土工格柵混凝土的制備與配合比試驗研究

宋 兵 王麗梅 邢振賢 黃家斌 劉宇航

華北水利水電大學（450045）

0 前言

在河岸護坡工程建設中，植生型混凝土雖然能起到保護河堤、綠化環境、防止水土流失的作用[1]，但是其抗拉強度低，整體性差，容易產生斷裂。土工格柵混凝土是在植生型混凝土的基礎上加一層土工格柵配置成的，擁有兼具植物生長、高透水性和滿足強度需求的生態混凝土的特點。土工格柵的高抗拉強度可對混凝土進行增強處理，彌補混凝土抗拉強度低的缺點，從而提高混凝土構件的整體性，進而可以進行大面積澆筑，施工便利，滿足水土保持、生態保護和水質保護的需求，在生態修復中應用，符合環境友好型的生產方式和經濟模式[2]。土工格柵混凝土護坡的最終目的就是要在護坡表面形成植被，從而更好地融入周邊區域的自然生態系統。

1 土工格柵混凝土的制備

1.1 試驗原材料

1）水泥:使用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，物理力學性能見表1。

2）粗骨料:為天然碎石。使用前用清水沖洗干凈并曬干，然后進行篩選分級。粒徑分為5～10 mm、10～20 mm、5～20 mm 三種級配，且滿足 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及方法標準》的要求。

3）水:采用鄭州市自來水。

4）土工格柵的選擇:格柵的孔徑會直接影響土工格柵混凝土的連通孔隙率。為了方便試驗對比，采用孔徑為3.5 cm 的塑料土工格柵和孔徑為1.5 cm 的玻璃纖維土工格柵，均為雙向拉伸，規格分別為 TGSG3030PP 和 EGA0.6×0.6（30×30）且滿足 GB/T 17689—2008 《土工合成材料塑料土工格柵》和GB/T 21825—2008《玻璃纖維土工格柵》的要求。

1.2 攪拌工藝

采用人工攪拌，拌至水泥漿體均勻包裹碎石骨料，表面呈現金屬光澤，無漿體滴落且能夠握裹成團為宜，如圖1 所示。

圖1 拌制土工格柵混凝土

表1 普通硅酸鹽水泥物理力學性能指標

2 試驗指標

2.1 力學性能試驗

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》。對于抗壓試驗，由于土工格柵橫向鋪設在混凝土中間，試塊必須以人工抹平面作為受壓面。此時受壓面平整度差，抗壓試驗過程中會造成數據偏差，可在上部受壓面用水泥砂漿抹平再進行抗壓試驗[3]。

在抗折和劈裂抗拉試驗中，即使試件斷裂，土工格柵依然連接著混凝土使其成為一個整體，沒有土工格柵脫離混凝土的現象，如圖2、圖3 所示。由此可見，混凝土與土工格柵黏聚性良好。

圖2 抗折強度試驗中破壞的試件

圖3 劈裂抗拉強度試驗中破壞的試件

2.2 有效孔隙率試驗

土工格柵混凝土試塊養護28 d 后用游標卡尺測量并計算試件的外觀體積V1，將試件浸入水中用靜水天平測出試塊在水中的重量W1，然后把試件從水中取出，擦去表面水分并稱重W2，根據公式計算有效孔隙率P為:

3 試驗結果與分析

選用孔徑為1.5 cm 的玻璃纖維土工格柵和孔徑為3.5 cm 的塑料土工格柵，水灰比為0.3，水泥用量為270 kg/m3，粗骨料用量為1 600 kg/m3的配合比配置土工格柵混凝土。對照組為不加格柵的植生型混凝土。

表2 土工格柵混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和連通孔隙率

從表2 可以看出，在力學性能方面，加入土工格柵對混凝土的抗壓強度影響不明顯，抗折強度和劈裂抗拉強度提升20%左右，分別提高了0.5 MPa和0.2 MPa。孔隙率方面，對比對照組，孔徑為1.5 cm 的玻璃纖維土工格柵使混凝土孔隙率減少了4%，孔徑為3.5 cm 的塑料土工格柵使混凝土孔隙率減少了2%，仍然滿足目標孔隙率為20%的要求。

4 正交試驗

4.1 試驗方案

在上述配合比的基礎上，適當改變配合比作正交試驗。土工格柵選用孔徑為3.5 cm 的塑料土工格柵，粗骨料用量均為1 600 kg/m3。分析用水量、骨料級配、水灰比對抗壓強度、連通孔隙率、沉漿面積率的影響程度，得出最佳配合比，見表3、表4。

表3 正交試驗因素水平

4.2 極差分析

采用極差分析法對不同影響因素 A（水灰比）、B（用水量）、C（骨料級配）對土工格柵混凝土的沉漿面積率、連通孔隙率、抗壓強度影響程度進行分析，極差分析結果見表5～7。

表4 混凝土配合比、沉漿面積率、連通孔隙率、抗壓強度

表5 沉漿面積率極差分析

表6 連通孔隙率極差分析

表7 抗壓強度極差分析

由表5～7 可知:

影響土工格柵混凝土的沉漿面積率的因素主次順序是:骨料級配→用水量→水灰比。最佳配合比是水灰比為0.35 kg/m3,用水量是60 kg/m3，骨料粒徑為5~10 mm。

影響土工格柵混凝土的連通孔隙率的因素主次順序是:骨料級配→用水量→水灰比。最佳配合比是水灰比為0.35 kg/m3，用水量是60 kg/m3，骨料粒徑為10~20 mm。

影響土工格柵混凝土的抗壓強度的因素主次順序是:骨料級配→水灰比→用水量。最佳配合比是水灰比為0.3 kg/m3，用水量是100 kg/m3，骨料粒徑為5~20 mm。

5 結語

土工格柵的加入對原有混凝土的抗壓強度影響不明顯，對抗折和劈裂抗拉強度可提升20%左右，分別提高了0.5 MPa 和0.2 MPa，并且混凝土斷開后格柵仍是連續的，混凝土的整體性好，這對提高現場混凝土的植生性和護坡有利。土工格柵的孔徑越大，對孔隙率的影響越小。孔徑為3.5 cm 的塑料土工格柵僅使孔隙率僅減少了2%。骨料粒徑越小，土工格柵混凝土孔隙率越低，沉漿面積越小。抗壓強度與孔隙率成反比，抗壓強度越高，孔隙率越低。

由于土工格柵混凝土主要用于河岸護坡和防止斜坡水土流失工程中，對抗壓強度要求并不高，一般在5～15 MPa 范圍內選用孔隙率較高的配合比即可[4]。所以根據本次正交試驗結果選用A2B1C2 正交組作為最佳配合比，即水灰比為0.35，水泥用量為 171 kg/m3，用水量為 60 kg/m3，骨料粒徑為 10~20 mm，此配合比拌制的土工格柵混凝土具有良好的工程應用性能。