新型抗冻植被混凝土配比及性能研究

高文涛，刘福胜，韦梅，朱峰，齐强

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

新型抗冻植被混凝土配比及性能研究

高文涛，刘福胜，韦梅，朱峰，齐强

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

以提高植被混凝土的抗冻性能为核心，在保证透水性能的前提下，采用粗纤维（塑钢纤维）、细纤维（聚丙烯腈纤维）、建筑胶粉和砂复合增强的方法，同时掺加适量引气剂等材料提高植被混凝土的抗冻性能。通过正交试验，初步确定了新型抗冻植被混凝土的最佳配比，按此配比成型的植被混凝土抗冻等级大幅提高到F150，其力学性能和透水性能也得到了较大改善，该植被混凝土可在北方寒冷地区推广应用。

植被混凝土；抗冻性能；聚丙烯腈纤维；塑钢纤维；正交试验

0 引言

植被混凝土是指以一定厚度的大孔隙透水混凝土板为骨架，孔隙内填充混有植被种子的植生基材，种子发芽生长，根系逐渐穿过多孔混凝土，扎入下层土壤，牢牢地将多孔混凝土板固定在大地上，使植被、混凝土和下层土壤连为一个整体，从而起到固土护坡的作用，可广泛应用于道路、河道、水库边坡、山体修复和城市空地的硬化等领域[1-2]。

因植被混凝土具有30%左右的超高孔隙率，孔隙内充满水时极易发生冻胀破坏。通过前期研究发现，在不采取任何抗冻措施的条件下，普通植被混凝土在承受最多20次冻融循环后就会出现断裂、粉碎等严重破坏，抗冻性能极差。目前，植被混凝土抗冻方面的研究很少，更无突破性进展，抗冻性能不足严重限制其在北方寒冷地区推广使用，所以植被混凝土只在我国南方地区小范围应用。针对这一现状，本研究通过大量的试验，最终确定采用粗纤维（塑钢纤维）、细纤维（聚丙烯腈纤维）、建筑胶粉和砂复合增强的方法，同时掺加适量引气剂等材料提高植被混凝土的抗冻性能，并通过正交试验确定了材料的最佳用量，大幅度提高了植被混凝土的抗冻性能，为植被混凝土在北方地区的推广奠定了基础。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：泰安中联P·O42.5水泥，28 d抗压、抗折强度分别为46.3、8.7 MPa。

（2）粗骨料：泰安本地产普通石灰岩碎石，10～30 mm连续级配，试验中所用不同粒径碎石均由对此连续级配的碎石筛分得到，含泥量＜0.1%，压碎值＜7.5%，表观密度2.72 g/cm3。

（3）水：普通自来水。

（4）减水剂：山东潍坊万山集团有限公司生产，FDN-A萘系高效减水剂，减水率18%～28%。

（5）建筑胶粉：桐城市浩桐装饰材料有限公司生产，冷水速溶801环保胶粉，固含量（95±1）%，外观为白色粉状，细度90～120目，pH值7～9。

（6）聚丙烯腈纤维：湖北武汉鼎强牌，长度6～12 mm，密度1.18 g/cm3，直径（13±5）μm，吸水率＜2%，断裂强度600～900 MPa。

（7）塑钢纤维：湖北武汉鼎强牌，长度20～40 mm，密度0.91 g/cm3，直径0.8～1.5 mm，不吸水，断裂强度＞500 MPa。

（8）引气剂：济南鑫源化工有限公司生产，松香皂引气剂。（9）砂：泰安本地产普通中砂。

1.2 试验方法

1.2.1 试件制备与养护

制备工艺：先将筛分好的碎石冲洗干净，晒干；建筑胶粉、引气剂、减水剂溶于水中搅拌3 min，使其充分分散；将骨料和70%的拌和水混合搅拌1 min；再加入聚丙烯纤维和塑钢纤维以及50%胶凝材料，搅拌1 min，使纤维充分分散；最后加入剩余的50%胶凝材料和30%的拌和水，搅拌2 min。新拌混凝土分3层（每层5 cm）装入模具（150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm），每层用Φ16 mm铁棒插捣20次；装满模具后先机械振动20 s，然后施加0.1～0.15 MPa的压力；试件成型2 d后脱模，脱模后在温度（20±3）℃、相对湿度（60～80）%的条件下养护至28 d[3-4]。

1.2.2 孔隙率测试方法

试验时挑选外形规则、平整的试件，把试件用吊索固定好，然后放入准备好的水中，水满过试件上表面后浸泡24 h，然后称取在水中的质量，烘干试件至恒重，称取其在空气中的质量，再将试件在标准养护条件下放置24 h，称取其在空气中的质量，按式（1）、式（2）计算总孔隙率和有效孔隙率。

式中：P1——总孔隙率，%；

P2——有效孔隙率，%；

V——试件的外观体积，cm3；

ρ水——水的密度，取1.0 g/cm3；

W1——在水中浸泡24 h后试件的质量，g；

W2——烘干至恒重后试件的质量，g；

W3——在标准养护条件下放置24 h后试件的质量，g。

1.2.3 抗压强度测试方法

抗压强度按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，标准养护至28 d。根据植被混凝土的特点进行适当调整，受压时选取试件1个相对平整的侧面作为受压面，用高强石膏找平，加荷速度0.3 MPa/s，每组试件数量为6块。

1.2.4 劈裂抗拉和抗折强度测试方法

劈裂抗拉和抗折强度按照GB/T 50081—2002进行测试，裂抗拉试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗折试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，均标准养护至28 d。加荷连续均匀，加荷速度为0.02 MPa/s。

1.2.5 植被混凝土抗冻等级测试方法

由于植被混凝土相关技术在国内尚不成熟，没有一套专门针对植被混凝土抗冻等级的测试方法，本试验按GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的要求设计试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组3块，标准养护28 d，在水中浸泡4 d，放入试件盒内，向试件盒内注水，直至水面高出试件顶面20～30 mm。将试件连同试件盒放入冻融试验机内，开始冻融循环。每次冻融循环在3～4 h内完成，冻结时间与溶解时间基本相同。每25次冻融循环将试件盒内试件上下颠倒1次，以保证盒内试件受冻均匀。每25次冻融循环测试1次试件的质量损失和相对动弹性模量，抗冻等级按照相对动弹性模量下降至不低于60%、质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定[5]。

2 试验结果与分析

2.1 植被混凝土抗冻性能初步研究

本次试验的主要目的是研究植被混凝土受冻破坏的特点，探索提高植被混凝土抗冻性能的有效措施，为进一步研究提供依据，参阅相关文献[6-7]，本次试验采用较多因素较少水平的正交试验，试验选取的因素与水平见表1，正交试验方案选L8（27），纤维、引气剂和胶粉用量均按占水泥质量计。

表1 正交试验因素水平

试验的指标为试件明显破坏时所能够承受的冻融循环次数。结果表明，大部分试件在冻融循环进行到20次左右时便发生破碎或断裂等严重破坏（见图1）。通过观察植被混凝土的破坏特点，破坏的原因主要是植被混凝土与外界连通的大孔隙内的水冻胀产生巨大压力将混凝土胀裂破坏；混凝土表面出现大量水泥碎屑和微小裂缝，原因主要是混凝土内部封闭微孔内水的冻胀所致，此破坏机理与普通混凝土相同。而掺加适量的聚丙烯腈纤维对植被混凝土抗冻性能有较大提高，当纤维掺量为0.03%时，能够承受的冻融循环次数达到了40次左右。引气剂、砂、801胶粉的掺入对植被混凝土的抗冻性能也有一定提高，但其效果不如聚丙烯腈纤维显著。

图1 因冻胀而破碎和断裂的植被混凝土

通过试验，明确了植被混凝土冻融破坏的特点和原因，找到了增强植被混凝土抗冻性能的措施，通过继续优化研究，以进一步提高植被混凝土的抗冻性能。

2.2 粗细纤维复合对植被混凝土性能的影响

在前期试验研究的基础上得出，适量的聚丙烯腈纤维对植被混凝土的抗冻性能提高效果明显，但植被混凝土的抗冻性能依然很差。本次试验进一步优化了聚丙烯腈纤维的掺量，并掺加适量较粗的塑钢纤维，粗细纤维复合增强以期大幅提高植被混凝土的抗冻性能。另外，碎石的级配、水胶比也是对植被混凝土性能影响较大的因素，亦需进一步优化[8-9]。

本试验把聚丙烯腈纤维掺量、塑钢纤维掺量、水胶比、碎石级配作为影响因素考虑，每个因素取3个水平，正交试验因素水平见表2。试验基础配比为：碎石用量1562 kg/m3、水泥用量300 kg/m3，聚羧酸高效减水剂、建筑胶粉、引气剂掺量分别占水泥质量的0.25%、2%、0.01%。需要说明的是，为了便于正交分析，混凝土的抗冻性能以破坏时承受反复冻融循环的次数来表示。由于植被混凝土抗冻性能较差，故本次试验每5次冻融循环对试件的破坏情况进行测试，记录试件所能承受的最大反复冻融循环次数。正交试验结果见表3，极差分析见表4。

表2 优化正交试验因素水平

表3 正交试验设计及性能测试结果

表4 正交试验极差分析

由表3、表4可知：

（1）各组植被混凝土的有效孔隙率都在28%左右，满足植物生长对孔隙率的要求，说明纤维的掺入对植被混凝土的透水性能影响不大。

（2）聚丙烯腈纤维掺量是影响植被混凝土抗折强度、抗压强度和抗冻性能的主要因素。随着聚丙烯腈纤维掺量的增加，混凝土的抗折和抗压强度逐渐降低，抗冻性能先有较大幅度的提高、而后有所降低。本研究以提高抗冻性能为核心，所以聚丙烯腈纤维掺量取0.06%。

（3）随着塑钢纤维掺量的增加，植被混凝土的抗压强度有小幅降低，而抗冻性能明显提高，抗折和劈裂抗拉强度小幅度升高后有所降低。综合考虑，塑钢纤维掺量取0.20%。

（4）水胶比对各个指标的影响均较小，随着水胶比增大，抗折和劈裂抗拉强度先升后降，但是变化幅度不大，抗压强度和抗冻性能先降后又提高。综合考虑，水胶比选取0.32。

（5）碎石的粒径范围对各项指标影响都较小，综合考虑对各指标的影响以及筛分的难易程度和材料的利用率，选取粒径13.5～25 mm为最佳。

根据试验结果，基于本课题所期望达到抗冻性能好、强度高、透水性能较好、材料利用率高等效果，得到最佳组合为：A2B3C3D2。根据正交试验结果再进行单因素试验，进一步优化配合比。

2.3 最佳配比制备的新型抗冻植被混凝土性能研究

试验设置2组：第1组为上述正交试验所得最佳配比制备的植被混凝土试件，第2组在第1组的基础上采用2%的砂率，研究砂对植被混凝土的增强作用，尤其是对抗冻性能的增强效果。新型抗冻植被混凝土质量损失率和相对动弹性模量随冻融循环次数的变化分别见图2、图3，主要力学性能和透水性能见表5。

图2 新型抗冻植被混凝土质量损失率的变化

图3 新型抗冻植被混凝土相对动弹性模量的变化

表5 新型抗冻植被混凝土的性能比较

分析图2和图3可得，砂率为2%的新型抗冻植被混凝土试件相比于不掺砂时，质量损失率降低速度明显变慢，在达到150次冻融循环时，不掺加砂的第1组出现明显的裂缝，掺加砂的第2组基本没有明显破坏。在达到150次冻融循环时，掺加砂的第2组相对动弹性模量依然在60%以上，而第1组已经降低到50%以下，发生破坏。

分析表5可知，砂的掺入对植被混凝土力学性能有一定增强作用，其28 d抗压强度可稳定在9 MPa左右，抗折强度在2.5 MPa左右，劈裂抗拉强度在1.8 MPa左右，有效孔隙率在27%左右，混凝土变得密实也导致孔隙率有所降低，但降低幅度不大，后期可对配比继续优化，以使孔隙率进一步提高。综上，新型抗冻植被混凝土的最终配比中采用2%的砂率。

2.4 各材料对植被混凝土抗冻性能和其它性能作用机理分析

通过以上试验结果可得，适量粗细纤维复合掺入对植被混凝土的抗冻性能增强效果明显，原因在于纤维在混凝土中散乱分布，可以有效地增加混凝土内部的粘聚力和整体性，抑制混凝土开裂，且纤维具有很好的韧性，能够通过变形释放冻胀力，可以阻止裂缝的进一步发展。当只掺加聚丙烯腈纤维时，掺量太少增强效果不明显，掺量太大又容易出现分布不均、吸水成团现象，且聚丙烯腈纤维本身强度较低，分散在水泥浆体中，对混凝土的强度有一定的削弱作用，从而间接削弱混凝土的抗冻性能。而粗纤维（塑钢纤维）本身的抗拉和抗压强度较高，并且不吸水、更易均匀分散，所以适量塑钢纤维的掺入对抗折强度、劈裂抗拉强度以及抗冻能力增强效果明显。两者复合增强，效果显著。

建筑胶粉具有很强粘性，能在冷水中速溶，易均匀的分散在水泥浆体中，可大大增强水泥浆体的整体性和粘聚性，加上高分子胶材所固有的韧性，能够有效地通过变形释放冻胀力，达到增强抗冻性能的效果。另外，建筑胶粉有很好的保水性，可有效防止植被混凝土出现分层、沉浆，大大提高水泥浆的和易性及黏性，易于保证施工质量，保证混凝土的各项性能稳定。

砂的掺入使混凝土变得更加密实，同时砂作为骨料分散在水泥浆体中，与所加纤维复合增强，提高了水泥浆体的强度和抗裂性能，植被混凝土最薄弱的部分得到了加强，抗冻和力学性能都有所提高。

3 结论

（1）一般普通植被混凝土在反复冻融循环进行到20次左右时便发生破碎或断裂等严重破坏。其破坏特点为：植被混凝土与外界连通的大孔隙内的水冻胀产生巨大压力将混凝土胀裂破碎，破坏均以水泥浆体开裂为主，水泥浆体是植被混凝土的薄弱部分；混凝土内部封闭微孔内水的冻胀所致，破坏机理与普通混凝土相同。

（2）根据植被混凝土破坏的特点，通过正交试验，在混凝土中掺加0.06%聚丙烯腈纤维、0.2%塑钢纤维和2%的建筑胶粉，采用2%的砂率，可有效提高水泥浆体的整体性和抗裂能力，掺加0.01%的引气剂可有效地解决混凝土内部封闭微孔内水的冻胀所致破坏，其共同作用使植被混凝土的抗冻性能大幅度提高，从F20提高到F150，符合GB/T 50082—2009对混凝土抗冻性的要求，满足北方寒冷地区实际工程应用需要。在此基础上，继续优化配比，以期进一步提高植被混凝土的抗冻性能。

（3）通过配比优化，新型抗冻植被混凝土的28 d抗压强度可稳定在9 MPa左右，抗折强度在2.5 MPa左右，劈裂抗拉强度在1.8 MPa左右，有效孔隙率在27%左右，满足实际工程的应用要求。

[1]杨加，周锡玲，张胜，等.环保型植生多孔混凝土试验研究[J].混凝土与水泥制品，2011（10）：9-12.

[2]王桂玲，王龙志，张海霞，等.植生混凝土的含义、技术指标及研究重点[J].混凝土，2013（1）：105-109.

[3]张朝辉.多孔植被混凝土研究[D].重庆：重庆大学，2006.

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[5]王智，石从黎，钱觉时.多孔植被混凝士的耐久性研究[J].新型建筑材料，2009（1）：27-29.

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[7]周明涛.植被混凝土冻融效应试验研究[D].武汉：武汉大学，2010.

[8]周明涛，胡欢，胡旭东.植被混凝土复合抗冻剂的组配试验[J].中国水土保持科学，2014（4）：62-66.

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Study on new antifreeze vegetation concrete mix ratio and performance

GAO Wentao，LIU Fusheng，WEI Mei，ZHU Feng，QI Qiang
（Water Conservancy and Civil Engineering Colleges，Shandong Agricultural University，Taian 271018，China）

In order to improve the frost resistance of vegetation concrete as the core，under the premise of ensuring the permeability，the crude fiber（steel fiber），fine fiber（polypropylene fiber），building glue and sand composite enhancement method，also with an appropriate amount of air entraining agent and other materials improving the frost resistance of concrete.Through orthogonal test，initially identified the best ratio of new antifreeze vegetation concrete，used the ratio of forming the vegetation concrete frost resistance grade greatly increased to F150，the mechanical properties and permeability have also been greatly improved，all above have laid the foundation for vegetation concrete application in the northern cold area.

vegetation concrete，frost resistance property，polyacrylonitrile fiber，steel fiber，orthogonal test

TU528.2

A

1001-702X（2016）11-0030-04

山东省重大水利科研与技术推广项目（SDSLTG201604）

2016-03-18；

2016-04-15

高文涛，男，1988年生，山东莱芜人，硕士研究生，研究方向为新型水工材料。