土工格栅混凝土的制备与配合比试验研究

宋 兵 王丽梅 邢振贤 黄家斌 刘宇航

华北水利水电大学（450045）

0 前言

在河岸护坡工程建设中，植生型混凝土虽然能起到保护河堤、绿化环境、防止水土流失的作用[1]，但是其抗拉强度低，整体性差，容易产生断裂。土工格栅混凝土是在植生型混凝土的基础上加一层土工格栅配置成的，拥有兼具植物生长、高透水性和满足强度需求的生态混凝土的特点。土工格栅的高抗拉强度可对混凝土进行增强处理，弥补混凝土抗拉强度低的缺点，从而提高混凝土构件的整体性，进而可以进行大面积浇筑，施工便利，满足水土保持、生态保护和水质保护的需求，在生态修复中应用，符合环境友好型的生产方式和经济模式[2]。土工格栅混凝土护坡的最终目的就是要在护坡表面形成植被，从而更好地融入周边区域的自然生态系统。

1 土工格栅混凝土的制备

1.1 试验原材料

1）水泥:使用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，物理力学性能见表1。

2）粗骨料:为天然碎石。使用前用清水冲洗干净并晒干，然后进行筛选分级。粒径分为5～10 mm、10～20 mm、5～20 mm 三种级配，且满足 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及方法标准》的要求。

3）水:采用郑州市自来水。

4）土工格栅的选择:格栅的孔径会直接影响土工格栅混凝土的连通孔隙率。为了方便试验对比，采用孔径为3.5 cm 的塑料土工格栅和孔径为1.5 cm 的玻璃纤维土工格栅，均为双向拉伸，规格分别为 TGSG3030PP 和 EGA0.6×0.6（30×30）且满足 GB/T 17689—2008 《土工合成材料塑料土工格栅》和GB/T 21825—2008《玻璃纤维土工格栅》的要求。

1.2 搅拌工艺

采用人工搅拌，拌至水泥浆体均匀包裹碎石骨料，表面呈现金属光泽，无浆体滴落且能够握裹成团为宜，如图1 所示。

图1 拌制土工格栅混凝土

表1 普通硅酸盐水泥物理力学性能指标

2 试验指标

2.1 力学性能试验

参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》。对于抗压试验，由于土工格栅横向铺设在混凝土中间，试块必须以人工抹平面作为受压面。此时受压面平整度差，抗压试验过程中会造成数据偏差，可在上部受压面用水泥砂浆抹平再进行抗压试验[3]。

在抗折和劈裂抗拉试验中，即使试件断裂，土工格栅依然连接着混凝土使其成为一个整体，没有土工格栅脱离混凝土的现象，如图2、图3 所示。由此可见，混凝土与土工格栅黏聚性良好。

图2 抗折强度试验中破坏的试件

图3 劈裂抗拉强度试验中破坏的试件

2.2 有效孔隙率试验

土工格栅混凝土试块养护28 d 后用游标卡尺测量并计算试件的外观体积V1，将试件浸入水中用静水天平测出试块在水中的重量W1，然后把试件从水中取出，擦去表面水分并称重W2，根据公式计算有效孔隙率P为:

3 试验结果与分析

选用孔径为1.5 cm 的玻璃纤维土工格栅和孔径为3.5 cm 的塑料土工格栅，水灰比为0.3，水泥用量为270 kg/m3，粗骨料用量为1 600 kg/m3的配合比配置土工格栅混凝土。对照组为不加格栅的植生型混凝土。

表2 土工格栅混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和连通孔隙率

从表2 可以看出，在力学性能方面，加入土工格栅对混凝土的抗压强度影响不明显，抗折强度和劈裂抗拉强度提升20%左右，分别提高了0.5 MPa和0.2 MPa。孔隙率方面，对比对照组，孔径为1.5 cm 的玻璃纤维土工格栅使混凝土孔隙率减少了4%，孔径为3.5 cm 的塑料土工格栅使混凝土孔隙率减少了2%，仍然满足目标孔隙率为20%的要求。

4 正交试验

4.1 试验方案

在上述配合比的基础上，适当改变配合比作正交试验。土工格栅选用孔径为3.5 cm 的塑料土工格栅，粗骨料用量均为1 600 kg/m3。分析用水量、骨料级配、水灰比对抗压强度、连通孔隙率、沉浆面积率的影响程度，得出最佳配合比，见表3、表4。

表3 正交试验因素水平

4.2 极差分析

采用极差分析法对不同影响因素 A（水灰比）、B（用水量）、C（骨料级配）对土工格栅混凝土的沉浆面积率、连通孔隙率、抗压强度影响程度进行分析，极差分析结果见表5～7。

表4 混凝土配合比、沉浆面积率、连通孔隙率、抗压强度

表5 沉浆面积率极差分析

表6 连通孔隙率极差分析

表7 抗压强度极差分析

由表5～7 可知:

影响土工格栅混凝土的沉浆面积率的因素主次顺序是:骨料级配→用水量→水灰比。最佳配合比是水灰比为0.35 kg/m3,用水量是60 kg/m3，骨料粒径为5~10 mm。

影响土工格栅混凝土的连通孔隙率的因素主次顺序是:骨料级配→用水量→水灰比。最佳配合比是水灰比为0.35 kg/m3，用水量是60 kg/m3，骨料粒径为10~20 mm。

影响土工格栅混凝土的抗压强度的因素主次顺序是:骨料级配→水灰比→用水量。最佳配合比是水灰比为0.3 kg/m3，用水量是100 kg/m3，骨料粒径为5~20 mm。

5 结语

土工格栅的加入对原有混凝土的抗压强度影响不明显，对抗折和劈裂抗拉强度可提升20%左右，分别提高了0.5 MPa 和0.2 MPa，并且混凝土断开后格栅仍是连续的，混凝土的整体性好，这对提高现场混凝土的植生性和护坡有利。土工格栅的孔径越大，对孔隙率的影响越小。孔径为3.5 cm 的塑料土工格栅仅使孔隙率仅减少了2%。骨料粒径越小，土工格栅混凝土孔隙率越低，沉浆面积越小。抗压强度与孔隙率成反比，抗压强度越高，孔隙率越低。

由于土工格栅混凝土主要用于河岸护坡和防止斜坡水土流失工程中，对抗压强度要求并不高，一般在5～15 MPa 范围内选用孔隙率较高的配合比即可[4]。所以根据本次正交试验结果选用A2B1C2 正交组作为最佳配合比，即水灰比为0.35，水泥用量为 171 kg/m3，用水量为 60 kg/m3，骨料粒径为 10~20 mm，此配合比拌制的土工格栅混凝土具有良好的工程应用性能。