火山石生态混凝土材料在生态水塘护坡中的应用探索

刘飞鹏，谢 非，许 婧，龚爱民，陈春武

(1.国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南 昆明 650031；2.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201；3.云南建投第二水利水电建设有限公司，云南 昆明 650501)

0 引 言

腾冲火山石资源丰富，前景广阔[1]。但火山石材主要用于建材以及旅游工艺品等方面，二次加工的混凝土碎石骨料中的火山石用途仅限于初级阶段。已有研究表明火山石载体生物膜能去除微囊藻毒素、硝酸态氮和磷酸盐，对养殖业和生态循环水净化方面有很大的潜力；但对水体净化性能的系统研究尚处于初级阶段。

随着国家对生态环保的愈加重视[2]，日益严重的水污染问题提上议事日程，环境友好型的生态材料逐渐得到人们的重视，应用生物修复的生态环保技术将是未来的一大趋势；普通混凝土应用范围广，使用寿命长，但是在新时期生态工程中，不利于生物与周边环境之间的交流[3]；生态混凝土的孔状结构有利于生物成长，丰富了河道等生态系统的多样性。

国内外对生态混凝土的研究虽然取得一些进展，但在原材料选择、配合比设计、成型工艺、耐久度等诸多方面尚存在许多问题，因此无法得到大规模的工程应用，生态混凝土在河流堤岸护坡、公路护坡和停车坪等应用中发挥着出色的作用，鲜见于水库护坡中，其抗冲刷[4]等性能尚不明确。本文探索火山石生态混凝土在水库护岸中的应用，逐步解决抗冲刷和糙率等水力学问题。将火山石和生态混凝土净化水体的功效叠加，以期能更好地处理水体污染，美化生态环境；促进当地火山石产业的新型开发途径；为生态环境治理中的水体循环和火山石开发等提供水力学理论基础。

1 现浇及预制生态混凝土

传统护坡加固混凝土易老化、钢筋腐蚀等问题突出[5]，而生态混凝土护坡由于植物根系的加筋和锚固作用，其随着时间增长，会增强护坡的稳定性，由此可见，生态混凝土材料用于护坡工程[6]，不但具有绿色生态作用，而且能够保证岸坡的稳定双重意义。

生态混凝土护坡有现浇式和预制构件式两种形式[7]。现浇式对河流岸坡平整度和稳定性要求高，养护方法与实时天气相关；最大孔径为毫米级，采用液力喷播或铺草皮等方式，其抵抗水流的冲刷比预制构件强。预制构件式可以根据需要设计不同尺寸和型号的预制构件，自动化程度高，施工方便[8]。本课题采用两种形式，探索其在水库生态护岸中的应用。

1.1 现浇生态混凝土制备及特性

生态混凝土是在普通混凝土基础上经过改良而成，具有俗称的蜂窝状的结构。满足力学性质的同时，透气和透水结构为生物的成长提供了良好的环境。生态混凝土的水灰比大致范围为0.2～0.3；碎石粒径为16～50 mm；掺合剂常用粉煤灰以及硅灰等工业废渣[5，9-10]，掺合料的添加使得内部的PH值到控制在10以下[11-12]，有利于植物的生长；一般选用具有高效减水性能的化学添加剂。生态混凝土连通空气、水、土壤，让生物具有平衡的生长环境，具有良好的生态景观效益，特点如下：

(1)具有一定的强度[7]。以火山石为原料的生态混凝土基本可以满足5～10 MPa的强度要求。

(2)构造独特。生态混凝土具有普通混凝土不具有的连续多孔性构造，类似“萨琪玛”，其多孔结构可以为水生生物，植物等留有生存空间，有利于生物的多样性。

(3)低碱环境[13]。一般来说，生态混凝土的碱度较低，可以使植物等拥有更好的生长环境，利于动植物的生长发育。

1.1.1试验材料

(1)水泥。华润水泥P.0 42.5级普通硅酸盐水泥。

(2)粗骨料。3种不同粒径级配火山石粗骨料如表1。

表1 火山石的物理性能参数

(3)掺合料。粉煤灰性能参数见表2。

表2 Ⅱ级粉煤灰物理性能性能参数 %

(4)外加剂。减水剂采用聚羧酸高效减水剂，液体状。

1.1.2试验制备

(1)混凝土的制备。试验分别采用3种不同粒径的粗骨料和普通硅酸盐水泥制备火山石生态混凝土。控制参数为：水灰比0.28，设计孔隙率介于25%～30%，粉煤灰按水泥掺量的5%加入。混凝土制备过程中，先加入粗骨料，用水将其湿润，随后加入水泥和外加剂等搅拌均匀后，加入剩余的水量，用捣棒逐层插捣并压实成型。

(2)抗压强度测定及结果分析。在试验室制作标准尺寸的生态混凝土试块并标准养护至28 d，执行GB/T 50081—2019规范，对混凝土进行抗压强度试验，加载装置为液压式数显压力试验机，并依照上述方法测定各体系生态混凝土物理力学性能试验结果见表3。

将粒径为16～50 mm的骨料分成3种不同粒径的组分，和硅酸盐水泥制备的生态混凝土，经过标准养护后，生态混凝土28 d抗压强度>5.20 MPa，与普通硅酸盐水泥制备的混凝土有相当的抗压效果。当火山石作为骨料加入普通硅酸盐为胶凝材料的混凝土体系中，混凝土28 d抗压强度比普通生态混凝土材料强度略低。由于火山石骨料具有比一般骨料更大的吸水性，在水泥拌制过程中吸收水分，水泥水化不均匀，粗骨料表明的水泥浆成型不均匀，混凝土中的骨料成型后黏结力不足，导致抗压强度下降明显。目标孔隙率的生态混凝土，生态混凝土的强度与骨料粒径呈反向相关。

表3 硅酸盐水泥生态混凝土的物理力学性能

1.2 预制生态混凝土构件特性

生态混凝土预制构件不但流出孔隙给植物生长，同时其自身的重力能够维持稳定，其根系穿过坡体表层，固定到较稳定的岩土层上，起到预应力锚固的作用；根系在土中与土形成复合体，错综复杂的结果相当于钢筋混凝土结构，草根作为三维加筋材料加强土体强度；植物作为生物，生长过程中需要蒸发和吸收的水分降低了孔隙水压力，对边坡的稳定和土体的抗剪起到有利作用。

生态混凝土预制构件采用方孔形砌块。板状砌块尺寸为0.4 m×0.4 m×0.5m，砌块中间的孔洞尺寸为边长50 mm的正方形。在砌块铺砌过程中，使砌块之间形成约50 mm的孔洞，孔洞的中间为植物等微生物的生长提供空间。

2 生态混凝土在生态水塘工程中的应用

生态水塘原为土质岸坡，现结合生态水塘工程现有的构造和建设情况，采用生态混凝土沿水塘库岸建设生态护坡[14]。生态护坡工程不但有利于库岸岸坡稳定而且能够重建库岸原有的生态环境。根据SL 744—2016《水工建筑物荷载设计规范》及水塘的水力条件，岸坡设计高水位2 009.9 m，设计低水位2 007.80 m，坡顶高程设计为2 010.50 m，坡底高程设计为2007.30 m。为比较现浇和预制生态混凝土的护坡生态效应，对坝塘护坡采用现浇生态混凝土和预制方孔形砌块的组合方式。

2.1 生态植物选择

在生态坝塘的坝坡进行试验，现浇构件位于水位变动区域以上，预制构件位于水位以下；在生态混凝土坡面的上进行覆土处理(表层10 mm厚的土壤)，红土土壤来源于塘底，并浇水养护，诱导植物生根发芽。为促进生态系统的稳定，选择多样化的物种将增加网状食物链结构的稳定性、使得生态系统趋向稳定。考虑到当地物种的种类，特选择鸭绒、黑麦草、白三叶、白羊草、披碱草、高羊茅等6种生物，对其进行生态型搭配和混种，促使生物群落容量的平衡增加。

2.2 坡面的植生试验

水库水位变动区是一个复杂的生态系统，由水、水生生物、空气组成，是水质改善的核心组成部分，可有效促进退化生态系统的重建。复杂生态系统中的生物能有效吸收水中各种氮元素等污染物，改善水质。根据水塘岸坡需要削减波浪和抗水力冲刷以及植物的综合生长特性，水位变动区选择预制块生态混凝土，以种植挺水植物为主，挺水植物采用植苗、插条、埋植等方式建置。

水位变动区以上浇筑现浇生态混凝土材料，为草皮护坡，人工植草的选择具有水土保持和拦截污染的作用；根据以往的经验，本次的人工种植挺水植物和草本植物，将种子与土壤混合，均匀的散播在水塘的岸坡坡面上。

2.3 坡面植生效果分析

昆明市盘龙区水塘工程根据当地气候、水质、土壤等条件，水位变动区上下均匀喷洒了芦苇和鸭绒、黑麦草等植物。除了前期的栽苗和浇水覆土等工作外，对岸坡采用粗放式管理，监测草种的生长状况如图1所示。从图1可以看出，草种等绿绿葱葱的植物凸显了岸坡固水保土效果的生态效益，保证岸坡安全稳定的同时形成了优美的生态景观。混凝土间隙中经常能发现各种微小的生物，重现了天然库岸的生物多样性局面。水塘生态护坡示范工程成功构建了动植物等生物的生存家园，形成了多样的生态环境，成为休闲娱乐的好场所。

3 结 语

火山石生态混凝土绿色岸坡，作为传统护坡材料的创新，其火山石载体生物膜能去除微囊藻毒素、含N和P的盐，吸附的N和P元素能够成为微生物和植物的营养元素，将火山石骨料制备生态混凝土，在生态系统的稳定以及水质净化方面有很大的前景。上述试验和探索中可得到如下结论：

图1 现浇火山石生态混凝土种草生长状况

(1)将粒径为16～50 mm的粗骨料按粒径分成3组，分别制备的生态混凝土，其28 d抗压强度最低可达5.20 MPa，孔隙率>24.2%，满足生态混凝土力学性能相近。由于火山石的吸水性，火山石生态混凝土的28 d抗压强度比普通混凝土略低。

(2)从室内试验可以看出，生态混凝土的抗压强度与骨料粒径的增大方向相反，透水系数与孔隙率的增大相同。当混凝土孔隙率一定时，透水系数则随粗骨料粒径的增大而提高。

火山石生态混凝土材料融合了材料学、微生物学、林草科学、水力学等多学科知识，集合了水土保持、植物栽培、生态修复、水质净化于一体，既改善了水库的生态环境和水力冲刷条件，又满足了生态景观等人类休闲娱乐的需求，具有良好的生态效益，值得推广应用。