比試配時，粗骨料最大粒徑31.5 mm及以下時，每盤混凝土的最小攪拌量為15 L；粗骨料最大粒徑40 mm時，每盤混凝土的最小攪拌量為25 L；當采用機械攪拌時，其攪拌量不應小于攪拌機額定攪拌量的1/4。

按計算的配合比進行試配時，首先應進行試拌，以檢查拌合物的性能。當試拌得到的拌合物工作性能不能滿足要求時，應在保證水灰比不變的條件下相應調整用水量，直至符合要求為止。然后提出綠化混凝土強度試驗用的基準配合比。

綠化混凝土強度試驗時至少采用3個不同的配合比。當用3個不同的配合比時，其中一個應為基準配合比，另外兩個配合比的水灰比，宜較基準配合比分別增加和減小0.05；用水量與基準配合比相同。

進行綠化混凝土強度試驗時，每種配合比至少應制作一組(三塊)試件，標準養護到28 d齡期試壓。需要時可同時制作幾組試件，供較早齡期試壓，以便提前定出配合比供施工使用，但應以標準養護28 d齡期強度的檢驗結果為依據調整配合比。

8 結 語

綠化混凝土新型河流生態護岸技術結合了混凝土護岸和植物護岸的優點，既具有混凝土護岸的力學穩定性、抗沖耐磨的耐久性，又具有植物護岸的滲透性、生物適應性、削污能力、生態保障、景觀和休閑娛樂等特性和功能，在河流綜合治理中得到廣泛的應用。

綠化混凝土的抗壓強度與水膠比的關系符合“水灰比定則”，隨著水灰比增大，抗壓強度下降，在一定范圍內抗壓強度與灰水比呈線性關系。

通過試驗研究，提出了綠化混凝土配合比設計方法，明確了配合比參數的取值，對綠化混凝土的推廣應用具有重要的參考價值。

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