生態(tài)透水混凝土鉸接塊的研發(fā)與示范

張守杰,蘇安雙,鐘 華,李兆宇

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

生態(tài)透水混凝土又稱多孔混凝土或無砂混凝土，由粗骨料、水泥和水拌合而成，粗骨料表面包裹一層水泥漿相互黏結(jié)形成多孔、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。一般認為，透水混凝土起源于1852年的英國，當(dāng)時是由于某工程項目原材料不足引發(fā)了相關(guān)人士的創(chuàng)新發(fā)明。而直到20世紀(jì)60年代，美國才開始系統(tǒng)性地研究透水混凝土。1963年，美國首先發(fā)表了透水混凝土配合比設(shè)計方法[1]，1979年，首次使用該混凝土建成具透水能力的停車場，并由此申請獲得透水混凝土發(fā)明專利[2]。20世紀(jì)90年代，日本開始研究透水混凝土在生態(tài)方面的應(yīng)用，以透水混凝土作為骨架，在內(nèi)部填充保水性材料，表面種植物，以加固、綠化道路邊坡、河堤護岸[3]。美國瀝青路面協(xié)會頒布了透水瀝青混凝土的設(shè)計方法，設(shè)計、建造和維護級配瀝青混凝土道路[4]。透水水泥混凝土的使用和設(shè)計方法可參見美國波特蘭水泥協(xié)會頒布的基于水文學(xué)的透水水泥混凝土設(shè)計手冊[5]。透水瀝青混凝土的使用和設(shè)計方法參見美國瀝青路面協(xié)會NAPA頒布的透水瀝青混凝土路面手冊[6]。1995年Nader Ghafoori闡述了不含細骨料混凝土的概要，討論了透水混凝土作為鋪路材料的應(yīng)用[7]。1995年，日本混凝土工學(xué)協(xié)會提出生態(tài)混凝土概念并成立相關(guān)研究委員會[8]。相比普通混凝土，我國對于透水混凝土系統(tǒng)性的研究還比較匱乏。同時，透水混凝土的抗凍性能較差，難以在寒區(qū)凍融環(huán)境條件下長期穩(wěn)定服役。

鉸鏈?zhǔn)阶o坡是近幾年發(fā)展起來的一種通過工廠化預(yù)制混凝土板塊，現(xiàn)場快速拼裝而成的柔性混凝土護坡型式，既具有傳統(tǒng)剛性護坡系統(tǒng)的防沖刷、穩(wěn)定的優(yōu)點，還具有良好的適應(yīng)基土變形的能力。由于鉸鏈?zhǔn)阶o坡對變形適應(yīng)能力強，可以減少由于遇到不良土質(zhì)、沉陷、膨脹土、堤防塌陷、結(jié)冰隆起等引起的破壞[9-11]。

在實際應(yīng)用中，鉸鏈?zhǔn)交炷磷o坡是由一組尺寸、形狀和重量一致的混凝土砌塊用繩索鉸鏈成的連鎖型結(jié)構(gòu)[12-13]。為了減輕現(xiàn)場起吊安裝重量和植草，所采用的混凝土預(yù)制塊多為中間空洞、邊角形狀復(fù)雜的塊型，在現(xiàn)場安裝與吊裝時很容易破碎。同時，工廠化預(yù)制生產(chǎn)時需要帶模具養(yǎng)護，不利于提高生產(chǎn)效率，因而有待進一步技術(shù)改進。

黑龍江省水利科學(xué)研究院針對透水混凝土寒區(qū)應(yīng)用及鉸接式護坡技術(shù)升級開展大量科研試驗工作，研發(fā)出生態(tài)透水混凝土鉸接塊。該產(chǎn)品通過高強多孔設(shè)計，使鉸接塊在無薄壁結(jié)構(gòu)條件下降低自重，從而減少運輸、吊裝過程中的破損；通過材料配方優(yōu)化與漿體黏稠度調(diào)控，實現(xiàn)了透水混凝土塊體的壓制成型和快速脫模，顯著節(jié)約模具費用和提高生產(chǎn)效率；基于漿體超高強化設(shè)計與多孔連通構(gòu)造，解決了寒區(qū)應(yīng)用透水混凝土的技術(shù)瓶頸；通過配方及養(yǎng)護工藝優(yōu)化，大幅降低水化產(chǎn)物pH值，同時利用生態(tài)透水混凝土的連通多孔特點，實現(xiàn)植被在塊體上種植、生長。

1 強 度

生態(tài)透水混凝土鉸接塊的強度見圖1及圖2。隨著透水混凝土的孔隙率增長，抗壓強度和劈裂抗拉強度不斷降低。根據(jù)美國高速公路局研究成果，高抗凍性透水混凝土的強度需達到20 MPa左右，初步確定18%和20%空隙率的兩個透水配合比。在其他條件均相同的情況下，摻入10%天然砂的兩個配合比混凝土抗壓強度最高，分別達到24.4 MPa和29.1 MPa。

2 透水性能

如圖3所示，透水性能測試采用自制儀器設(shè)備，按如下步驟進行：

(1) 將混凝土試件放入一個內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm的方形有機玻璃筒體中，并通過玻璃膠將有機玻璃筒與混凝土試件接觸表面粘結(jié)密封好。

(2) 待玻璃膠涼干之后，將有機玻璃筒體中裝入自來水。

圖1 空隙率對強度影響作用

圖2 摻加天然砂對強度影響作用

(3) 用秒表記錄時間，當(dāng)有機玻璃筒中水液面距試件上表面160 mm起計時，直至0 mm為止。

混凝土透水系數(shù)計算公式如下：

V=H/t

(1)

式中：V為透水系數(shù)，mm/s；H為水位下降高度，160 mm；t為水位從160 mm高度降至0的時間，s。

圖3 透水性測試裝置及混凝土試塊透水性照片

透水性能試驗結(jié)果見圖4，隨著空隙率提高，滲透系數(shù)不斷增長，滲透系數(shù)變化范圍為0.6～1.0 cm/s。

圖4 空隙率及摻砂對滲透系數(shù)影響作用

3 抗凍性能

生態(tài)透水混凝土鉸接塊的抗凍性參考美國試驗方法和我國國家標(biāo)準(zhǔn)，采用100 mm立方體試件，通過測試不同凍融循環(huán)次數(shù)之后的質(zhì)量損失率進行評價?？箖鰳?biāo)號以質(zhì)量損失率不超過5%時所達到的最多凍融循環(huán)次數(shù)為準(zhǔn)。

圖5 不同凍融循環(huán)下質(zhì)量損失率

試驗結(jié)果見圖5。結(jié)果表明，隨著凍融次數(shù)的增加，各試件的質(zhì)量損失率逐漸增大，50次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失為0.5%～1.2%，200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失為2.5%～3.8%。相同凍融次數(shù)后，質(zhì)量損失率隨著設(shè)計空洞率降低和摻砂量增加而略有降低趨勢。經(jīng)過200次凍融循環(huán)之后，各配合比混凝土的質(zhì)量損失率均在4.0%以下。經(jīng)過300次凍融循環(huán)之后，當(dāng)摻加5%～10%砂之后，兩種孔隙率混凝土的質(zhì)量損失率均小于5%。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對混凝土抗凍等級的評定方法，各配合比透水混凝土的抗凍等級均達到F200以上。在最佳配合比條件下，透水混凝土的抗凍耐久性達到F300的要求，可以用于嚴(yán)寒地區(qū)水利工程的邊坡防護。

4 宜生性

生態(tài)透水混凝土鉸接塊的宜生性采用鉸接塊浸泡水pH值測試和植物生長試驗的方法確定。其中，鉸接塊浸泡水pH值檢測試驗是將鉸接塊放置于0.07 m3的水槽中，測試鉸接塊浸泡水pH值隨時間的變化規(guī)律。試驗周期約為5周，結(jié)果見圖6。植物生長試驗是在透水鉸接塊上覆土，撒草籽，觀測鉸接塊上草種的生長情況。植物生長情況見圖7。

圖6 鉸接塊浸泡水pH值

圖7 生態(tài)透水混凝土鉸接塊護坡上植物生長情況

鉸接塊浸泡水pH值檢測試驗結(jié)果表明，鉸接塊浸泡水的pH值初期增長迅速，第25天開始，pH穩(wěn)定在9，不再變化，pH值變化范圍為7～9。這說明鉸接塊初期堿性析出較多，25 d后不再析出堿性物質(zhì)?？紤]到試驗過程中水的體積較小，僅0.07 m3，按體積百分比計算，透水混凝土鉸接塊相較于普通混凝土來說優(yōu)勢顯著。實際工程應(yīng)用中，護坡結(jié)構(gòu)處于流動水體中，其pH值還會進一步降低。

圖7結(jié)果表明，透水混凝土鉸接塊上植物長勢良好，說明透水混凝土鉸接塊可以為植物生長創(chuàng)造適宜的條件。

5 現(xiàn)場施工技術(shù)

5.1 現(xiàn)場運輸、吊裝

拼裝好的鉸接塊預(yù)制單元靜置養(yǎng)護48 h后，使用吊車采用平吊法將其吊裝至運輸車輛上，運至工程現(xiàn)場。再用平吊法將預(yù)制單元吊裝至鋪設(shè)位置。平吊法一次可吊裝3～4片預(yù)制單元。為避免超重拉斷纜繩，直徑10 mm的纜繩一次吊裝總重量不宜超過4 t。鉸接塊預(yù)制單元吊裝施工照片見圖8。

5.2 現(xiàn)場鋪裝

鉸接塊預(yù)制塊單元采用人工鋪設(shè)法施工。具體步驟如下：

(1) 挖掘機將預(yù)制單元吊至施工坡面。

(2) 人工輔助安裝，通過調(diào)節(jié)護坡單元間的相對位置，將預(yù)制單元擺放到鋪設(shè)位置，使預(yù)制單元間的縫隙最小化。

(3) 按設(shè)計要求用聚乙烯繩將相鄰的預(yù)制單元綁扎連接牢固。

透水混凝土鉸接塊護坡現(xiàn)場鋪裝照片見圖9。

圖8 鉸接塊預(yù)制單元吊裝施工照片

圖9 鉸接塊護坡現(xiàn)場安裝施工照片

5.3 鉸接塊預(yù)制單元的連接

相鄰2個鉸接塊預(yù)制單元之間的連接有2種連接方式，即綁扎連接法和錨桿固定法。其中，綁扎連接法用直徑10 mm聚乙烯繩進行綁扎連接，每間隔50 cm綁扎一道，將多個預(yù)制單元連接成整體的柔性護坡矩陣。綁扎連接方式見圖10。錨桿固定法是將錨桿在相鄰預(yù)制單元4個邊的中點處插入土體，通過錨桿端部的圓環(huán)固定相鄰預(yù)制單元端部的纜繩，使各預(yù)制單元形成一整體，錨桿間距為100 cm。錨桿固定方式見圖11。

圖10 鉸接塊預(yù)制單元綁扎連接方式示意圖

(a)

(b)固定方式大樣圖圖11 鉸接塊預(yù)制單元錨桿固定方式示意圖

6 工程推廣與應(yīng)用

2016年08月—09月，生態(tài)透水混凝土鉸接塊成功應(yīng)用于牡丹江市江心島生態(tài)防護與景觀工程。工程完工后，隨即江心島周圍開始蓄水，生態(tài)護坡近1/2部分處于江水長期浸泡環(huán)境條件下，經(jīng)歷冬季冰推凍脹、冬春冰雪凍融、春季凍土融沉等一系列劣化作用后，生態(tài)護坡保持整體穩(wěn)定。工程照片見圖12。

(a)2016年09月

(b)2017年04月

(c)2018年05月圖12 牡丹江江心島生態(tài)防護與景觀工程

2017年11月—12月，生態(tài)透水混凝土鉸接塊成功應(yīng)用于北引紅旗干渠水毀修復(fù)工程渠道襯砌。在渠道地下水位高、邊坡土體含水率高、土體凍脹性強的不利工況下，生態(tài)透水混凝土鉸接塊襯砌經(jīng)過凍融后仍保持穩(wěn)定。工程照片見圖13。

(a)2017年12月

(b)2018年05月圖13 北引紅旗干渠水毀修復(fù)工程渠道襯砌

7 結(jié) 論

(1)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，生態(tài)透水混凝土強度等級可達C25～C30，滲透系數(shù)為0.6～1.0 cm/s，抗凍性可達F300以上。

(2)生態(tài)透水混凝土堿性水化產(chǎn)物析出較普通混凝土明顯減少，鉸接塊上植物長勢良好。

(3)生態(tài)透水混凝土鉸接塊成功應(yīng)用于牡丹江市江心島生態(tài)防護及北引紅旗干渠渠道襯砌工程，在不利服役工況下，經(jīng)歷凍融循環(huán)仍保持穩(wěn)定。