页岩陶粒植生型混凝土制备及性能研究

张传芹ZHANG Chuan-qin

（江苏建筑职业技术学院，徐州 221116）

1 研究背景与意义

1.1 研究背景

近年来，道路、水利、铁路等基础设施建设如火如荼地进行着，给我们的生活、出行带来了不可言说的便利，但城市道路积水、内涝、径流污水等问题给城市生态环境造成的压力也日益增大。《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》指出，通过海绵城市建设，综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用。到2020 年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030 年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式[1]。因此构建海绵城市，修复生态环境是我们当前面临的一项重要任务。

1.2 研究意义

植生型多孔混凝土是一种具有良好透水性、透气性并能使植物生长于其上的环保生态混凝土，不仅可以用于一些道路、屋顶绿化的绿化，还可用于公路铁路的边坡支护、江河护岸等表面的绿化与保护等。与普通混凝土相比，植生混凝土的生态效应如下[2-4]：

①减少内涝、保护地下水资源。

植生型混凝土的多孔结构能让雨水迅速通过植生混凝土渗漏到地表以下，减少地面上的积水，降低内涝发生的概率，同时对地下水有一定的补给作用，实现水资源的有效利用，有效地维持地下水资源的生态平衡。

②缓解城市热岛现象。

采用植生多孔混凝土铺装的路面可以将太阳辐射热吸入到混凝土内部，减少太阳热反射，缓解城市“热岛效应”。

③改善植被生长环境，实现防护绿化的效果。

植生型混凝土在配制时不仅很少采用细骨料，而且粗骨料级配在一般情况下也比较单一，结构中存在大量连续的空隙，植物的根系通过这些孔隙伸入到土壤中吸收营养，因此植生混凝土在实现透水净水、防坡护岸的目的以外，还能达到绿化的功能效果。

本文以页岩陶粒为粗骨料，采用绝对体积法以不同水灰比、目标空隙率为参数设计配合比，研究上述参数对植生性混凝土性能的影响，从而为推进生态文明、建设海绵城市提供一些参考。

2 试验原材料

2.1 骨料

骨料的粒径及级配对混凝土的抗压强度及植生性影响较大，粒径太小，植物根系穿透混凝土比较困难，粒径太大，混凝土强度又会降低，本文选取单一级配10～20mm 的页岩陶粒作为粗骨料，其物理性能如表1 所示。

表1 页岩陶粒的主要物理性能

2.2 水泥

水泥是植生混凝土中主要的胶凝材料，其强度的高低将对混凝土的强度、耐久性和施工性能产生影响。一般情况下，水泥强度越高，混凝土的强度也越高，但是其初期硬化过快也会增加施工难度，因此本试验综合考虑各种因素后采用淮海中联水泥有限公司生产的42.5 级普通硅酸盐水泥。

2.3 水

本试验采用普通的自来水，不含有害化学成分与杂质。

2.4 减水剂

本试验中采用萘系高效减水剂。

3 试验设计

3.1 参数设置

①目标孔隙率。

孔隙率是总孔隙体积与混凝土体积的比值，孔隙率越大，混凝土的透水性能就越好，就越有利于植被的生长，但是随着孔隙率的增加，混凝土的抗压强度会不断下降，因此必须平衡孔隙率和抗压强度两者之间关系，使得混凝土具有一定强度的同时又不影响植物的生长，经查阅很多相关资料[5-9]，植生混凝土的设计空隙率一般控制在22%～35%之间，本试验中设置三种目标空隙率，分别为27%、30%、33%。

②水灰比。

水灰比在混凝土配合比设计中起着非常重要的作用，若水灰比太小，混凝土拌合物会因为干硬而难以成型，若水灰比太大，在施工时拌合物容易出现严重的离析、沉浆现象，硬化后混凝土中还会出现大量毛细孔，降低混凝土的抗压强度。经过查阅资料[10-11]，水灰比一般控制在0.2-0.35 之间，本试验的水灰比选择为0.25、0.27、0.3。

③减水剂用量。

本试验中加入的萘系高效减水剂为水泥用量的1%。

3.2 配合比设计

植生混凝土配合比计算有3 种方法[12]，相关资料表明[13-14]，绝对体积法获得的孔隙率更接近设计值，因此本试验采用绝对体积法来计算各种材料的用量，其计算思路：粗骨料体积+胶结浆体体积+目标空隙体积=1m3，各种材料具体用量按以下公式进行计算：

3.2.1单位体积中粗骨料用量的计算

式中：WG为单位体积混凝土中粗骨料用量（kg/m3）；

ρ1为粗骨料紧密堆积密度（kg/m3）；

α 为折减系数，本试验中取0.98。

3.2.2单位体积水泥浆体体积的计算

式中：WJ为单位体积混凝中水泥浆体用量（kg/m3）；

ρG为粗骨料表观密度（kg/m3）；

R1为设计目标空隙率（%）；

ρJ为水泥浆体密度。

参照砂浆质量密度测试方法，在水灰比分别为0.25、0.27、0.3 时，计算得出胶结浆体的密度分别为2163.9kg/m3，2124.6kg/m3，2071.4kg/m3。

3.2.3单位体积水泥用量计算

式中：WC为单位体积混凝土中水泥用量（kg/m3）；W/C为水灰比。

3.2.4单位体积用水量

由于陶粒有一定的吸水性，而且浸泡的时间不同，其吸水率也不一样，如果要达到吸水饱和状态，基本上需要浸泡3 小时以上，因此单位体积用水量与配制前陶粒浸泡时间的长短有关，确切的说，这个用水量需要根据试验确定。本试验在配制混凝土之前，把页岩陶粒浸泡1 小时。

式中：WW为单位体积混凝土中用水量（kg/m3）。

不同配合比设计参数的原材料用量及各组的强度见表2。

4 制备过程

4.1 搅拌工艺

在制备页岩陶粒植生多孔混凝土时，主要按以下步骤进行：①将水泥、水、减水剂按比例投入并搅拌30s；②然后投入一半页岩陶粒搅拌60s，最后投入另一半页岩陶粒搅拌60s，待陶粒表面均匀裹上水泥浆体，呈现金属光泽即可。

4.2 试件成型

采用振动成型制备的多孔混凝土易出现底部沉浆而顶部未密实的情况，为避免胶凝材料沉积于混凝土底部造成多孔混凝土的堵塞，本试验采用分层插捣成型的方法，具体步骤为：将拌合的材料分3 次铺装到模具中，每层用铁棒插捣20 次，然后抬起模具击地三四下进行振实，第二层及第三层重复上述操作，最后压平压实。

4.3 试件养护

当试件制作完成后用塑料薄膜覆盖表面，养护24h 后拆模，拆模过程中要注意试件角部的完整，试件拆模完成后，将试件进行标准养护，养护至相应龄期后进行数据测定。

5 试验结果分析

5.1 水灰比对植生混凝土抗压强度的影响

由试验数据可知，在设计目标空隙率相同的情况下，随着水灰比的增大，页岩陶粒植生混凝土7d、28d 的抗压强度都是先增大后减小，如图1 所示。当水灰比为0.27时，无论是7d 还是28d 的抗压强度都达到最大，这与普通以碎石为骨料的混凝土抗压强度变化规律不完全相同，一般情况下混凝土抗压强度会随着水灰比的增大而减小，而本试验出现先增大后减小的情况是因为页岩陶粒有一定的吸水性，在水灰比为0.25 时，水化反应不充分导致水化产物比较少，从而影响页岩陶粒植生混凝土抗压强度的增长，当水灰比为0.27 时，水化反应最充分，因此抗压强度最高。当水灰比继续增大时，多余的水分蒸发后在混凝土内产生毛细孔，从而降低了混凝土的抗压强度。

图1 页岩陶粒植生混凝土抗压强度——水灰比关系图

5.2 目标空隙率对植生混凝土抗压强度的影响

由图2 可知，在水灰比相同的情况下，页岩陶粒植生混凝土抗压强度随着设计目标空隙率的增大而减小。此种现象的产生是由于单位体积内粗骨料的体积相同，设计目标空隙率越大，则混凝土中所用的水泥量就越少，混凝土硬化后在骨料的连接处就比较薄弱，造成其抗压强度减小。

图2 页岩陶粒植生混凝土抗压强度——目标空隙率关系图

5.3 龄期对植生混凝土抗压强度的影响

由试验数据可知，随着龄期的增长页岩陶粒植生混凝土的抗压强度也在增长，但与普通混凝土相比，其增长速度要低一些，这主要是因为植生多孔混凝土在凝结硬化后，骨料之间只依靠水泥浆体进行粘结，粘结点在前期更容易被破坏。

6 结语

植生型混凝土是一种可以稳坡护岸，保水固土的绿色环保材料，采用页岩陶粒作为骨料不仅可以减轻植生混凝土的自重，还能达到植生混凝土的强度要求，但目前尚没有相应的配合比计算规范，在依据常规计算方法计算出来的配合比制备页岩陶粒混凝土时，出现与普通混凝土强度变化规律不同的结论，在页岩陶粒没有达到浸水饱和状态时，随着水灰比的增大其立方体抗压强度是先增大后减小，水灰比宜控制在0.27～0.30 之间。因此在配制时要注意水灰比对页岩陶粒植生混凝土抗压强度的影响。