基于生態水工混凝土的試驗研究

孔憲忠

(海城市水利事務中心,遼寧 海城 114200)

傳統的漿砌塊石或混凝土硬質護岸具有較強的抗沖刷和耐久性,可以發揮較好的防汛排澇和維護岸坡穩定作用,但硬質擋墻、漿砌石邊坡覆蓋整個河岸表面,阻斷了淺層地下水與河流之間交換,河流自然過濾與滲透功能喪失使得水質更加渾濁。河流的生命孕育功能被破壞,以往綠意青翠的自然景觀消失,對河流生態功能造成一定破壞[1-3]。

為增加河岸綠化范圍和減少不透水岸坡面積,生態水工混凝土作為一種透氣性好、孔隙率高的植生型材料得到廣泛應用。通過后期注漿覆土,可以實現植被的生長,達到景觀綠化和功能使用的效果。然而,該材料在施工工藝、性能控制和配合比設計方面缺乏統一的標準規范。因此,為了確保植物根系能夠穿過生態混凝土內部孔隙進入土壤,文章選擇使用卵石作為粗骨料,通過摻入適量的尾礦粉取代部分水泥來降低孔隙中的堿環境,為植被生長提供良好條件[5-6]。在保證孔隙率的情況下,通過正交試驗設計配合比最大程度地增強混凝土強度,結合pH值、孔隙率和抗壓強度值提出優化的生態混凝土配合比,以期為生態混凝土在堤防護坡、河岸生態治理等工程中的應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用膠材大連小野田P·O 42.5級水泥、瓦房店誠遠廠提供半加密硅粉和加工研磨制成的鋰輝石尾礦粉。外加劑選用蘇博特聚羧酸減水劑和植生型混凝土增強劑,其主要參數指標如表1所示。

表1 增強劑主要參數

1.2 配合比設計

一般生態混凝土的孔隙率不宜超過20%～30%,故設計25%、27%、30%三種孔隙率。水膠比對生態混凝土起著至關重要的作用,選擇合適的水膠比可以確保拌合物具有適當的流動性,以便能夠充分包裹骨料。過小的水膠比會導致拌合物過于黏稠,難以完全包裹骨料,從而影響孔隙率;而過大的水膠比則會使拌合物流動性過大,導致漿體稀薄且出現沉底現象,使漿體變薄或堵塞下部孔隙,進而影響透水性和整體強度。因此,本研究選擇了3種不同的水膠比(0.22、0.28和0.30)進行試驗,并根據試驗目的設計硅灰摻量為8%。將增強劑添加到生態混凝土中可以與水泥反應生成水化合物。因此,試驗中選擇了3種不同的增強劑摻量(0%、5%、10%),以研究其對生態混凝土性能的影響。為了降低混凝土堿性研究選用鋰輝石尾礦粉替代水泥,替代量選取0%、10%、20%。

綜上分析,本研究共包含4個變量的3個水平,采用全面試驗法具有較長的周期和較大的工作量,需要制備27組試件。為全面準確地反映各因素水平的影響考慮選用正交試驗法,制備7組試件即可滿足試驗要求,正交試驗設計如表2所示。

表2 正交試驗設計

本研究采用體積法和正交試驗,參照《水工混凝土配合比設計規程》中的流程進行生態混凝土配合比設計,如表3所示。

表3 試驗配合比

1.3 有效孔隙率測試

有效孔隙率利用排水法進行測量,其主要流程為:將標養28d的試件取出后,將其置于室內自然風干,直至表面無水;然后準備一個漏桶,向其中倒入適量的水,使水面與漏桶出水口平齊,并在漏桶出水口正下方放置一個用于收集溢出水的量杯;將帶有鐵絲框的試件緩慢地放入漏桶中,直至完全浸沒,輕輕搖晃鐵絲框完全排出內部的空氣;最后,觀察并等待一段時間,直到不再有氣泡釋放為止,稱取溢出到量杯中的水,記錄其體積,通過體積換算,可以計算出試塊的有效孔隙率V0,計算公式為:

V0=1-V水/V

(1)

式中:V、V水為試件表觀體積和收集的水體積,m3。

1.4 測試pH值

通過測定水的pH值來了解混凝土中的堿度,其主要流程為:在水桶中浸泡試塊,并在一定時間間隔(24h)測定水的pH值,直到pH值穩定不變為止,結合測試數據評估pH值對植被生長的影響[7]。

2 試驗結果與配比優化

2.1 正交試驗結果

采用正交試驗測定生態混凝土的pH值、28d抗壓強度和實測孔隙率如表4所示,極差分析實測有效孔隙率和28d抗壓強度如表5所示。

表5 極差分析植

其中,K1、K2、K3表示3個水平下尾礦粉與增強劑摻量、水膠比、孔隙率四個因素的抗壓強度之和,k1、k2、k3代表K1、K2、K3的均值,極差R代表k1、k2、k3中最大與最小值之差。極差R越大代表計算結果受該因素的影響越高,該因素越重要,反之則越不重要。

依據極差R計算結果,從低到高各個因素對生態混凝土28d抗壓強度影響程度排序為鋰輝石尾礦粉摻量<增強劑摻量<水膠比<設計孔隙率,

生態混凝土實測孔隙率和最高pH值受各因素影響的程度存在一定差異,各因素的影響程度從低到高排序為增強劑<礦粉<水膠比<設計孔隙率。此外,通過繪制k1、k2、k3與最高pH值和28d強度的關系圖來研究不同因素的影響作用,如圖1所示。

圖1 不同參數效應圖

從圖1(a)可以看出隨設計孔隙率的增大生態混凝土的強度和pH值均逐漸減小。較小設計孔隙率條件下,膠材體積或用量越大水泥水化膠結骨料所形成的強度貢獻就越高,適當配合比時水泥用量越大則強度越高[8]。另外,水泥用量越大則水化形成的可溶性堿含量就越高,將其浸沒于水中測定的pH值就越大。

從圖1(b)可以看出,,增大水膠比會降低pH值和強度,過小的水膠比會降低流動性增大漿體稠度,對骨料包裹具有不利作用;而過大的水膠比易出現沉漿,漿體變稀對骨料的包裹變薄,會使得強度下降[9]。另外,隨著水膠比的增大,水泥漿體及其內部的可溶性堿含量逐漸減少,從而降低了pH值。

從圖1(c)可以看出,隨增強劑摻量的增大生態混凝土強度逐漸增大,pH值則呈先下降趨勢,究其原因是加入增強劑有利于激發水泥水化,從而提高強度。另外,水化越完全越會降低可溶性堿含量,將其浸沒于水中測定的pH值就越小。

從圖1(d)可以看出,隨鋰輝石尾礦粉摻量的增大生態混凝土強度和pH值均逐漸增大,這是因為摻入尾礦粉會降低拌合物流動性,漿體干硬有利于提升強度。此外,尾礦粉的摻入會減少水泥用量,這相當于降低了水的pH值。

2.2 配比優化

根據正交試驗結果分析生態混凝土實測孔隙率、最高pH值和抗壓強度受四個因素的影響作用,在此基礎上選定4個變量、三個水平的最優組合,以達到混凝土整體性能最優。隨設計孔隙率的增加生態混凝土的強度和pH值均逐漸下降,而實測孔隙率則呈現出增大趨勢,因此研究選取27%最佳孔隙率[10-11]。抗壓強度隨水膠比增加表現出先增加后減小的變化特征,而pH值呈現出下降趨勢,為保證強度研究選取0.28最佳水膠比。隨增強劑摻量的增大生態混凝土強度呈顯著上升趨勢,而pH值則表現出下降趨勢,孔隙率呈現出先上升后下降的趨勢,故研究選取10%最佳增強劑摻量;雖然尾礦粉有利于降低內部堿性,但對有效孔隙率和抗壓強度發展具有不利影響,故選取10%最佳尾礦粉摻量[12]。

結合生態混凝土孔隙率、pH值和強度分析結果確定最優組合如圖6所示,試驗測定最優組合混凝土性能如表6所示。結果顯示,經優化設計配制的生態混凝土最高pH值為9.1,28d強度達到10.41,實測孔隙率28.65,其各項性能相較于正交試驗組整體最優。

表6 優化配合比及試驗數據

3 結 論

1)從低到高各個因素對生態混凝土28d抗壓強度影響程度排序為鋰輝石尾礦粉摻量<增強劑摻量<水膠比<設計孔隙率,對實測孔隙率影響程度排序為增強劑摻量<鋰輝石尾礦粉摻量<水膠比<設計孔隙率,對最高pH值影響程度排序為增強劑摻量<鋰輝石尾礦粉摻量<水膠比<設計孔隙率。

2)抗壓強度隨水膠比增加表現出先增加后減小的變化特征,而pH值呈現出下降趨勢;隨增強劑摻量試件強度呈顯著上升趨勢,而pH值則表現出下降趨勢,孔隙率呈現出先上升后下降的趨勢;隨尾礦粉摻量的增大試件強度和pH值均逐漸增大,雖然可以降低堿性,但不利于有效孔隙率和抗壓強度發展。

3)試驗探討了生態混凝土性能受各種因素的影響作用,經優化設計配制的生態混凝土最高pH值為9.1,28d強度達到10.41,實測孔隙率28.65,其各項性能相較于正交試驗組整體最優。