多孔生態(tài)混凝土在農(nóng)田排水溝渠護(hù)砌中的應(yīng)用研究

王 君

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)每年都會(huì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集在農(nóng)田尾水中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[1- 3]。傳統(tǒng)土質(zhì)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(zhì)混凝土可以提升溝渠抗侵蝕能力，但很難生長(zhǎng)植物，無(wú)法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化，因而有必要設(shè)計(jì)一種既能提升溝渠邊坡抗侵蝕能力、又具有植生性質(zhì)的混凝土[4- 6]。近些年來(lái)，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(qiáng)度，還具有良好透水性，如果能將建筑廢棄垃圾應(yīng)用到農(nóng)田生態(tài)溝渠建設(shè)中，將取得很好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)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(nóng)田水利生態(tài)溝渠襯砌設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)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(lái)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(shí)間分別為180和240min，28d抗折強(qiáng)度為7.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度為52MPa。粉煤灰為Ⅰ級(jí)，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(guò)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(biāo)為11.6%，級(jí)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(jí)配曲線

1.2 配合比方案設(shè)計(jì)

主要探討水灰比、目標(biāo)孔隙率和粉煤灰摻量對(duì)多孔生態(tài)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)分為2組：第一組為不摻入粉煤灰試驗(yàn)組，水灰比取值為0.2、0.25、0.3、0.35和0.4，目標(biāo)孔隙率的取值為25%、28%和31%；第二組為摻入粉煤灰試驗(yàn)組，粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%，水灰比取值為0.3，目標(biāo)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(qiáng)制攪拌15s，接著倒入1/2的水+減水劑，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)制攪拌60s。

成型工藝：分為振搗和壓實(shí)2個(gè)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(duì)混凝土進(jìn)行振搗12次(振搗深度為1/3模具高)，振搗完成后用壓實(shí)裝備(壓實(shí)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(hù)工藝：新拌多孔生態(tài)混凝土裝入模具后24h開(kāi)始拆模，然后放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱的溫度控制在20±2℃，濕度控制在95%±1%，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需用保鮮膜將混凝土包裹，以防止水分流失，同時(shí)每隔一段時(shí)間對(duì)混凝土試件表面進(jìn)行噴水處理，以達(dá)到濕養(yǎng)的目的。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水灰比和目標(biāo)孔隙率對(duì)強(qiáng)度的影響

多孔生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化特征如圖2所示。

圖2 強(qiáng)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(qiáng)度均呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，水灰比過(guò)小，水泥的水化反應(yīng)不充分，水灰比過(guò)大，水泥量不足，也會(huì)導(dǎo)致混凝土的水化反應(yīng)量不足，無(wú)法在試件內(nèi)部形成膠凝結(jié)構(gòu)，因而存在一個(gè)最佳水灰比。在最佳水灰比下，目標(biāo)孔隙率越大，多孔生態(tài)混凝土的強(qiáng)度值越小，其中當(dāng)目標(biāo)空隙率為25%、28%和31%時(shí)，7d抗壓強(qiáng)度分別為16.82、13.82和5.64MPa，28d抗壓強(qiáng)度分別為23.08、16.96和7.88MPa，目標(biāo)孔隙率增加6%，強(qiáng)度降幅均達(dá)到了65%以上，這是因?yàn)槟繕?biāo)孔隙率增大，多孔生態(tài)混凝土的水泥使用量就會(huì)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?chē)乃z凝產(chǎn)物就會(huì)減少，從而在骨料之間形成薄弱的黏結(jié)界面，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；當(dāng)目標(biāo)孔隙率增大至31%后，水灰比對(duì)多孔生態(tài)混凝土強(qiáng)度的影響就會(huì)迅速減小，此時(shí)目標(biāo)孔隙率是影響強(qiáng)度的主要因素。

2.2 水灰比和目標(biāo)孔隙率對(duì)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(biāo)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(shì)，但增幅并不是很明顯，25%、28%、31%目標(biāo)孔隙率下，當(dāng)水灰比從0.2增大至0.4時(shí)，透水系數(shù)僅增大了10.5%、6.6%和8%；相同水灰比下，目標(biāo)孔隙率越大，透水系數(shù)越大；目標(biāo)孔隙率對(duì)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(biāo)孔隙率對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率的影響

多孔生態(tài)混凝土實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率關(guān)系如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率關(guān)系(單位：%)

由圖4可知，相同目標(biāo)孔隙率下，不同水灰比的實(shí)測(cè)孔隙率相差不大，目標(biāo)孔隙率值與實(shí)測(cè)孔隙率比較接近；相同水灰比下，目標(biāo)孔隙率越大，實(shí)測(cè)孔隙率也越大，這說(shuō)明本文以目標(biāo)空隙率對(duì)多孔生態(tài)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)是合理有效可行的。

2.4 粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

多孔生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化特征

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

2.5 粉煤灰摻量對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率和透水系數(shù)的影響

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

圖6 實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(dāng)粉煤灰摻量增大至40%后，實(shí)測(cè)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(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到30%以后，透水系數(shù)將有一個(gè)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(qiáng)度特性，同時(shí)又要具有較高的透水性能，通過(guò)多項(xiàng)參數(shù)的對(duì)比，最終決定的最佳配合比為：水灰比0.3，目標(biāo)空隙率28%，粉煤灰摻量為20%。但是在該配合比下，仍存在一個(gè)明顯的問(wèn)題，那就是pH值較高(pH值達(dá)到12～13)，不適用植物的生長(zhǎng)，因此還需要在最佳配合比下對(duì)其進(jìn)行降堿處理，為了對(duì)混凝土的堿性進(jìn)行中和，在拌制多孔生態(tài)混凝土?xí)r，摻入10%用水量的乙酸(濃度99%)，通過(guò)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(zhǎng)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(dāng)?shù)氐耐寥?、有機(jī)肥、粉煤灰、減水劑和水按照48∶1∶10∶1∶40的比例進(jìn)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(nèi)部，然后觀察高羊茅草的長(zhǎng)勢(shì)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 高羊茅草長(zhǎng)勢(shì)統(tǒng)計(jì)情況

由圖7可知，高羊茅草在植生系統(tǒng)下，7d開(kāi)始發(fā)芽，28d后根系長(zhǎng)度可達(dá)10cm，植株高度可達(dá)30cm，長(zhǎng)勢(shì)非常旺盛。

4 結(jié)語(yǔ)

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(jié)論。

(1)目標(biāo)孔隙率對(duì)強(qiáng)度、透水性的影響大于水灰比，當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值。

(2)強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量增加呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值；實(shí)測(cè)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(biāo)空隙率28%，粉煤灰摻量為20%，在拌制過(guò)程中，還需摻入10%用水量的乙酸進(jìn)行化學(xué)降堿。

(4)本文僅對(duì)高羊茅草在多孔生態(tài)混凝土中的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行了研究，未對(duì)其水質(zhì)凈化效果進(jìn)行分析，今后需做進(jìn)一步補(bǔ)充研究。