河渠邊坡植生型多孔混凝土防護(hù)技術(shù)的研究及應(yīng)用

宋文杰 何香建 劉 軍

（湖南省水利水電科學(xué)研究院 長沙市 410007）

當(dāng)前河渠邊坡防護(hù)技術(shù)存在的主要問題有：生態(tài)綠化效果差、強度低以及抗沖刷能力差等缺點。因此，突破傳統(tǒng)護(hù)坡材料的范圍局限，研究具有結(jié)構(gòu)防護(hù)、水土保持、植被恢復(fù)及減少生態(tài)災(zāi)害等特點的生態(tài)護(hù)坡材料必將成為發(fā)展方向之一。本文所研究的植生型多孔混凝土為生態(tài)混凝土的一個類別，是一種將工程防護(hù)和植被防護(hù)有機(jī)結(jié)合起來，并在工程應(yīng)用中能夠兼顧生態(tài)環(huán)境與工程規(guī)范要求的新型護(hù)坡材料。

1995年日本混凝土工學(xué)協(xié)會基于植生試驗的成功，提出了生態(tài)混凝土的概念，并專門設(shè)立了“生態(tài)混凝土研究委員會”，開展植生型多孔生態(tài)混凝土的應(yīng)用研究。目前日本將植生型多孔混凝土技術(shù)運用于數(shù)百個工程實例中[1～3]，主要包括構(gòu)筑堤壩、河岸、公路邊坡等，均取得良好的效果。歐美國家在植生混凝土方面的研究比日本起步晚，目前歐美的大多數(shù)工程應(yīng)用均引進(jìn)日本的先進(jìn)技術(shù)[4]。目前我國對植生型多孔混凝土的研究還處在起步階段，研究重點主要圍繞多孔混凝土或無砂混凝土開展，將多孔混凝土與植生相結(jié)合的研究比較少，在植生型多孔混凝土領(lǐng)域的研究還處于起步階段。

1 植生型多孔混凝土的概念

植生型多孔混凝土也稱生態(tài)混凝土或綠化混凝土。它是以多孔混凝土作為基本骨架，將種植基材充填入多孔混凝土的連通孔隙中，并覆蓋混凝土表面，將植物種子混合在表層的種植基材中，經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護(hù)與管理后，植物萌發(fā)生長，根系在多孔混凝土孔隙中生長并穿過混凝土達(dá)到坡面土體中，形成具有一定強度和植被覆蓋率的環(huán)境友好型護(hù)坡材料[5～6]。

植生型多孔混凝土主要由以下幾部分組成[7～10]：作為主體的植被，承載被面、被床（多孔混凝土）、床絮和床基。其中被面為混凝土表面的一層栽培介質(zhì)（10～25）mm，由種植基材、緩釋肥料、保水材料、固化劑、水與植物種子等按照一定比例拌合而成，為植物種子萌芽生長的初始環(huán)境。床絮是多孔混凝土孔隙中的填充物，由種植基材、緩釋肥料、保水材料、減水劑與水等按照一定比例拌合而成，利于幼苗根須生長直至床基。床基是混凝土底下適于植物長期生長的土壤，需要厚度約300 mm以上，為了使植物根系能長期生長，可預(yù)先加入適量的緩釋肥料。植生型多孔混凝土的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 植生型多孔混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

2 植生型多孔混凝土的制備試驗

2.1 試驗原材料

（1）水泥。P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

（2）粗集料。 粒徑為（20～30）mm單級配碎石。

（3）礦物摻合料。高爐礦渣，比表面積410 m2/kg，密度 2.86 g/cm3。

（4）化學(xué)添加劑。萘系高效減水劑，粉劑，主要成分β-萘磺酸亞甲基高聚物，減水率可達(dá)20%以上。

（5）拌合水。采用普通自來水。

2.2 配合比設(shè)計

（1）最佳水灰比。

本文通過大量的多孔混凝土拌合和成型試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠結(jié)材料的水灰（膠）比控制在（0.24～0.30）范圍內(nèi)，對應(yīng)的凈漿流動度控制在（170～190）mm范圍內(nèi)時，混凝土拌合物粘結(jié)性好，表面有金屬光澤，屬于最佳狀態(tài)。因此將膠結(jié)材料凈漿流動度范圍（170～190）mm 作為控制指標(biāo)。

（2）配合比計算方法。

本文參考眾多文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前使用最多的多孔混凝土配合比設(shè)計方法是“體積法”?！绑w積法”的原理是假定多孔混凝土體積=粗集料體積+膠結(jié)材料體積+目標(biāo)孔隙體積。膠結(jié)材料將緊密堆積的粗集料均勻地包裹粘結(jié)在一起，凝固硬化后形成了多孔堆聚的結(jié)構(gòu)，其剩余的空隙構(gòu)成了混凝土內(nèi)部連通的孔隙。

按照上述方法，計算出不同目標(biāo)孔隙率、不同膠結(jié)材料及不同水灰比時，1 m3多孔混凝土所需材料的用量，結(jié)果見表1。

2.3 制備工藝

由于多孔混凝土的組成材料和結(jié)構(gòu)形式與普通混凝土區(qū)別較大，因此其具有特殊的攪拌、成型及養(yǎng)護(hù)等工藝。

（1）攪拌工序。

通過攪拌試驗發(fā)現(xiàn)，采用“裹漿法”[11～13]攪拌工序拌和的多孔混凝土（見圖2）粘結(jié)性好，新拌混凝土表面有金屬光澤，水泥漿體能均勻地包裹住粗集料，并形成一定厚度的包裹層，有利于提高多孔混凝土的連通孔隙率和強度。

表1 多孔混凝土設(shè)計配合比

圖2 “裹漿法”攪拌工序

（2）試件成型。

采用插搗密實的方法，分三層依次裝入模具進(jìn)行插搗密實，每層插搗20次，最后在試件表面施加（0.2～0.3）MPa的壓力壓制成型，所得多孔混凝土試件密實度高，漿體能充分包裹骨料，成孔效果好。

（3）試件養(yǎng)護(hù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)的方法，試件成型后，連同模具一并放入標(biāo)養(yǎng)室，成型48 h后，脫模繼續(xù)常規(guī)養(yǎng)護(hù)至指定齡期，適時也可放入水中養(yǎng)護(hù)。

2.4 試驗結(jié)果及分析

由表2可知：①多孔混凝土的強度隨著目標(biāo)孔隙率的增大而不斷降低，加入化學(xué)添加劑和礦物摻合料有助于提高多孔混凝土的抗壓強度；②多孔混凝土的抗壓強度隨礦渣摻合比的增加呈先升高后降低的趨勢。這是由于摻入適量礦渣時，水泥水化產(chǎn)物與礦渣能充分進(jìn)行二次水化反應(yīng)，提高了多孔混凝土的密實性和抗壓強度；反之，摻合比過大時，由于礦渣的活性比水泥低而降低了膠結(jié)材料的整體活性，不利于水泥及二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，使多孔混凝土的密實性和抗壓強度降低。因此，在多孔混凝土中摻入適量的礦渣，不僅可以節(jié)約水泥用量，而且能夠提高多孔混凝土的強度和降低孔隙內(nèi)的堿度。

表2 多孔混凝土性能測試成果

3 工程實例應(yīng)用

2016年5月，受新寧縣水利局委托，湖南省水科院對《新寧縣2015年橫溪河流域坡耕地水土流失綜合治理工程》中的一條排水渠道進(jìn)行了植生型多孔混凝土護(hù)坡方案設(shè)計，并派技術(shù)人員到現(xiàn)場指導(dǎo)施工?，F(xiàn)場通過大量的多孔混凝土試拌試驗，確定了最佳水灰比，并采用“體積法”計算得出了多孔混凝土的配合比，按照該配合比制備的多孔混凝土護(hù)坡28 d抗壓強度應(yīng)達(dá)到10.6 MPa，孔隙率達(dá)到27.4%，滿足設(shè)計要求。由于采取了良好的養(yǎng)護(hù)和管理措施，一個月時，大部分種子都能正常的發(fā)芽，幼苗發(fā)育良好，葉片飽滿呈鮮綠色。兩個月時，植被生長茂盛，植株高度達(dá)到（20~30）cm，完全覆蓋植生型多孔混凝土護(hù)坡的表面，達(dá)到了預(yù)期的綠化效果。植物生長兩個月后，根系便能穿過多孔混凝土扎根于邊坡表層土壤中，并在邊坡土體中繼續(xù)發(fā)展，這對邊坡坡面的水土保持和強度的提高非常有利。具體施工工藝和實施效果如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場施工工序及實施效果圖

4 結(jié)語

植生型多孔混凝土在生態(tài)效益上具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)勢，在未來河渠生態(tài)治理工程中，不但可作為一種植生型護(hù)坡材料使用，其自身的孔隙結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)岸水之間的親水交換，具有良好的凈化水質(zhì)的功能。并且其還有降低噪音，減少粉塵的作用，在城鎮(zhèn)周邊的河渠生態(tài)治理工程中應(yīng)用，可以改善人們的生活環(huán)境。所以，對植生型多孔混凝土的研究及在水利工程中的應(yīng)用對推動生態(tài)水利的發(fā)展具有積極的意義。

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