河岸帶多孔植生混凝土配制方法研究

高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務中心,遼寧 鞍山 114300)

河岸帶是組成河流和生態環境的重要部分,也是水陸系統發生能量、物質交換的紐帶,其生態條件直接關系著河流環境狀況。受降雨沖刷、水流淘刷和波浪浪蝕等不利因素影響,部分抗沖刷能力較弱的河岸帶極易出現水土流失、崩塌等險情,必須采取工程防護措施整治河岸帶險工段[1]。對河岸帶防護時必須統籌考慮生態修復與工程規范要求,既要維護河岸帶整體穩定,保護岸坡免受降雨沖刷、波浪浪蝕及水流淘刷等侵蝕作用,還要修復河岸帶已破壞的生態環境,促使周邊環境與坡面景觀相融合,尋求自然環境與工程措施的協調統一。

目前,植被護坡、孔洞型材料護坡以及混凝土類材料護坡等是河道岸坡廣泛應用的防護技術,其中傳統的護坡材料一般具有強度低、抗沖刷能力弱以及綠化率低等缺點。因此,有必要研究一種能夠將植物與工程防護相結合,兼顧生態修復與技術規范要求的新型護坡材料。1995年生態混凝土的概念被首次提出,隨后多孔植生混凝土護坡技術被廣泛應用于數百個工程實例中,主要涉及河道岸坡生態整治、市政公路邊坡防護以及堤壩邊坡防護等工程,實際生態修復效果較好。對于多孔植生混凝土,我國相關研究尚處于起始階段,研究內容大多側重于如何提高多孔混凝土有效孔隙率與強度、規范制備工藝及配合比設計方法等,研究植生型多孔混凝土性能的還少有報道。鑒于此,文章結合河岸帶特點和有關研究經驗,探究不同攪拌工藝、養護方法以及配合比設計等因素對多孔植生混凝土性能的影響,以期為多孔植生混凝土的廣泛應用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥:沈陽冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5級水泥,其主要性能指標如表1所示。硅灰:沈陽恒泰萊科技有限公司提供的硅灰,比表面積16000m2/kg,粒徑范圍0.1～0.2μm,SiO2含量達到99.5%,同時含少量其它化合物。碎石:大連產單級配15.0～26.5mm石灰巖碎石,針片狀含量較少。外加劑:蘇博特PCA?-9聚羧酸高效減水劑,液體,減水率22%～25%,固含量18.5%。

表1 水泥的主要性能指標

1.2 測試方法

1)孔隙率測試。多孔植生混凝土孔隙率擬利用容量器進行測定,最小刻度0.1ml,主要流程如下:將尺寸150mm×150mm×150mm的混凝土試塊完全浸入水中使其充分吸水飽和,然后自然風干至試塊表面達到潮而無水狀態,之后立即浸入容器測定水的體積差[8]。依據測試數據,采用下式計算孔隙率R:

△V=V初+V試塊-V末

(1)

R=△V/V試塊

(2)

式中:V初、V末、△V為容器中的初始水體積、放入試塊后的水體積和放置試塊前后變化的水體積;R為混凝土孔隙率。

2)強度測試。依據《水工混凝土試驗規程》測定各組試塊的抗壓強度,考慮到用膠結材料黏結骨料制成的多孔植生混凝土表面平整度較差的情況,對外觀狀態較差試件進行抗壓測試時,必須先利用水泥砂漿、硫磺膠泥或高強石膏做補平處理再測試相應的強度。

2 試驗與分析

2.1 試驗配合比確定

試驗選用比表面積法初步設計多孔植生混凝土配合比,該方法主要是利用單位體積所用集料內表面積計算試驗所用膠結漿體量,然后考慮膠結漿體和集料體積計算出該集料適用于多大孔隙率混凝土的制備。采用比表面積法確定多孔混凝土配合比的主要步驟如下:

步驟1:考慮多孔混凝土孔隙率區間P1%～P2%和成型工藝確定膠結漿體密度及水膠比,成型工藝不同所確定的漿體水膠比不同,一般用流動度來表征。采用振動成型時應控制漿體流動度處于140～200mm范圍,采用壓制成型時應控制漿體流動度處于160～220mm范圍。

步驟2:計算集料的空隙率、堆積密度、表觀密度以及膠結漿體包裹集料的厚度,包裹厚度處于0.5～2.0mm范圍。本試驗利用骨料比表面積系數與對應各篩余百分率的乘積之和計算所用集料單位體積表面積,不同篩孔的比表面積系數取值如表2所示。

表2 集料比表面積系數

步驟3:根據膠結漿體包裹厚度與碎石表面積的乘積計算膠結漿體體積,然后用1減去集料和膠結漿體確定相應的孔隙率,通過膠結漿體的密度與體積乘積計算單位體積膠結漿體用量。

步驟4:結合上述計算數據,用比表面積法確定孔隙率處于28%～30%范圍內的配合比,如表3所示。

表3 不同攪拌方式配制的混凝土性能

表3 配合比計算結果 kg/m3

2.2 不同攪拌工藝分析

多孔植生混凝土是一種由集料黏結膠結漿體而組成的多孔無砂混凝土,為使原材料能夠均勻混合,保證混凝土孔隙率和強度達到設計要求,必須選擇合適的攪拌工藝。對于不使用細集料配制成的多孔植生混凝土,在粗集料與粉料之間缺少細集料的過度,必須通過攪拌使膠結漿體更加均勻地包裹集料。充分攪拌膠結漿體保證多孔植生混凝土符合設計強度、稠度和流動度要求,并進一步滿足對集料的黏結強度、均勻包裹和穩定性要求;水泥漿體能夠均勻地包裹碎石,這也是保證集料間接觸點形成接觸面以及多孔混凝土達到設計連通孔隙率、耐久性、強度的重要基礎。

根據充分攪拌和配合比設計要求,新拌多孔植生混凝土必須使充分攪拌的特定稠度膠結漿體能夠均勻包裹集料表面。因此,經多次試配調整最終選用裹漿攪拌方法,其主要流程為:將水、外加劑與水泥混合攪拌,待拌合均勻后倒入粗骨料,持續攪拌至粗骨料表面均勻地包裹上稠度適宜的膠結漿體。試驗表明,在制備多孔植生混凝土時裹漿法表現出較好的適用性,采用該方法配制的膠結漿體能夠穩定、均勻地包裹在集料表面,拌合物無泌漿,呈玻璃光澤狀,工作性能良好。多孔植生混凝土性能受不同攪拌方式的影響如表4所示,結果表明裹漿法與常規法攪拌配制的混凝土實測孔隙率均與設計值接近,但前者相比于后者的強度明顯較高。

這是由于多孔植生混凝土孔隙率主要受集料堆積密度的影響,攪拌方式、膠結漿體包裹厚度及成型工藝等因素也會在一定程度上影響其大小。對于主要物理性能參數相近的集料,多孔植生混凝土孔隙率受不同攪拌方式的影響相對較低;然而,多孔混凝土強度主要受集料強度、集料接觸面積大小、膠結漿體強度、集料接觸面處膠結漿體厚度和集料緊密堆積密度等因素的,攪拌方式不同對膠結漿體包裹集料的效果、膠結漿體狀態等影響顯著,采用裹漿攪拌法能夠配制出稠度適中、攪拌均勻的膠結漿體,從而均勻包裹住集料;采用常規攪拌法配制的膠結材料無法對集料均勻地包裹,試驗時攪拌也不夠均勻。因此,采用裹漿法相比于常規法配制的多孔植生混凝土強度更高。

2.3 養護工藝分析

多孔植生混凝土的表面積較大,孔隙結果較多,在成型養護過程中其水分散失速度較快。由于膠結材料和緊密堆積密度是多孔植生混凝土強度的主要來源,混凝土成型后的緊密堆積程度一般不會發生改變,為增強和改善混凝土性能必須保證膠結材料水化充分。在多孔植生混凝土施工現場,夏季高溫應避免水分快速散失,冬季寒冷應采取保溫防凍措施。考慮到該試驗是在夏季溫度較高時進行的,為了降低澆筑后多孔植生混凝土內部水分散失速度,采取草杉或塑料薄膜進行覆蓋,并在混凝土達到一定強度后定期灑水保濕養護。標準、自然、薄膜3種養護方式及其對多孔植生混凝土強度的影響如表5所示。

表5 不同養護方法下的強度值

由表5可知,自然養護條件下的多孔植生混凝土7d、28d抗壓強度較低,說明這種養護方式不利于混凝土強度發展,為保證膠結漿體強度發展必須選擇適宜的養護方式,有效降低強度損失。標準養護與薄膜灑水養護效果相差不大,這是因為薄膜養護為膠結漿體充分水化提供了充足的水分,保證了多孔植生混凝土強度的順利發展。因此,在夏季澆筑施工時多孔植生混凝土宜選用覆蓋薄膜灑水養護方式。

實際工程中主要有預制鋪裝和現狀澆筑兩種方式,現場澆筑時必須考慮天氣條件選擇合適的養護方式,遇大風或烈日天氣時要注意灑水保濕,在加蓋塑料薄膜、草杉的同時定期對混凝土表面灑水養護,灑水養護時不宜用水直射,以防集料表面包裹的膠結漿體被水流沖刷破壞。若遇強降雨天氣,多孔植生混凝土表面受雨水沖刷極易受損,從而使混凝土強度下降,早期養護時必須采取相應的防護措施。對于尺寸適中的預制多孔混凝土,一般在成型后進行標準養護,標養環境溫度為(20±2)℃,相對濕度95%以上,在達到規定齡期后運輸到施工現場進行鋪裝。冬季低溫澆筑施工時,應注意對混凝土采取保溫措施。

3 結 論

1)比表面積法主要是利用單位體積所用集料內表面積計算試驗所用膠結漿體量,然后考慮單位體積內的膠結漿體和集料體積計算出該集料適用于多大孔隙率多孔混凝土的制備,對于多孔植生混凝土配合比設計該方法具有較強適用性。

2)在制備多孔植生混凝土時裹漿法表現出較好的適用性,采用該方法配制的膠結漿體能夠穩定、均勻地包裹在集料表面,拌合物無泌漿,呈玻璃光澤狀,工作性能良好,相比于常規法配制的多孔植生混凝土強度更高。

3)薄膜養護為膠結漿體充分水化提供了充足的水分,保證了多孔植生混凝土強度的順利發展,在夏季澆筑施工時宜選用覆蓋薄膜灑水養護方式,冬季澆筑時要采取保溫措施。