綠化混凝土力學(xué)性能研究

黃亞梅，王立華

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

0 引 言

河岸帶指高低水位之間的河道以及高水位以上的植被，受洪水和土壤持水能力影響的陸地區(qū)域。河岸帶以自然為主導(dǎo)的，能夠維持物種多樣性、減少對資源的剝奪、維護生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，對提高河流生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)能力、改善人類生活環(huán)境等方面具有重要的意義[1,2]。由于河岸土層或巖層在受到雨水侵蝕、洪水浸泡和河水沖刷時，均會引起河岸的水土流失、剝蝕或崩塌，從而導(dǎo)致河岸帶的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。一旦河岸崩塌，整個河岸帶生態(tài)系統(tǒng)將會遭到毀滅，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是生態(tài)河岸帶的首要功能。生態(tài)河岸帶能為人們提供與水和諧共處的景觀過渡平臺，為人們提供休閑娛樂的高效、安全、健康、舒適、優(yōu)美的生態(tài)景觀環(huán)境。生態(tài)河岸帶具有很強的生物多樣性，各種生物種群間互為食物，形成了復(fù)雜的食物鏈，使生態(tài)河岸帶處于動態(tài)平衡狀態(tài)，在時間上能夠維持其可持續(xù)性，可見，景觀適宜性和生態(tài)功能是生態(tài)河岸帶的另一個重要功能[3,4]。

為了保證河岸帶的穩(wěn)定性，防止水流和波浪對岸坡基土的沖蝕和淘刷，避免河岸崩塌，需要采取護岸措施保護河岸。傳統(tǒng)護岸工程技術(shù)片面強調(diào)河岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，主要考慮河道行洪速度、河道沖刷、岸坡穩(wěn)定等因素，主要技術(shù)措施包括拋石、漿砌或干砌塊石、預(yù)制混凝土塊體、現(xiàn)澆混凝土、鉸鏈混凝土沉排等；這些護岸結(jié)構(gòu)質(zhì)地脆硬，色彩灰暗單調(diào)，給人以粗、硬、冷的感覺，缺乏透氣性和透水性，在不同程度上對景觀、環(huán)境和生態(tài)均產(chǎn)生了不良的影響，造成水體與陸地環(huán)境惡化和生態(tài)破壞。因此，國內(nèi)外工程技術(shù)人員開始研究開發(fā)新型生態(tài)護岸技術(shù)[5,6]。

綠化混凝土是一種以水泥、單粒級碎石粗骨料、外加劑和水為原材料拌制而成，內(nèi)部具有大量連通孔隙，并以營養(yǎng)土填充孔隙、栽種植物的新型生態(tài)混凝土，為了進一步改善植物的生長環(huán)境，也可人為預(yù)留孔洞。綠化植物可以在綠化混凝土的孔洞中發(fā)芽、生長，成為植被，與作為基底的混凝土融為一體，成為名副其實的綠色混凝土。綠化混凝土基底提供了河岸防護所需的力學(xué)性能、抗沖刷性能和耐久性，保證了河岸的安全；表面的植被不僅可以固土護岸，防止水土流失，也可美化環(huán)境，作為景觀，供人們休憩，并為近河岸動物提供棲息、繁衍的場所，為河岸提供豐富的生境，改善河岸區(qū)的生態(tài)環(huán)境，具有良好的景觀和生態(tài)性，因而，在河岸防護工程中得到廣泛的應(yīng)用[7-9]。本文通過試驗研究，揭示了影響綠化混凝土力學(xué)性能的主要因素及其規(guī)律性。

1 原材料與配合比

水泥為廣東英德市馬口水泥廠生產(chǎn)的英馬牌硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R，細(xì)度、凝結(jié)時間和安定性合格，物理力學(xué)性能見表1。骨料為單粒級花崗巖碎石，性能指標(biāo)見表2。

表1 水泥物理性能檢驗結(jié)果

表2 碎石檢驗結(jié)果

單方綠化混凝土的碎石用量為1 m3干燥密實狀態(tài)的質(zhì)量，水泥用量150～270 kg/m3，每種水泥用量通過試拌確定最佳水灰比。最佳水灰比應(yīng)保證水泥在骨料表面均勻包裹，有金屬光澤，無干澀感，沒有水泥漿下淌的現(xiàn)象。采用錘擊法制作綠化混凝土試件，分兩層裝料，用質(zhì)量5 kg的鐵錘每層錘擊10次。抗壓試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，每組6個試件，以平均值作為試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水灰比

如圖1所示，綠化混凝土的抗壓強度與水膠比的關(guān)系，與常態(tài)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(nèi)抗壓強度與灰水比基本呈直線關(guān)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(nèi)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。骨料粒徑5～20、16～31.5和20～40 mm時，28d齡期抗壓強度-灰水比關(guān)系分別見式(1)、式(2)和式(3)。

(1)

(2)

(3)

圖1 28 d抗壓強度-灰水比關(guān)系圖

2.2 骨料粒徑的影響

如圖2所示，隨著骨料粒徑減小，綠化混凝土最優(yōu)水灰比增大，這主要是由于骨料粒徑減小，表面積增大，需要水泥漿潤濕的表面增加，需水量增大，因此，當(dāng)單位水泥用量相同時，隨著骨料粒徑減小，最優(yōu)水灰比增大。

圖2 骨料粒級對最優(yōu)水灰比的影響

如圖3所示，隨著骨料粒徑減小，綠化混凝土28 d抗壓強度與骨料平均粒徑呈線性關(guān)系。這主要是由于骨料粒徑減小，同樣體積內(nèi)的結(jié)點增多，骨料顆粒之間的黏結(jié)面增大，骨料顆粒之間的黏結(jié)強度增大，因此，綠化混凝土的強度增大。工程實踐中，減小骨料粒徑，可以提高綠化混凝土的強度。當(dāng)水灰比為0.40和0.35時，綠化混凝土28 d齡期抗壓強度fc-骨料平均粒徑d的關(guān)系見式(4)和式(5)。

fc=-0.36d+14.2

(4)

fc=-0.40d+18.5

(5)

圖3 骨料平均粒徑對28 d抗壓強度的影響

2.3 水泥用量

水灰比過大或過小，對綠化混凝土的性能都有不利影響。當(dāng)水灰比過小，以致水泥漿不能均勻包裹粗骨料時，會降低骨料顆粒之間的黏結(jié)，使強度降低；水灰比過大，不僅會使水泥漿體本身的強度降低，同時也會使水泥漿從骨料顆粒上滑下，形成上部水泥漿偏少，底部偏多的現(xiàn)象，降低“綠化”混凝土的滲透行性；只有當(dāng)水泥漿具有適當(dāng)?shù)牧鲃有裕谧灾鼗蛲饨缯駝拥茸饔孟孪蚪Y(jié)點流動聚集，從而增加結(jié)點的黏接力，才能使綠化混凝土具有最高的強度，因此，在同樣的水泥用量時，綠化混凝土存在一個最優(yōu)水灰比。骨料粒徑和水泥用量不同，水泥漿的總量不同，最優(yōu)水灰比也不相同。如圖4所示，綠化混凝土的最優(yōu)水灰比與水泥用量呈線性關(guān)系。

圖4 最優(yōu)水灰比-單位水泥用量關(guān)系圖

如圖5-7所示，在最優(yōu)水灰比條件下，隨著水泥用量增加，綠化混凝土的抗壓強度和抗折強度增大。在工作性相當(dāng)?shù)臈l件下，水泥用量增加，綠化混凝土的水灰比減小，強度將增大。

圖5 最優(yōu)水灰比條件下的7 d抗壓強度-單位水泥用量關(guān)系圖

圖6 最優(yōu)水灰比條件下的28 d抗壓強度-單位水泥用量關(guān)系圖

圖7 最優(yōu)水灰比條件下的28 d抗折強度-單位水泥用量關(guān)系圖

2.4 齡期的影響

當(dāng)配合比相同時，綠化混凝土的抗壓強度隨齡期的增長而增大，7 d齡期與28 d齡期抗壓強度之比介于0.79～0.83，平均為0.80。綠化混凝土以水泥作為膠凝材料，依靠水泥顆粒水化產(chǎn)生強度。水泥水化和強度的增長是一個長期的過程，水泥早期水化快，綠化混凝土強度增長迅速；后期水泥水化速度降低，綠化混凝土強度增長也會因為水化進程減慢而變緩，通常其7 d強度約為28 d的80%，一年后強度約比28d強度增長1倍，2年后強度仍有增長。

2.5 表觀密度和孔隙率

綠化混凝土區(qū)別于普通混凝土的最顯著特點是孔隙率大，滲透性好，植物可以生長，因此，綠化混凝土需要具有一定的孔隙率。孔隙率是綠化混凝土的重要特性，對植物在其上生長，動物的生存具有重要意義，設(shè)計上也往往對此有明確的要求。

如圖8和圖9所示，隨著骨料粒徑減小，綠化混凝土表觀密度減小、孔隙率增大。這主要是由于骨料粒徑減小，同樣體積內(nèi)的結(jié)點增多，由于水泥漿可以將骨料顆粒撐開，導(dǎo)致骨料之間的孔隙比例會增加，因此，綠化混凝土的表觀密度減小、孔隙率增大。

圖8 骨料粒級對最優(yōu)水灰比條件下表觀密度的影響

圖9 骨料粒級對最優(yōu)水灰比條件下孔隙率的影響

3 結(jié) 論

(1)綠化混凝土的最優(yōu)水灰比隨水泥用量和骨料粒級增大而減小，呈線性相關(guān)性；

(2)當(dāng)采用最優(yōu)水灰比時，隨水泥用量增加，綠化混凝土的抗壓強度、抗折強度和表觀密度線性增大，孔隙率線性減小；

(3)當(dāng)采用最優(yōu)水灰比時，隨骨料粒級增大，綠化混凝土的抗壓強度、抗折強度和孔隙率線性減小，表觀密度線性增大；

(4)綠化混凝土的強度隨齡期增長而增大，7 d齡期抗壓強度為28 d齡期的0.80倍。

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