植被再生混凝土的透水性能研究

胡海明，孫 暢

(1.沈陽建筑大學 市政與環境工程學院， 遼寧 沈陽 110168；2.遼寧科技大學 土木工程學院， 遼寧 鞍山 114000)

目前，植被混凝土因其水質凈化、水土保持、修復綠化帶、重建惡化的生態環境等作用，得到世界各國材料和環境領域研究學者的普遍關注[1-3]。所謂植被混凝土，是以無砂多孔混凝土為骨架，內部孔隙中填充生長基質或植生基材，組成具有一定強度且適宜植物生長的混凝土及其制品。植被混凝土的優點主要表現在生態性和透水性等方面。通過植物生長營造良好的鎖水功能，減少水土流失，鞏固生態環境，植被混凝土良好的透水性可在一定程度上增強路面透水性，減少地表徑流量和雨水滯留造成的洪澇現象[4-6]。

透水性是植被混凝土工作性能的重要評價指標之一，良好的透水性是保證雨水順利透過混凝土層滲入地下水系統的基本條件。在植被混凝土的透水性研究方面，徐行軍等[7]、張磊蕾等[8]、姜成等[9]和程冬揚等[10]對滿足抗壓性、抗凍性和抗折性的透水混凝土進行試驗研究，發現路用透水混凝土的有效孔隙率對其透水系數起著決定性作用。王玉梅等[11]測試了多孔混凝土的透水系數，結果表明多孔混凝土孔隙率與透水系數之間存在良好的二次線性函數關系，且透水系數與強度值呈反比例相關。陳晉棟等[12]通過試驗對透水混凝土透水系數與孔隙結構的相關性進行研究，發現應用Kozeny-Carman方程能夠很好地表達透水系數與有效孔隙率之間的關系。此外，植被混凝土的組成成分也對透水性具有一定影響。尹志剛等[13]基于正交試驗對透水混凝土的力學性能進行研究，結果表明設計孔隙率對再生骨料透水混凝土的連續孔隙率和透水系數影響最大，而微硅粉、水膠比和增加劑摻量的影響程度較小。陳守開等[14]通過單一因素下透水混凝土的性能研究發現，再生骨料和鋼纖維的摻入有利于增加混凝土內部孔隙，提高透水性能與解偉等[15]的研究結果相同。

植被再生混凝土是將植被混凝土與再生混凝土技術相結合，使用破碎至適宜粒徑的廢棄混凝土取代植被混凝土中的粗骨料。本文研究了植被再生混凝土的透水性能及其影響因素，并初步將植被混凝土應用于植被邊坡，研究雨水徑流情況。

1 試驗方法

1.1 植被混凝土制備

構成植被再生混凝土骨架結構的多孔透水混凝土材料，包括水泥、粗骨料、超細礦粉、減水劑。植被混凝土配合比見表1。

表1 再生骨料多孔混凝土配合比

圖1(a)為邊坡防護試驗研究所使用的小試塊植被混凝土，尺寸為100 mm×100 mm×60 mm；圖1(b)為邊坡防護試驗中所使用的整板植被混凝土，寬度為400 mm，厚度為60 mm。

圖1 植被再生混凝土

1.2 透水性測試方法

參照《透水水泥混凝土路面技術規程》[16](CJJ/T 135—2009)以及相關文獻，以透水系數描述植被混凝土的排水性能，試驗采用自制的改進混凝土透水系數測定裝置(見圖2)。植被混凝土的透水系數KT按式(1)計算：

(1)

式中：KT為T℃的水溫下測定的透水系數，mm/s；A為混凝土滲透受壓面積，mm2；Q為t時間內滲出水量，mm3；H為水位差，mm；t為測試時間，s。

圖2 透水系數測定裝置

滲透系數k是反映土滲透性能的定量指標，試驗采用TST-55滲透儀，通過變水頭法測量植生基材及其主要組分的滲透系數，試驗裝置見圖3。變水頭管內截面面積為a，試樣高度為L，試樣面積為A，測量時刻t1、t2對應的水位h1、h2，根據式(2)即可求出滲透系數。

(2)

每組試樣初始水頭均為90 cm，水頭每下降10 cm記錄時間，最終水頭下降至40 cm結束，測得5組數據。每種試樣重復測量5次，結果去掉最大值和最小值后取平均值作為該組試樣滲透系數。

圖3 滲透系數測量裝置

1.3 人工降雨試驗

圖4為管網式人工降雨裝置，此裝置是下噴式模擬降雨形式，由降雨系統、支撐系統和供水系統三部分組成，降雨系統由PVC管制成，置于支架最上端；支撐系統由直徑20 mm的鋼管和邊長50 mm的角鋼焊制而成，距地面2 m高；供水系統由水泵、閥門、流量表、供水管等組成，調節閥門便可控制雨強大小。

圖4 人工降雨裝置

2 試驗結果分析

2.1 植生基材的滲透系數

植被混凝土的骨架結構為植物提供了生長空間，但其中缺少植物生長所必須的營養物質和水分，因此需要在植被混凝土內部孔隙中填充一定的生長基材，為植物提供基本生存載體及營養成分。而植生基材的灌注會填充植被混凝土孔隙，降低混凝土的透水性。試驗測定的植生基材滲透系數見表2。

表2 滲透系數測量結果

植生基材是具有一定黏度的漿體，具有一定流動性，但無法將植被混凝土所有孔隙填充完全。試驗所用植生基材含有一定纖維狀材料，使其在保持透水性的同時具有耐沖刷性。

2.2 骨料級配對植被再生混凝土透水性能的影響

使用5 mm～25 mm、5 mm～16 mm、16 mm～25 mm和10 mm～20 mm級配的再生骨料制備植被混凝土，超細礦粉的摻量為60%，孔隙率為20%，水膠比為25%。不同骨料級配下植被再生混凝土透水系數見圖5。圖5左側和右側縱坐標分別對應未灌注植生基材和灌注植生基材后的混凝土透水系數。

由圖5可見，未灌注植生基材之前，單一級配植被混凝土的透水系數高于連續級配的植被混凝土，骨料粒徑越大的植被混凝土透水系數越大。透水系數最高為級配16 mm～25 mm的混凝土。灌注植生基材之后，植被混凝土的透水系數比未灌注之前減小一個數量級，不同骨料級配對透水系數的影響也降低。灌注植生基材后，骨料級配為16 mm～25 mm的植被混凝土的透水性反而最差。這是因為連續級配的混凝土骨料堆積更密實，表觀密度更低。級配為5 mm～25 mm的骨料的表觀密度為2.46 kg/m3，級配為16 mm～25 mm的骨料的表觀密度為2.39 kg/m3。當骨料堆積更密集，制備的植被混凝土更容易產生不連通的孔隙，降低了植被混凝土的透水性。當骨料粒徑的分布比較集中時，容易形成連通的孔隙。骨料的粒徑越大，制成植被混凝土后形成孔隙的孔徑越大，形成連通孔隙的機率更高，植被混凝土的透水性越好。

圖5 骨料級配對透水系數的影響

2.3 孔隙率和植生基材對植被再生混凝土透水性能的影響

采用級配為5 mm～25 mm的再生骨料，超細礦粉摻量為60%，水膠比為0.25制備不同孔隙率的植被混凝土。孔隙率對植被混凝土透水系數的影響如同6所示。圖6左側和右側縱坐標對應未灌注植生基材和灌注植生基材后的混凝土透水系數。

圖6 孔隙率對透水系數的影響

由圖6可知，沒有灌注植生基材的混凝土透水系數隨孔隙率增加而增加。而灌注植生基材的混凝土，其透水系數沒有隨孔隙率增加而變化。混凝土的孔隙率越大，混凝土結構中的連通孔隙越多。一定黏度條件下，水泥漿包裹骨料的厚度是有極限的，一般為1 mm～5mm。因此決定孔隙直徑大小的主要是骨料的粒徑。相同骨料級配條件下，孔隙率的大小對連通孔徑大小的影響有限。因此孔隙率對連通孔隙數量的影響不如骨料級配大，相同級配條件下孔隙率對灌注植生基材混凝土的透水系數影響不大。當植被混凝土孔隙率一定時，連續級配混凝土的連通孔數量較少，因此其透水性受到植生基材的影響較大。普通黏土的滲透系數在10-1mm/s～10-3mm/s時即為高透水性的土壤，灌注植生基材后的植被混凝土透水系數高于這一范圍，可以滿足植生需要。

2.4 雨水入滲下植被混凝土邊坡徑流量

本試驗選擇發芽快、發芽率高、根系發達、生命力旺盛、耐旱、耐堿性、抗病抗蟲的高羊茅進行種植，圖7為降雨入滲試驗前植被混凝土生長情況，試驗前每天使用霧狀噴壺對植被混凝土進行兩次灑水保濕，提供所必須的水分，保證生長期間土壤濕潤。

表3為不同護坡類型邊坡雨水徑流總量所占總降雨量百分比，整體植被混凝土護坡形式下，約60%～70%的雨水從邊坡表面徑流排走；試塊植被混凝土護坡形式，約40%～60%的雨水從邊坡表面徑流排走，可見整體植被混凝土較試塊植被混凝土的徑流排水效果更佳。裸坡和覆土植草護坡，雨水徑流量較小，大多數雨水入滲于土體中，在增加土體自重的同時，也使土體基質吸力喪失和抗剪強度降低，易導致邊坡失穩破壞[17]。植被混凝土護坡形式下大多數雨水被排走，利于邊坡土體穩定，少數雨水滲于土體中，為植被混凝土根系提供必需的水分，利于植被混凝土正常生長。

圖7 試驗前植物生長情況

表3 邊坡雨水徑流總量所占總降雨量百分比

3 結 論

本文通過試驗，研究了新型植被混凝土的透水性能及影響因素，并將植被混凝土應用于邊坡防護，開展雨水入滲試驗研究。得到以下結論：

(1) 單一級配再生骨料制備的植被混凝土的透水性能均優于連續級配的植被混凝土。植被混凝土的孔隙率越高，透水性能越好。

(2) 植被再生混凝土灌注植生基材后透水系數較未灌注之前降低一個數量級，但仍優于一般的土壤。

(3) 植被混凝土護坡可將50%～70%的雨水排走，透水系數滿足要求。防止過多雨水滲入土體，引起土體基質吸力喪失和抗剪強度降低，造成邊坡失穩破壞。少數滲入邊坡的雨水，為植被混凝土生長提供必需的水分。