生态透水混凝土铰接块的研发与示范

2018-08-28张守杰苏安双李兆宇

水利科学与寒区工程 2018年6期

张守杰,苏安双,钟华,李兆宇

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

生态透水混凝土又称多孔混凝土或无砂混凝土，由粗骨料、水泥和水拌合而成，粗骨料表面包裹一层水泥浆相互黏结形成多孔、轻质的结构。一般认为，透水混凝土起源于1852年的英国，当时是由于某工程项目原材料不足引发了相关人士的创新发明。而直到20世纪60年代，美国才开始系统性地研究透水混凝土。1963年，美国首先发表了透水混凝土配合比设计方法[1]，1979年，首次使用该混凝土建成具透水能力的停车场，并由此申请获得透水混凝土发明专利[2]。20世纪90年代，日本开始研究透水混凝土在生态方面的应用，以透水混凝土作为骨架，在内部填充保水性材料，表面种植物，以加固、绿化道路边坡、河堤护岸[3]。美国沥青路面协会颁布了透水沥青混凝土的设计方法，设计、建造和维护级配沥青混凝土道路[4]。透水水泥混凝土的使用和设计方法可参见美国波特兰水泥协会颁布的基于水文学的透水水泥混凝土设计手册[5]。透水沥青混凝土的使用和设计方法参见美国沥青路面协会NAPA颁布的透水沥青混凝土路面手册[6]。1995年Nader Ghafoori阐述了不含细骨料混凝土的概要，讨论了透水混凝土作为铺路材料的应用[7]。1995年，日本混凝土工学协会提出生态混凝土概念并成立相关研究委员会[8]。相比普通混凝土，我国对于透水混凝土系统性的研究还比较匮乏。同时，透水混凝土的抗冻性能较差，难以在寒区冻融环境条件下长期稳定服役。

铰链式护坡是近几年发展起来的一种通过工厂化预制混凝土板块，现场快速拼装而成的柔性混凝土护坡型式，既具有传统刚性护坡系统的防冲刷、稳定的优点，还具有良好的适应基土变形的能力。由于铰链式护坡对变形适应能力强，可以减少由于遇到不良土质、沉陷、膨胀土、堤防塌陷、结冰隆起等引起的破坏[9-11]。

在实际应用中，铰链式混凝土护坡是由一组尺寸、形状和重量一致的混凝土砌块用绳索铰链成的连锁型结构[12-13]。为了减轻现场起吊安装重量和植草，所采用的混凝土预制块多为中间空洞、边角形状复杂的块型，在现场安装与吊装时很容易破碎。同时，工厂化预制生产时需要带模具养护，不利于提高生产效率，因而有待进一步技术改进。

黑龙江省水利科学研究院针对透水混凝土寒区应用及铰接式护坡技术升级开展大量科研试验工作，研发出生态透水混凝土铰接块。该产品通过高强多孔设计，使铰接块在无薄壁结构条件下降低自重，从而减少运输、吊装过程中的破损；通过材料配方优化与浆体黏稠度调控，实现了透水混凝土块体的压制成型和快速脱模，显著节约模具费用和提高生产效率；基于浆体超高强化设计与多孔连通构造，解决了寒区应用透水混凝土的技术瓶颈；通过配方及养护工艺优化，大幅降低水化产物pH值，同时利用生态透水混凝土的连通多孔特点，实现植被在块体上种植、生长。

1 强度

生态透水混凝土铰接块的强度见图1及图2。随着透水混凝土的孔隙率增长，抗压强度和劈裂抗拉强度不断降低。根据美国高速公路局研究成果，高抗冻性透水混凝土的强度需达到20 MPa左右，初步确定18%和20%空隙率的两个透水配合比。在其他条件均相同的情况下，掺入10%天然砂的两个配合比混凝土抗压强度最高，分别达到24.4 MPa和29.1 MPa。

2 透水性能

如图3所示，透水性能测试采用自制仪器设备，按如下步骤进行：

(1) 将混凝土试件放入一个内部尺寸为100 mm×100 mm的方形有机玻璃筒体中，并通过玻璃胶将有机玻璃筒与混凝土试件接触表面粘结密封好。

(2) 待玻璃胶凉干之后，将有机玻璃筒体中装入自来水。

图1 空隙率对强度影响作用

图2 掺加天然砂对强度影响作用

(3) 用秒表记录时间，当有机玻璃筒中水液面距试件上表面160 mm起计时，直至0 mm为止。

混凝土透水系数计算公式如下：

V=H/t

(1)

式中：V为透水系数，mm/s；H为水位下降高度，160 mm；t为水位从160 mm高度降至0的时间，s。

图3 透水性测试装置及混凝土试块透水性照片

透水性能试验结果见图4，随着空隙率提高，渗透系数不断增长，渗透系数变化范围为0.6～1.0 cm/s。

图4 空隙率及掺砂对渗透系数影响作用

3 抗冻性能

生态透水混凝土铰接块的抗冻性参考美国试验方法和我国国家标准，采用100 mm立方体试件，通过测试不同冻融循环次数之后的质量损失率进行评价。抗冻标号以质量损失率不超过5%时所达到的最多冻融循环次数为准。

图5 不同冻融循环下质量损失率

试验结果见图5。结果表明，随着冻融次数的增加，各试件的质量损失率逐渐增大，50次冻融循环的质量损失为0.5%～1.2%，200次冻融循环质量损失为2.5%～3.8%。相同冻融次数后，质量损失率随着设计空洞率降低和掺砂量增加而略有降低趋势。经过200次冻融循环之后，各配合比混凝土的质量损失率均在4.0%以下。经过300次冻融循环之后，当掺加5%～10%砂之后，两种孔隙率混凝土的质量损失率均小于5%。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对混凝土抗冻等级的评定方法，各配合比透水混凝土的抗冻等级均达到F200以上。在最佳配合比条件下，透水混凝土的抗冻耐久性达到F300的要求，可以用于严寒地区水利工程的边坡防护。

4 宜生性

生态透水混凝土铰接块的宜生性采用铰接块浸泡水pH值测试和植物生长试验的方法确定。其中，铰接块浸泡水pH值检测试验是将铰接块放置于0.07 m3的水槽中，测试铰接块浸泡水pH值随时间的变化规律。试验周期约为5周，结果见图6。植物生长试验是在透水铰接块上覆土，撒草籽，观测铰接块上草种的生长情况。植物生长情况见图7。

图6 铰接块浸泡水pH值

图7 生态透水混凝土铰接块护坡上植物生长情况

铰接块浸泡水pH值检测试验结果表明，铰接块浸泡水的pH值初期增长迅速，第25天开始，pH稳定在9，不再变化，pH值变化范围为7～9。这说明铰接块初期碱性析出较多，25 d后不再析出碱性物质。考虑到试验过程中水的体积较小，仅0.07 m3，按体积百分比计算，透水混凝土铰接块相较于普通混凝土来说优势显著。实际工程应用中，护坡结构处于流动水体中，其pH值还会进一步降低。

图7结果表明，透水混凝土铰接块上植物长势良好，说明透水混凝土铰接块可以为植物生长创造适宜的条件。

5 现场施工技术

5.1 现场运输、吊装

拼装好的铰接块预制单元静置养护48 h后，使用吊车采用平吊法将其吊装至运输车辆上，运至工程现场。再用平吊法将预制单元吊装至铺设位置。平吊法一次可吊装3～4片预制单元。为避免超重拉断缆绳，直径10 mm的缆绳一次吊装总重量不宜超过4 t。铰接块预制单元吊装施工照片见图8。

5.2 现场铺装

铰接块预制块单元采用人工铺设法施工。具体步骤如下：

(1) 挖掘机将预制单元吊至施工坡面。

(2) 人工辅助安装，通过调节护坡单元间的相对位置，将预制单元摆放到铺设位置，使预制单元间的缝隙最小化。

(3) 按设计要求用聚乙烯绳将相邻的预制单元绑扎连接牢固。

透水混凝土铰接块护坡现场铺装照片见图9。

图8 铰接块预制单元吊装施工照片

图9 铰接块护坡现场安装施工照片

5.3 铰接块预制单元的连接

相邻2个铰接块预制单元之间的连接有2种连接方式，即绑扎连接法和锚杆固定法。其中，绑扎连接法用直径10 mm聚乙烯绳进行绑扎连接，每间隔50 cm绑扎一道，将多个预制单元连接成整体的柔性护坡矩阵。绑扎连接方式见图10。锚杆固定法是将锚杆在相邻预制单元4个边的中点处插入土体，通过锚杆端部的圆环固定相邻预制单元端部的缆绳，使各预制单元形成一整体，锚杆间距为100 cm。锚杆固定方式见图11。