張傳芹ZHANG Chuan-qin

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州 221116）

1 研究背景與意義

1.1 研究背景

近年來，道路、水利、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼地進(jìn)行著，給我們的生活、出行帶來了不可言說的便利，但城市道路積水、內(nèi)澇、徑流污水等問題給城市生態(tài)環(huán)境造成的壓力也日益增大?！秶?guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》指出，通過海綿城市建設(shè)，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。到2020 年，城市建成區(qū)20%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求；到2030 年，城市建成區(qū)80%以上的面積達(dá)到目標(biāo)要求。通過加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理，充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對(duì)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式[1]。因此構(gòu)建海綿城市，修復(fù)生態(tài)環(huán)境是我們當(dāng)前面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。

1.2 研究意義

植生型多孔混凝土是一種具有良好透水性、透氣性并能使植物生長(zhǎng)于其上的環(huán)保生態(tài)混凝土，不僅可以用于一些道路、屋頂綠化的綠化，還可用于公路鐵路的邊坡支護(hù)、江河護(hù)岸等表面的綠化與保護(hù)等。與普通混凝土相比，植生混凝土的生態(tài)效應(yīng)如下[2-4]：

①減少內(nèi)澇、保護(hù)地下水資源。

植生型混凝土的多孔結(jié)構(gòu)能讓雨水迅速通過植生混凝土滲漏到地表以下，減少地面上的積水，降低內(nèi)澇發(fā)生的概率，同時(shí)對(duì)地下水有一定的補(bǔ)給作用，實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用，有效地維持地下水資源的生態(tài)平衡。

②緩解城市熱島現(xiàn)象。

采用植生多孔混凝土鋪裝的路面可以將太陽輻射熱吸入到混凝土內(nèi)部，減少太陽熱反射，緩解城市“熱島效應(yīng)”。

③改善植被生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)防護(hù)綠化的效果。

植生型混凝土在配制時(shí)不僅很少采用細(xì)骨料，而且粗骨料級(jí)配在一般情況下也比較單一，結(jié)構(gòu)中存在大量連續(xù)的空隙，植物的根系通過這些孔隙伸入到土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)，因此植生混凝土在實(shí)現(xiàn)透水凈水、防坡護(hù)岸的目的以外，還能達(dá)到綠化的功能效果。

本文以頁巖陶粒為粗骨料，采用絕對(duì)體積法以不同水灰比、目標(biāo)空隙率為參數(shù)設(shè)計(jì)配合比，研究上述參數(shù)對(duì)植生性混凝土性能的影響，從而為推進(jìn)生態(tài)文明、建設(shè)海綿城市提供一些參考。

2 試驗(yàn)原材料

2.1 骨料

骨料的粒徑及級(jí)配對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度及植生性影響較大，粒徑太小，植物根系穿透混凝土比較困難，粒徑太大，混凝土強(qiáng)度又會(huì)降低，本文選取單一級(jí)配10～20mm 的頁巖陶粒作為粗骨料，其物理性能如表1 所示。

表1 頁巖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膠凝材料，其強(qiáng)度的高低將對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性和施工性能產(chǎn)生影響。一般情況下，水泥強(qiáng)度越高，混凝土的強(qiáng)度也越高，但是其初期硬化過快也會(huì)增加施工難度，因此本試驗(yàn)綜合考慮各種因素后采用淮海中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。

2.3 水

本試驗(yàn)采用普通的自來水，不含有害化學(xué)成分與雜質(zhì)。

2.4 減水劑

本試驗(yàn)中采用萘系高效減水劑。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)設(shè)置

①目標(biāo)孔隙率。

孔隙率是總孔隙體積與混凝土體積的比值，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長(zhǎng)，但是隨著孔隙率的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)不斷下降，因此必須平衡孔隙率和抗壓強(qiáng)度兩者之間關(guān)系，使得混凝土具有一定強(qiáng)度的同時(shí)又不影響植物的生長(zhǎng)，經(jīng)查閱很多相關(guān)資料[5-9]，植生混凝土的設(shè)計(jì)空隙率一般控制在22%～35%之間，本試驗(yàn)中設(shè)置三種目標(biāo)空隙率，分別為27%、30%、33%。

②水灰比。

水灰比在混凝土配合比設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用，若水灰比太小，混凝土拌合物會(huì)因?yàn)楦捎捕y以成型，若水灰比太大，在施工時(shí)拌合物容易出現(xiàn)嚴(yán)重的離析、沉漿現(xiàn)象，硬化后混凝土中還會(huì)出現(xiàn)大量毛細(xì)孔，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)過查閱資料[10-11]，水灰比一般控制在0.2-0.35 之間，本試驗(yàn)的水灰比選擇為0.25、0.27、0.3。

③減水劑用量。

本試驗(yàn)中加入的萘系高效減水劑為水泥用量的1%。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

植生混凝土配合比計(jì)算有3 種方法[12]，相關(guān)資料表明[13-14]，絕對(duì)體積法獲得的孔隙率更接近設(shè)計(jì)值，因此本試驗(yàn)采用絕對(duì)體積法來計(jì)算各種材料的用量，其計(jì)算思路：粗骨料體積+膠結(jié)漿體體積+目標(biāo)空隙體積=1m3，各種材料具體用量按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

3.2.1單位體積中粗骨料用量的計(jì)算

式中：WG為單位體積混凝土中粗骨料用量（kg/m3）；

ρ1為粗骨料緊密堆積密度（kg/m3）；

α 為折減系數(shù)，本試驗(yàn)中取0.98。

3.2.2單位體積水泥漿體體積的計(jì)算

式中：WJ為單位體積混凝中水泥漿體用量（kg/m3）；

ρG為粗骨料表觀密度（kg/m3）；

R1為設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率（%）；

ρJ為水泥漿體密度。

參照砂漿質(zhì)量密度測(cè)試方法，在水灰比分別為0.25、0.27、0.3 時(shí)，計(jì)算得出膠結(jié)漿體的密度分別為2163.9kg/m3，2124.6kg/m3，2071.4kg/m3。

3.2.3單位體積水泥用量計(jì)算

式中：WC為單位體積混凝土中水泥用量（kg/m3）；W/C為水灰比。

3.2.4單位體積用水量

由于陶粒有一定的吸水性，而且浸泡的時(shí)間不同，其吸水率也不一樣，如果要達(dá)到吸水飽和狀態(tài)，基本上需要浸泡3 小時(shí)以上，因此單位體積用水量與配制前陶粒浸泡時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，確切的說，這個(gè)用水量需要根據(jù)試驗(yàn)確定。本試驗(yàn)在配制混凝土之前，把頁巖陶粒浸泡1 小時(shí)。

式中：WW為單位體積混凝土中用水量（kg/m3）。

不同配合比設(shè)計(jì)參數(shù)的原材料用量及各組的強(qiáng)度見表2。

4 制備過程

4.1 攪拌工藝

在制備頁巖陶粒植生多孔混凝土?xí)r，主要按以下步驟進(jìn)行：①將水泥、水、減水劑按比例投入并攪拌30s；②然后投入一半頁巖陶粒攪拌60s，最后投入另一半頁巖陶粒攪拌60s，待陶粒表面均勻裹上水泥漿體，呈現(xiàn)金屬光澤即可。

4.2 試件成型

采用振動(dòng)成型制備的多孔混凝土易出現(xiàn)底部沉漿而頂部未密實(shí)的情況，為避免膠凝材料沉積于混凝土底部造成多孔混凝土的堵塞，本試驗(yàn)采用分層插搗成型的方法，具體步驟為：將拌合的材料分3 次鋪裝到模具中，每層用鐵棒插搗20 次，然后抬起模具擊地三四下進(jìn)行振實(shí)，第二層及第三層重復(fù)上述操作，最后壓平壓實(shí)。

4.3 試件養(yǎng)護(hù)

當(dāng)試件制作完成后用塑料薄膜覆蓋表面，養(yǎng)護(hù)24h 后拆模，拆模過程中要注意試件角部的完整，試件拆模完成后，將試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 水灰比對(duì)植生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率相同的情況下，隨著水灰比的增大，頁巖陶粒植生混凝土7d、28d 的抗壓強(qiáng)度都是先增大后減小，如圖1 所示。當(dāng)水灰比為0.27時(shí)，無論是7d 還是28d 的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到最大，這與普通以碎石為骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不完全相同，一般情況下混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著水灰比的增大而減小，而本試驗(yàn)出現(xiàn)先增大后減小的情況是因?yàn)轫搸r陶粒有一定的吸水性，在水灰比為0.25 時(shí)，水化反應(yīng)不充分導(dǎo)致水化產(chǎn)物比較少，從而影響頁巖陶粒植生混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，當(dāng)水灰比為0.27 時(shí)，水化反應(yīng)最充分，因此抗壓強(qiáng)度最高。當(dāng)水灰比繼續(xù)增大時(shí)，多余的水分蒸發(fā)后在混凝土內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)孔，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖1 頁巖陶粒植生混凝土抗壓強(qiáng)度——水灰比關(guān)系圖

5.2 目標(biāo)空隙率對(duì)植生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2 可知，在水灰比相同的情況下，頁巖陶粒植生混凝土抗壓強(qiáng)度隨著設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率的增大而減小。此種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于單位體積內(nèi)粗骨料的體積相同，設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率越大，則混凝土中所用的水泥量就越少，混凝土硬化后在骨料的連接處就比較薄弱，造成其抗壓強(qiáng)度減小。

圖2 頁巖陶粒植生混凝土抗壓強(qiáng)度——目標(biāo)空隙率關(guān)系圖

5.3 齡期對(duì)植生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著齡期的增長(zhǎng)頁巖陶粒植生混凝土的抗壓強(qiáng)度也在增長(zhǎng)，但與普通混凝土相比，其增長(zhǎng)速度要低一些，這主要是因?yàn)橹采嗫谆炷猎谀Y(jié)硬化后，骨料之間只依靠水泥漿體進(jìn)行粘結(jié)，粘結(jié)點(diǎn)在前期更容易被破壞。

6 結(jié)語

植生型混凝土是一種可以穩(wěn)坡護(hù)岸，保水固土的綠色環(huán)保材料，采用頁巖陶粒作為骨料不僅可以減輕植生混凝土的自重，還能達(dá)到植生混凝土的強(qiáng)度要求，但目前尚沒有相應(yīng)的配合比計(jì)算規(guī)范，在依據(jù)常規(guī)計(jì)算方法計(jì)算出來的配合比制備頁巖陶?；炷?xí)r，出現(xiàn)與普通混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律不同的結(jié)論，在頁巖陶粒沒有達(dá)到浸水飽和狀態(tài)時(shí)，隨著水灰比的增大其立方體抗壓強(qiáng)度是先增大后減小，水灰比宜控制在0.27～0.30 之間。因此在配制時(shí)要注意水灰比對(duì)頁巖陶粒植生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。