河岸带多孔植生混凝土配制方法研究

2023-07-31高立新

黑龙江水利科技 2023年7期

高立新

(岫岩满族自治县水利事务中心,辽宁鞍山 114300)

河岸带是组成河流和生态环境的重要部分,也是水陆系统发生能量、物质交换的纽带,其生态条件直接关系着河流环境状况。受降雨冲刷、水流淘刷和波浪浪蚀等不利因素影响,部分抗冲刷能力较弱的河岸带极易出现水土流失、崩塌等险情,必须采取工程防护措施整治河岸带险工段[1]。对河岸带防护时必须统筹考虑生态修复与工程规范要求,既要维护河岸带整体稳定,保护岸坡免受降雨冲刷、波浪浪蚀及水流淘刷等侵蚀作用,还要修复河岸带已破坏的生态环境,促使周边环境与坡面景观相融合,寻求自然环境与工程措施的协调统一。

目前,植被护坡、孔洞型材料护坡以及混凝土类材料护坡等是河道岸坡广泛应用的防护技术,其中传统的护坡材料一般具有强度低、抗冲刷能力弱以及绿化率低等缺点。因此,有必要研究一种能够将植物与工程防护相结合,兼顾生态修复与技术规范要求的新型护坡材料。1995年生态混凝土的概念被首次提出,随后多孔植生混凝土护坡技术被广泛应用于数百个工程实例中,主要涉及河道岸坡生态整治、市政公路边坡防护以及堤坝边坡防护等工程,实际生态修复效果较好。对于多孔植生混凝土,我国相关研究尚处于起始阶段,研究内容大多侧重于如何提高多孔混凝土有效孔隙率与强度、规范制备工艺及配合比设计方法等,研究植生型多孔混凝土性能的还少有报道。鉴于此,文章结合河岸带特点和有关研究经验,探究不同搅拌工艺、养护方法以及配合比设计等因素对多孔植生混凝土性能的影响,以期为多孔植生混凝土的广泛应用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥:沈阳冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5级水泥,其主要性能指标如表1所示。硅灰:沈阳恒泰莱科技有限公司提供的硅灰,比表面积16000m2/kg,粒径范围0.1～0.2μm,SiO2含量达到99.5%,同时含少量其它化合物。碎石:大连产单级配15.0～26.5mm石灰岩碎石,针片状含量较少。外加剂:苏博特PCA®-9聚羧酸高效减水剂,液体,减水率22%～25%,固含量18.5%。

表1 水泥的主要性能指标

1.2 测试方法

1)孔隙率测试。多孔植生混凝土孔隙率拟利用容量器进行测定,最小刻度0.1ml,主要流程如下:将尺寸150mm×150mm×150mm的混凝土试块完全浸入水中使其充分吸水饱和,然后自然风干至试块表面达到潮而无水状态,之后立即浸入容器测定水的体积差[8]。依据测试数据,采用下式计算孔隙率R:

△V=V初+V试块-V末

(1)

R=△V/V试块

(2)

式中:V初、V末、△V为容器中的初始水体积、放入试块后的水体积和放置试块前后变化的水体积;R为混凝土孔隙率。

2)强度测试。依据《水工混凝土试验规程》测定各组试块的抗压强度,考虑到用胶结材料黏结骨料制成的多孔植生混凝土表面平整度较差的情况,对外观状态较差试件进行抗压测试时,必须先利用水泥砂浆、硫磺胶泥或高强石膏做补平处理再测试相应的强度。

2 试验与分析

2.1 试验配合比确定

试验选用比表面积法初步设计多孔植生混凝土配合比,该方法主要是利用单位体积所用集料内表面积计算试验所用胶结浆体量,然后考虑胶结浆体和集料体积计算出该集料适用于多大孔隙率混凝土的制备。采用比表面积法确定多孔混凝土配合比的主要步骤如下:

步骤1:考虑多孔混凝土孔隙率区间P1%～P2%和成型工艺确定胶结浆体密度及水胶比,成型工艺不同所确定的浆体水胶比不同,一般用流动度来表征。采用振动成型时应控制浆体流动度处于140～200mm范围,采用压制成型时应控制浆体流动度处于160～220mm范围。

步骤2:计算集料的空隙率、堆积密度、表观密度以及胶结浆体包裹集料的厚度,包裹厚度处于0.5～2.0mm范围。本试验利用骨料比表面积系数与对应各筛余百分率的乘积之和计算所用集料单位体积表面积,不同筛孔的比表面积系数取值如表2所示。

表2 集料比表面积系数

步骤3:根据胶结浆体包裹厚度与碎石表面积的乘积计算胶结浆体体积,然后用1减去集料和胶结浆体确定相应的孔隙率,通过胶结浆体的密度与体积乘积计算单位体积胶结浆体用量。

步骤4:结合上述计算数据,用比表面积法确定孔隙率处于28%～30%范围内的配合比,如表3所示。

表3 不同搅拌方式配制的混凝土性能

表3 配合比计算结果 kg/m3

2.2 不同搅拌工艺分析

多孔植生混凝土是一种由集料黏结胶结浆体而组成的多孔无砂混凝土,为使原材料能够均匀混合,保证混凝土孔隙率和强度达到设计要求,必须选择合适的搅拌工艺。对于不使用细集料配制成的多孔植生混凝土,在粗集料与粉料之间缺少细集料的过度,必须通过搅拌使胶结浆体更加均匀地包裹集料。充分搅拌胶结浆体保证多孔植生混凝土符合设计强度、稠度和流动度要求,并进一步满足对集料的黏结强度、均匀包裹和稳定性要求;水泥浆体能够均匀地包裹碎石,这也是保证集料间接触点形成接触面以及多孔混凝土达到设计连通孔隙率、耐久性、强度的重要基础。

根据充分搅拌和配合比设计要求,新拌多孔植生混凝土必须使充分搅拌的特定稠度胶结浆体能够均匀包裹集料表面。因此,经多次试配调整最终选用裹浆搅拌方法,其主要流程为:将水、外加剂与水泥混合搅拌,待拌合均匀后倒入粗骨料,持续搅拌至粗骨料表面均匀地包裹上稠度适宜的胶结浆体。试验表明,在制备多孔植生混凝土时裹浆法表现出较好的适用性,采用该方法配制的胶结浆体能够稳定、均匀地包裹在集料表面,拌合物无泌浆,呈玻璃光泽状,工作性能良好。多孔植生混凝土性能受不同搅拌方式的影响如表4所示,结果表明裹浆法与常规法搅拌配制的混凝土实测孔隙率均与设计值接近,但前者相比于后者的强度明显较高。

这是由于多孔植生混凝土孔隙率主要受集料堆积密度的影响,搅拌方式、胶结浆体包裹厚度及成型工艺等因素也会在一定程度上影响其大小。对于主要物理性能参数相近的集料,多孔植生混凝土孔隙率受不同搅拌方式的影响相对较低;然而,多孔混凝土强度主要受集料强度、集料接触面积大小、胶结浆体强度、集料接触面处胶结浆体厚度和集料紧密堆积密度等因素的,搅拌方式不同对胶结浆体包裹集料的效果、胶结浆体状态等影响显著,采用裹浆搅拌法能够配制出稠度适中、搅拌均匀的胶结浆体,从而均匀包裹住集料;采用常规搅拌法配制的胶结材料无法对集料均匀地包裹,试验时搅拌也不够均匀。因此,采用裹浆法相比于常规法配制的多孔植生混凝土强度更高。

2.3 养护工艺分析

多孔植生混凝土的表面积较大,孔隙结果较多,在成型养护过程中其水分散失速度较快。由于胶结材料和紧密堆积密度是多孔植生混凝土强度的主要来源,混凝土成型后的紧密堆积程度一般不会发生改变,为增强和改善混凝土性能必须保证胶结材料水化充分。在多孔植生混凝土施工现场,夏季高温应避免水分快速散失,冬季寒冷应采取保温防冻措施。考虑到该试验是在夏季温度较高时进行的,为了降低浇筑后多孔植生混凝土内部水分散失速度,采取草杉或塑料薄膜进行覆盖,并在混凝土达到一定强度后定期洒水保湿养护。标准、自然、薄膜3种养护方式及其对多孔植生混凝土强度的影响如表5所示。

表5 不同养护方法下的强度值

由表5可知,自然养护条件下的多孔植生混凝土7d、28d抗压强度较低,说明这种养护方式不利于混凝土强度发展,为保证胶结浆体强度发展必须选择适宜的养护方式,有效降低强度损失。标准养护与薄膜洒水养护效果相差不大,这是因为薄膜养护为胶结浆体充分水化提供了充足的水分,保证了多孔植生混凝土强度的顺利发展。因此,在夏季浇筑施工时多孔植生混凝土宜选用覆盖薄膜洒水养护方式。

实际工程中主要有预制铺装和现状浇筑两种方式,现场浇筑时必须考虑天气条件选择合适的养护方式,遇大风或烈日天气时要注意洒水保湿,在加盖塑料薄膜、草杉的同时定期对混凝土表面洒水养护,洒水养护时不宜用水直射,以防集料表面包裹的胶结浆体被水流冲刷破坏。若遇强降雨天气,多孔植生混凝土表面受雨水冲刷极易受损,从而使混凝土强度下降,早期养护时必须采取相应的防护措施。对于尺寸适中的预制多孔混凝土,一般在成型后进行标准养护,标养环境温度为(20±2)℃,相对湿度95%以上,在达到规定龄期后运输到施工现场进行铺装。冬季低温浇筑施工时,应注意对混凝土采取保温措施。