植被再生混凝土的透水性能研究

胡海明，孙 畅

(1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院， 辽宁 沈阳 110168；2.辽宁科技大学 土木工程学院， 辽宁 鞍山 114000)

目前，植被混凝土因其水质净化、水土保持、修复绿化带、重建恶化的生态环境等作用，得到世界各国材料和环境领域研究学者的普遍关注[1-3]。所谓植被混凝土，是以无砂多孔混凝土为骨架，内部孔隙中填充生长基质或植生基材，组成具有一定强度且适宜植物生长的混凝土及其制品。植被混凝土的优点主要表现在生态性和透水性等方面。通过植物生长营造良好的锁水功能，减少水土流失，巩固生态环境，植被混凝土良好的透水性可在一定程度上增强路面透水性，减少地表径流量和雨水滞留造成的洪涝现象[4-6]。

透水性是植被混凝土工作性能的重要评价指标之一，良好的透水性是保证雨水顺利透过混凝土层渗入地下水系统的基本条件。在植被混凝土的透水性研究方面，徐行军等[7]、张磊蕾等[8]、姜成等[9]和程冬扬等[10]对满足抗压性、抗冻性和抗折性的透水混凝土进行试验研究，发现路用透水混凝土的有效孔隙率对其透水系数起着决定性作用。王玉梅等[11]测试了多孔混凝土的透水系数，结果表明多孔混凝土孔隙率与透水系数之间存在良好的二次线性函数关系，且透水系数与强度值呈反比例相关。陈晋栋等[12]通过试验对透水混凝土透水系数与孔隙结构的相关性进行研究，发现应用Kozeny-Carman方程能够很好地表达透水系数与有效孔隙率之间的关系。此外，植被混凝土的组成成分也对透水性具有一定影响。尹志刚等[13]基于正交试验对透水混凝土的力学性能进行研究，结果表明设计孔隙率对再生骨料透水混凝土的连续孔隙率和透水系数影响最大，而微硅粉、水胶比和增加剂掺量的影响程度较小。陈守开等[14]通过单一因素下透水混凝土的性能研究发现，再生骨料和钢纤维的掺入有利于增加混凝土内部孔隙，提高透水性能与解伟等[15]的研究结果相同。

植被再生混凝土是将植被混凝土与再生混凝土技术相结合，使用破碎至适宜粒径的废弃混凝土取代植被混凝土中的粗骨料。本文研究了植被再生混凝土的透水性能及其影响因素，并初步将植被混凝土应用于植被边坡，研究雨水径流情况。

1 试验方法

1.1 植被混凝土制备

构成植被再生混凝土骨架结构的多孔透水混凝土材料，包括水泥、粗骨料、超细矿粉、减水剂。植被混凝土配合比见表1。

表1 再生骨料多孔混凝土配合比

图1(a)为边坡防护试验研究所使用的小试块植被混凝土，尺寸为100 mm×100 mm×60 mm；图1(b)为边坡防护试验中所使用的整板植被混凝土，宽度为400 mm，厚度为60 mm。

图1 植被再生混凝土

1.2 透水性测试方法

参照《透水水泥混凝土路面技术规程》[16](CJJ/T 135—2009)以及相关文献，以透水系数描述植被混凝土的排水性能，试验采用自制的改进混凝土透水系数测定装置(见图2)。植被混凝土的透水系数KT按式(1)计算：

(1)

式中：KT为T℃的水温下测定的透水系数，mm/s；A为混凝土渗透受压面积，mm2；Q为t时间内渗出水量，mm3；H为水位差，mm；t为测试时间，s。

图2 透水系数测定装置

渗透系数k是反映土渗透性能的定量指标，试验采用TST-55渗透仪，通过变水头法测量植生基材及其主要组分的渗透系数，试验装置见图3。变水头管内截面面积为a，试样高度为L，试样面积为A，测量时刻t1、t2对应的水位h1、h2，根据式(2)即可求出渗透系数。

(2)

每组试样初始水头均为90 cm，水头每下降10 cm记录时间，最终水头下降至40 cm结束，测得5组数据。每种试样重复测量5次，结果去掉最大值和最小值后取平均值作为该组试样渗透系数。

图3 渗透系数测量装置

1.3 人工降雨试验

图4为管网式人工降雨装置，此装置是下喷式模拟降雨形式，由降雨系统、支撑系统和供水系统三部分组成，降雨系统由PVC管制成，置于支架最上端；支撑系统由直径20 mm的钢管和边长50 mm的角钢焊制而成，距地面2 m高；供水系统由水泵、阀门、流量表、供水管等组成，调节阀门便可控制雨强大小。

图4 人工降雨装置

2 试验结果分析

2.1 植生基材的渗透系数

植被混凝土的骨架结构为植物提供了生长空间，但其中缺少植物生长所必须的营养物质和水分，因此需要在植被混凝土内部孔隙中填充一定的生长基材，为植物提供基本生存载体及营养成分。而植生基材的灌注会填充植被混凝土孔隙，降低混凝土的透水性。试验测定的植生基材渗透系数见表2。

表2 渗透系数测量结果

植生基材是具有一定黏度的浆体，具有一定流动性，但无法将植被混凝土所有孔隙填充完全。试验所用植生基材含有一定纤维状材料，使其在保持透水性的同时具有耐冲刷性。

2.2 骨料级配对植被再生混凝土透水性能的影响

使用5 mm～25 mm、5 mm～16 mm、16 mm～25 mm和10 mm～20 mm级配的再生骨料制备植被混凝土，超细矿粉的掺量为60%，孔隙率为20%，水胶比为25%。不同骨料级配下植被再生混凝土透水系数见图5。图5左侧和右侧纵坐标分别对应未灌注植生基材和灌注植生基材后的混凝土透水系数。

由图5可见，未灌注植生基材之前，单一级配植被混凝土的透水系数高于连续级配的植被混凝土，骨料粒径越大的植被混凝土透水系数越大。透水系数最高为级配16 mm～25 mm的混凝土。灌注植生基材之后，植被混凝土的透水系数比未灌注之前减小一个数量级，不同骨料级配对透水系数的影响也降低。灌注植生基材后，骨料级配为16 mm～25 mm的植被混凝土的透水性反而最差。这是因为连续级配的混凝土骨料堆积更密实，表观密度更低。级配为5 mm～25 mm的骨料的表观密度为2.46 kg/m3，级配为16 mm～25 mm的骨料的表观密度为2.39 kg/m3。当骨料堆积更密集，制备的植被混凝土更容易产生不连通的孔隙，降低了植被混凝土的透水性。当骨料粒径的分布比较集中时，容易形成连通的孔隙。骨料的粒径越大，制成植被混凝土后形成孔隙的孔径越大，形成连通孔隙的机率更高，植被混凝土的透水性越好。

图5 骨料级配对透水系数的影响

2.3 孔隙率和植生基材对植被再生混凝土透水性能的影响

采用级配为5 mm～25 mm的再生骨料，超细矿粉掺量为60%，水胶比为0.25制备不同孔隙率的植被混凝土。孔隙率对植被混凝土透水系数的影响如同6所示。图6左侧和右侧纵坐标对应未灌注植生基材和灌注植生基材后的混凝土透水系数。

图6 孔隙率对透水系数的影响

由图6可知，没有灌注植生基材的混凝土透水系数随孔隙率增加而增加。而灌注植生基材的混凝土，其透水系数没有随孔隙率增加而变化。混凝土的孔隙率越大，混凝土结构中的连通孔隙越多。一定黏度条件下，水泥浆包裹骨料的厚度是有极限的，一般为1 mm～5mm。因此决定孔隙直径大小的主要是骨料的粒径。相同骨料级配条件下，孔隙率的大小对连通孔径大小的影响有限。因此孔隙率对连通孔隙数量的影响不如骨料级配大，相同级配条件下孔隙率对灌注植生基材混凝土的透水系数影响不大。当植被混凝土孔隙率一定时，连续级配混凝土的连通孔数量较少，因此其透水性受到植生基材的影响较大。普通黏土的渗透系数在10-1mm/s～10-3mm/s时即为高透水性的土壤，灌注植生基材后的植被混凝土透水系数高于这一范围，可以满足植生需要。

2.4 雨水入渗下植被混凝土边坡径流量

本试验选择发芽快、发芽率高、根系发达、生命力旺盛、耐旱、耐碱性、抗病抗虫的高羊茅进行种植，图7为降雨入渗试验前植被混凝土生长情况，试验前每天使用雾状喷壶对植被混凝土进行两次洒水保湿，提供所必须的水分，保证生长期间土壤湿润。

表3为不同护坡类型边坡雨水径流总量所占总降雨量百分比，整体植被混凝土护坡形式下，约60%～70%的雨水从边坡表面径流排走；试块植被混凝土护坡形式，约40%～60%的雨水从边坡表面径流排走，可见整体植被混凝土较试块植被混凝土的径流排水效果更佳。裸坡和覆土植草护坡，雨水径流量较小，大多数雨水入渗于土体中，在增加土体自重的同时，也使土体基质吸力丧失和抗剪强度降低，易导致边坡失稳破坏[17]。植被混凝土护坡形式下大多数雨水被排走，利于边坡土体稳定，少数雨水渗于土体中，为植被混凝土根系提供必需的水分，利于植被混凝土正常生长。

图7 试验前植物生长情况

表3 边坡雨水径流总量所占总降雨量百分比

3 结 论

本文通过试验，研究了新型植被混凝土的透水性能及影响因素，并将植被混凝土应用于边坡防护，开展雨水入渗试验研究。得到以下结论：

(1) 单一级配再生骨料制备的植被混凝土的透水性能均优于连续级配的植被混凝土。植被混凝土的孔隙率越高，透水性能越好。

(2) 植被再生混凝土灌注植生基材后透水系数较未灌注之前降低一个数量级，但仍优于一般的土壤。

(3) 植被混凝土护坡可将50%～70%的雨水排走，透水系数满足要求。防止过多雨水渗入土体，引起土体基质吸力丧失和抗剪强度降低，造成边坡失稳破坏。少数渗入边坡的雨水，为植被混凝土生长提供必需的水分。