王 君

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

作為一個農業(yè)大國，我國每年都會使用大量的化肥以保證糧食產(chǎn)量，由于化肥利用率低下，造成大量未利用的營養(yǎng)物質富集在農田尾水中，造成水體富營養(yǎng)化[1- 3]。傳統(tǒng)土質溝渠雖然可以起到一定的凈化作用，但是抗水力和降雨侵蝕能力差，易出現(xiàn)溝渠邊坡坍塌現(xiàn)象，而硬質混凝土可以提升溝渠抗侵蝕能力，但很難生長植物，無法對水質進行凈化，因而有必要設計一種既能提升溝渠邊坡抗侵蝕能力、又具有植生性質的混凝土[4- 6]。近些年來，我國的基礎設施建設取得了跨越式發(fā)展，但是大量的建筑廢棄垃圾占用了大量的土地資源，建筑再生粗骨料不僅具有一定強度，還具有良好透水性，如果能將建筑廢棄垃圾應用到農田生態(tài)溝渠建設中，將取得很好的生態(tài)和經(jīng)濟效益[7- 9]。

本文利用建筑廢棄粗骨料、粉煤灰、水泥、減水劑、乙酸等配制了一種多孔生態(tài)混凝土，以期為農田水利生態(tài)溝渠襯砌設計提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

主要原材料包括P.O42.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、再生粗骨料、減水劑和自來水等。水泥的密度為3120kg/m3，比表面積為385m2/kg，平均燒失量為4.1%，初凝和終凝時間分別為180和240min，28d抗折強度為7.5MPa，28d抗壓強度為52MPa。粉煤灰為Ⅰ級，密度為2600kg/m3，平均燒失量2.3%。再生粗骨料取自建筑廢棄混凝土，通過破碎、除雜、篩分、清洗得到，骨料主要粒徑范圍為10～25mm，表觀密度為2505kg/m3，堆積密度為1340kg/m3，孔隙率為46.7%，吸水率為5%，壓碎指標為11.6%，級配曲線如圖1所示。減水劑采用萘系高效減水劑FDN-C，減水率為10%。

圖1 再生粗骨料級配曲線

1.2 配合比方案設計

主要探討水灰比、目標孔隙率和粉煤灰摻量對多孔生態(tài)混凝土力學性能的影響，試驗分為2組：第一組為不摻入粉煤灰試驗組，水灰比取值為0.2、0.25、0.3、0.35和0.4，目標孔隙率的取值為25%、28%和31%；第二組為摻入粉煤灰試驗組，粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%，水灰比取值為0.3，目標孔隙率取值為28%。減水劑用量均為水泥用量的1%。

1.3 混凝土制備

攪拌工藝：采用“裹漿”攪拌法，先摻入1/3的再生骨料+水泥+外摻料，強制攪拌15s，接著倒入1/2的水+減水劑，強制攪拌30s，然后再取1/3的再生骨料+水泥+外摻料和1/4的水+減水劑倒入，強制攪拌30s；最后將剩余的再生骨料+水泥+外摻料+水+減水劑倒入，強制攪拌60s。

成型工藝：分為振搗和壓實2個階段。首先將新拌多孔生態(tài)混凝土分為3層裝入混凝土模具中，每填裝一層后需要使用振搗棒對混凝土進行振搗12次(振搗深度為1/3模具高)，振搗完成后用壓實裝備(壓實力>5MPa)在混凝土表面靜壓5s，直至3層混凝土填裝完畢。

養(yǎng)護工藝：新拌多孔生態(tài)混凝土裝入模具后24h開始拆模，然后放到標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，標準養(yǎng)護箱的溫度控制在20±2℃，濕度控制在95%±1%，在養(yǎng)護過程中需用保鮮膜將混凝土包裹，以防止水分流失，同時每隔一段時間對混凝土試件表面進行噴水處理，以達到濕養(yǎng)的目的。

2 試驗結果分析

2.1 水灰比和目標孔隙率對強度的影響

多孔生態(tài)混凝土抗壓強度隨水灰比的變化特征如圖2所示。

圖2 強度隨水灰比的變化特征

由圖2可知，隨著水灰比的增大，多孔生態(tài)混凝土的抗壓強度均呈先增大后減小的變化特征，當水灰比為0.3時，混凝土的抗壓強度達到最大值，水灰比過小，水泥的水化反應不充分，水灰比過大，水泥量不足，也會導致混凝土的水化反應量不足，無法在試件內部形成膠凝結構，因而存在一個最佳水灰比。在最佳水灰比下，目標孔隙率越大，多孔生態(tài)混凝土的強度值越小，其中當目標空隙率為25%、28%和31%時，7d抗壓強度分別為16.82、13.82和5.64MPa，28d抗壓強度分別為23.08、16.96和7.88MPa，目標孔隙率增加6%，強度降幅均達到了65%以上，這是因為目標孔隙率增大，多孔生態(tài)混凝土的水泥使用量就會減少，由于再生粗骨料的使用量是不變的，因此包裹在粗骨料周圍的水化膠凝產(chǎn)物就會減少，從而在骨料之間形成薄弱的黏結界面，導致強度降低；當目標孔隙率增大至31%后，水灰比對多孔生態(tài)混凝土強度的影響就會迅速減小，此時目標孔隙率是影響強度的主要因素。

2.2 水灰比和目標孔隙率對透水系數(shù)的影響

多孔生態(tài)混凝土透水系數(shù)隨水灰比的變化特征如圖3所示。

圖3 透水系數(shù)隨水灰比的變化特征

由圖3可知，相同目標孔隙率下，隨著水灰比的增大，多孔生態(tài)混凝土透水系數(shù)有逐漸增大的變化趨勢，但增幅并不是很明顯，25%、28%、31%目標孔隙率下，當水灰比從0.2增大至0.4時，透水系數(shù)僅增大了10.5%、6.6%和8%；相同水灰比下，目標孔隙率越大，透水系數(shù)越大；目標孔隙率對多孔生態(tài)混凝土透水系數(shù)的影響明顯大于水灰比。

2.3 水灰比和目標孔隙率對實測孔隙率的影響

多孔生態(tài)混凝土實測孔隙率與目標孔隙率關系如圖4所示。

圖4 實測孔隙率與目標孔隙率關系(單位：%)

由圖4可知，相同目標孔隙率下，不同水灰比的實測孔隙率相差不大，目標孔隙率值與實測孔隙率比較接近；相同水灰比下，目標孔隙率越大，實測孔隙率也越大，這說明本文以目標空隙率對多孔生態(tài)混凝土進行配合比設計是合理有效可行的。

2.4 粉煤灰摻量對強度的影響

多孔生態(tài)混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化關系如圖5所示。

圖5 抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化特征

由圖5可知，當水灰比為0.3，目標孔隙率為28%時，混凝土隨粉煤灰摻量呈先增大后減小的變化特征，當粉煤灰摻量為0～20%時，強度隨粉煤灰摻量增大而增大，但強度提升幅度不是很明顯；當粉煤灰摻量為20%～40%時，混凝土的強度快速減小。因此，當粉煤灰摻量為20%時，對多孔生態(tài)混凝土的強度最為有利，這是因為當摻入一定量粉煤灰時，粉煤灰具有的火山灰效應可以促進二次水化反應，使得時間內部生成更多的C-S-H凝膠，骨料之間的膠結界面得到很好改善，但是當粉煤灰摻量過大時，水泥的用量不足，導致初期水化反應不足，因而反而不利于強度的提升。

2.5 粉煤灰摻量對實測孔隙率和透水系數(shù)的影響

多孔生態(tài)混凝土實測孔隙率、透水系數(shù)隨粉煤灰摻量的變化關系如圖6所示。

圖6 實測孔隙率、透水系數(shù)隨粉煤灰摻量的變化特征

由圖6可知，實測孔隙率和透水系數(shù)均隨粉煤灰摻量的增大而逐漸減小，當粉煤灰摻量增大至40%后，實測孔隙率降低2.85%，透水系數(shù)降低2.87mm/s，降幅分別為10.6%和21.7%，特別是當粉煤灰摻量達到30%以后，透水系數(shù)將有一個較大幅度的降低。

3 降堿處理和植生選擇

為了使多孔生態(tài)混凝土既能保持較高的強度特性，同時又要具有較高的透水性能，通過多項參數(shù)的對比，最終決定的最佳配合比為：水灰比0.3，目標空隙率28%，粉煤灰摻量為20%。但是在該配合比下，仍存在一個明顯的問題，那就是pH值較高(pH值達到12～13)，不適用植物的生長，因此還需要在最佳配合比下對其進行降堿處理，為了對混凝土的堿性進行中和，在拌制多孔生態(tài)混凝土時，摻入10%用水量的乙酸(濃度99%)，通過該方法處理后，混凝土的堿度降低至9以下，適合多種植物的生長要求。

新疆地區(qū)屬于季凍區(qū)，冬季氣溫很低，因此本文選擇高羊茅草這一喜寒冷潮濕的植物作為種植草，并將新疆當?shù)氐耐寥馈⒂袡C肥、粉煤灰、減水劑和水按照48∶1∶10∶1∶40的比例進行拌合，作為高羊茅草的植生基材灌入多孔生態(tài)混凝土的孔隙內部，然后觀察高羊茅草的長勢，結果如圖7所示。

圖7 高羊茅草長勢統(tǒng)計情況

由圖7可知，高羊茅草在植生系統(tǒng)下，7d開始發(fā)芽，28d后根系長度可達10cm，植株高度可達30cm，長勢非常旺盛。

4 結語

利用建筑廢棄粗骨料、粉煤灰、水泥、減水劑、乙酸等配制了一種多孔生態(tài)混凝土，得出如下結論。

(1)目標孔隙率對強度、透水性的影響大于水灰比，當水灰比為0.3時，強度達到最大值。

(2)強度隨著粉煤灰摻量增加呈先增大后減小的變化特征，當粉煤灰摻量為20%時，強度達到最大值；實測孔隙率和透水系數(shù)隨粉煤灰摻量增加而逐漸減小。

(3)最佳配合比方案為：水灰比0.3，目標空隙率28%，粉煤灰摻量為20%，在拌制過程中，還需摻入10%用水量的乙酸進行化學降堿。

(4)本文僅對高羊茅草在多孔生態(tài)混凝土中的長勢進行了研究，未對其水質凈化效果進行分析，今后需做進一步補充研究。