绿化混凝土力学性能研究

黄亚梅，王立华

(1.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635；2.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；3.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 510635)

0 引 言

河岸带指高低水位之间的河道以及高水位以上的植被，受洪水和土壤持水能力影响的陆地区域。河岸带以自然为主导的，能够维持物种多样性、减少对资源的剥夺、维护生态系统的动态平衡，对提高河流生态系统的自我调节、自我修复能力、改善人类生活环境等方面具有重要的意义[1,2]。由于河岸土层或岩层在受到雨水侵蚀、洪水浸泡和河水冲刷时，均会引起河岸的水土流失、剥蚀或崩塌，从而导致河岸带的结构失稳。一旦河岸崩塌，整个河岸带生态系统将会遭到毁灭，结构稳定性是生态河岸带的首要功能。生态河岸带能为人们提供与水和谐共处的景观过渡平台，为人们提供休闲娱乐的高效、安全、健康、舒适、优美的生态景观环境。生态河岸带具有很强的生物多样性，各种生物种群间互为食物，形成了复杂的食物链，使生态河岸带处于动态平衡状态，在时间上能够维持其可持续性，可见，景观适宜性和生态功能是生态河岸带的另一个重要功能[3,4]。

为了保证河岸带的稳定性，防止水流和波浪对岸坡基土的冲蚀和淘刷，避免河岸崩塌，需要采取护岸措施保护河岸。传统护岸工程技术片面强调河岸的结构稳定性，主要考虑河道行洪速度、河道冲刷、岸坡稳定等因素，主要技术措施包括抛石、浆砌或干砌块石、预制混凝土块体、现浇混凝土、铰链混凝土沉排等；这些护岸结构质地脆硬，色彩灰暗单调，给人以粗、硬、冷的感觉，缺乏透气性和透水性，在不同程度上对景观、环境和生态均产生了不良的影响，造成水体与陆地环境恶化和生态破坏。因此，国内外工程技术人员开始研究开发新型生态护岸技术[5,6]。

绿化混凝土是一种以水泥、单粒级碎石粗骨料、外加剂和水为原材料拌制而成，内部具有大量连通孔隙，并以营养土填充孔隙、栽种植物的新型生态混凝土，为了进一步改善植物的生长环境，也可人为预留孔洞。绿化植物可以在绿化混凝土的孔洞中发芽、生长，成为植被，与作为基底的混凝土融为一体，成为名副其实的绿色混凝土。绿化混凝土基底提供了河岸防护所需的力学性能、抗冲刷性能和耐久性，保证了河岸的安全；表面的植被不仅可以固土护岸，防止水土流失，也可美化环境，作为景观，供人们休憩，并为近河岸动物提供栖息、繁衍的场所，为河岸提供丰富的生境，改善河岸区的生态环境，具有良好的景观和生态性，因而，在河岸防护工程中得到广泛的应用[7-9]。本文通过试验研究，揭示了影响绿化混凝土力学性能的主要因素及其规律性。

1 原材料与配合比

水泥为广东英德市马口水泥厂生产的英马牌硅酸盐水泥，强度等级为42.5R，细度、凝结时间和安定性合格，物理力学性能见表1。骨料为单粒级花岗岩碎石，性能指标见表2。

表1 水泥物理性能检验结果

表2 碎石检验结果

单方绿化混凝土的碎石用量为1 m3干燥密实状态的质量，水泥用量150～270 kg/m3，每种水泥用量通过试拌确定最佳水灰比。最佳水灰比应保证水泥在骨料表面均匀包裹，有金属光泽，无干涩感，没有水泥浆下淌的现象。采用锤击法制作绿化混凝土试件，分两层装料，用质量5 kg的铁锤每层锤击10次。抗压试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，采用标准养护，每组6个试件，以平均值作为试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 水灰比

如图1所示，绿化混凝土的抗压强度与水胶比的关系，与常态混凝土一样，符合“水灰比定则”，即随着水灰比增大，抗压强度下降，在一定范围内抗压强度与灰水比基本呈直线关系。这主要是由于水灰比越低，硬化水泥浆体的孔隙率也越低，内部越致密，抗压强度就会越高。在工程实践中，与普通混凝土相同，保持水泥用量不变，采用减水剂减小单位用水量，降低水灰比，是提高绿化混凝土强度最常用的方法。骨料粒径5～20、16～31.5和20～40 mm时，28d龄期抗压强度-灰水比关系分别见式(1)、式(2)和式(3)。

(1)

(2)

(3)

图1 28 d抗压强度-灰水比关系图

2.2 骨料粒径的影响

如图2所示，随着骨料粒径减小，绿化混凝土最优水灰比增大，这主要是由于骨料粒径减小，表面积增大，需要水泥浆润湿的表面增加，需水量增大，因此，当单位水泥用量相同时，随着骨料粒径减小，最优水灰比增大。

图2 骨料粒级对最优水灰比的影响

如图3所示，随着骨料粒径减小，绿化混凝土28 d抗压强度与骨料平均粒径呈线性关系。这主要是由于骨料粒径减小，同样体积内的结点增多，骨料颗粒之间的黏结面增大，骨料颗粒之间的黏结强度增大，因此，绿化混凝土的强度增大。工程实践中，减小骨料粒径，可以提高绿化混凝土的强度。当水灰比为0.40和0.35时，绿化混凝土28 d龄期抗压强度fc-骨料平均粒径d的关系见式(4)和式(5)。

fc=-0.36d+14.2

(4)

fc=-0.40d+18.5

(5)

图3 骨料平均粒径对28 d抗压强度的影响

2.3 水泥用量

水灰比过大或过小，对绿化混凝土的性能都有不利影响。当水灰比过小，以致水泥浆不能均匀包裹粗骨料时，会降低骨料颗粒之间的黏结，使强度降低；水灰比过大，不仅会使水泥浆体本身的强度降低，同时也会使水泥浆从骨料颗粒上滑下，形成上部水泥浆偏少，底部偏多的现象，降低“绿化”混凝土的渗透行性；只有当水泥浆具有适当的流动性，在自重或外界振动等作用下向结点流动聚集，从而增加结点的黏接力，才能使绿化混凝土具有最高的强度，因此，在同样的水泥用量时，绿化混凝土存在一个最优水灰比。骨料粒径和水泥用量不同，水泥浆的总量不同，最优水灰比也不相同。如图4所示，绿化混凝土的最优水灰比与水泥用量呈线性关系。

图4 最优水灰比-单位水泥用量关系图

如图5-7所示，在最优水灰比条件下，随着水泥用量增加，绿化混凝土的抗压强度和抗折强度增大。在工作性相当的条件下，水泥用量增加，绿化混凝土的水灰比减小，强度将增大。

图5 最优水灰比条件下的7 d抗压强度-单位水泥用量关系图

图6 最优水灰比条件下的28 d抗压强度-单位水泥用量关系图

图7 最优水灰比条件下的28 d抗折强度-单位水泥用量关系图

2.4 龄期的影响

当配合比相同时，绿化混凝土的抗压强度随龄期的增长而增大，7 d龄期与28 d龄期抗压强度之比介于0.79～0.83，平均为0.80。绿化混凝土以水泥作为胶凝材料，依靠水泥颗粒水化产生强度。水泥水化和强度的增长是一个长期的过程，水泥早期水化快，绿化混凝土强度增长迅速；后期水泥水化速度降低，绿化混凝土强度增长也会因为水化进程减慢而变缓，通常其7 d强度约为28 d的80%，一年后强度约比28d强度增长1倍，2年后强度仍有增长。

2.5 表观密度和孔隙率

绿化混凝土区别于普通混凝土的最显著特点是孔隙率大，渗透性好，植物可以生长，因此，绿化混凝土需要具有一定的孔隙率。孔隙率是绿化混凝土的重要特性，对植物在其上生长，动物的生存具有重要意义，设计上也往往对此有明确的要求。

如图8和图9所示，随着骨料粒径减小，绿化混凝土表观密度减小、孔隙率增大。这主要是由于骨料粒径减小，同样体积内的结点增多，由于水泥浆可以将骨料颗粒撑开，导致骨料之间的孔隙比例会增加，因此，绿化混凝土的表观密度减小、孔隙率增大。

图8 骨料粒级对最优水灰比条件下表观密度的影响

图9 骨料粒级对最优水灰比条件下孔隙率的影响

3 结 论

(1)绿化混凝土的最优水灰比随水泥用量和骨料粒级增大而减小，呈线性相关性；

(2)当采用最优水灰比时，随水泥用量增加，绿化混凝土的抗压强度、抗折强度和表观密度线性增大，孔隙率线性减小；

(3)当采用最优水灰比时，随骨料粒级增大，绿化混凝土的抗压强度、抗折强度和孔隙率线性减小，表观密度线性增大；

(4)绿化混凝土的强度随龄期增长而增大，7 d龄期抗压强度为28 d龄期的0.80倍。

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[1] Naiman R J.Watershed Management:Balancing Sustainability and Environmental Change[M]. New York: Springer,Verlag,1992.

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[6] 黄锦林，王立华. 绿化混凝土在中小河流治理工程中的应用[J]. 水利建设与管理，2016，(9)：59-63,41.

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