河道整治工程生态配合比研究

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０引言

生态混凝土是将传统混凝土与现代生态环保理念二者相结合而成的新型混凝土，主要作用是促进人类与大自然的和谐共存，这一概念最早由日本学者提出。从和谐共存的理念出发，就需要改变混凝土内部结构，特别是增大混凝土内部孔隙率，并且合理设置保水结构，从而促进植物的良好生长［１］。近年来，随着国内外学者和专家对生态混凝土的持续研究，生态混凝土取得了广泛应用，尤其是在河道整治工程领域。例如，２００３年上海嘉定区的河道整治工程采用了从上海引进的植生生态混凝土技术，应用效果良好。伴随着我国学者对植生生态混凝土的研究逐渐深入，通过开展工程试验和理论研究积攒了大量工程经验，并且对护坡植生生态混凝土的制备方法及物理力学性能取得持续性进展，然而在原材料选取、配合比设计及混凝土制备领域仍存在不足。因此，本文从河道整治工程的基本特征出发，通过采用试验研究的方法对植生生态混凝土的最佳配合比开展研究，从而为类似工程提供借鉴。

１工程概况某河道整治工程

植生生态混凝土设置于常水位以上，边坡坡度为１︰０．７，采用Ｃ２５混凝土框格内填生态混凝土，格埂断面尺寸一般为０．２５ｍ×０．４ｍ（宽×高），为减小土体的不均沉降，框格单块面积设置为６ｍ２，土体渗透系数不小于１×１０－１ｃｍ／ｓ，且具有反滤性。为提高河道两侧边坡的抗浮稳定性，护坡厚度设置为０．１２ｍ，护坡下应设置３ｃｍ砂垫层或碎石垫层，避免混凝土护坡及格埂开裂。为促进草皮和灌木的良好生长，生态混凝土前需要一定的覆土厚度保证生长所需的水分和营养，覆土厚度设置为７ｃｍ。

２植生生态混凝土简介

植生生态混凝土以多孔混凝土为骨架，孔隙率在２０％左右，内部孔径较大。在工程实践中，一般会在大空隙中填充植物生长所需养分，植物根系发育至混凝土内部乃至穿透混凝土到达下部土壤，这种混凝土被称为植生生态混凝土。利用植生生态混凝土的这一特征，可以种植灌木类植物，从而实现对受污染河道的修复及绿化，达到河道加固和生态环保的双重效果。图１为植生生态混凝土用于河道整治工程。由上可知，将植生生态混凝土用于河道整治工程具有显著的环保价值，不仅可以美化河道环境，减轻河流污染，避免水土流失进一步加剧。根据工程实践经验，可知植生生态混凝土具有以下优势：强度高，耐久性能良好；降低土体发生管涌现象的可能性；改善河道整体的生态环境，提升水源质量；促进河道整体生态系统的发展，实现人与自然的和谐共生［２］。

３植生生态混凝土原材料及其基本性能研究

植生生态混凝土的主体结构是多孔混凝土，利用胶凝材料的胶结作用可以将粗颗粒骨架形成整体，从而为植物根系发展提供有利条件。这意味着植生生态混凝土的孔隙结构大小等与各组分的含量密切相关。而实现混凝土内连续空隙的根源在于配合比设计，因此通过试验研究确定原材料的选用和混凝土的最佳配合比，从而提高混凝土强度，实现植生生态混凝土应用价值［３］。

３．１胶凝材料

胶凝材料分为无机类和有机类两种。对无机类胶凝材料而言，应用范围最广的是水泥材料。水泥材料中一类是普通硅酸盐水泥基胶凝材料，在设计中一般通过改变其组分和含量实现使用功能；另一类是无机胶凝材料，通过改性措施实现对材料酸碱度的调整，从而满足植物生长。基于可操作性，多数试验人员采用的是第一类措施实现胶凝材料体系的调整。本次选用的水泥为４２．５级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表１所示。

３．２粗集料

植物根系的良好生长与孔隙率密不可分，植生生态混凝土的孔隙率与骨料种类、粒径及级配情况紧密相关。在集料选择过程中，应尽量选择高强度的碎石，若工程实际对集料要求不高时，可选择建筑废料，如砖块或混凝土等等，提高工程经济合理性［４］。粒径及级配区间不同的粗集料的孔隙率均在较大差异，一般而言，粒径大且级配变化范围小的粗集料孔隙率较大。因此，在植生生态混凝土中多选择粒径大级配单一粗集料或者按一定比例混合的粗集料。本次试验中采用的粗集料粒径分为两种，一种为１６．５～１９．５ｍｍ，另一种为１９．５～２７．０ｍｍ。两种粗集料的基本性能试验指标见表２。

３．３外加剂及拌和水

为了满足植生生态混凝土的强度需求，达到植物生长所需的酸碱度，本次采用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，其参数如表３所示，采用的拌合水为自来水。

４植生生态混凝土最佳配合比研究

绿色生态混凝土内部骨架由多孔混凝土构成，为满足使用条件，其标准抗压强度应大于２０ＭＰａ，孔隙率不小于２０％。因此，生态混凝土的配合比与混凝土强度和孔隙率相关。在工程实践中为满足植物生长，对混凝土的酸碱度有一定要求，即呈碱性，且ｐＨ小于１０。同时，考虑到水泥等胶凝材料的流变性与矿物掺和料相关。综合考虑上述因素，试验过程中在水泥等胶凝材料中添加矿渣等矿物，在此基础上配制植生生态混凝土，并研究混凝土的抗压强度和孔隙率的变化规律，由此得到植生生态混凝土的配合比参数［５］。影响植生生态混凝土配合比参数的因素多种多样，主要包括水胶比、粗集料、胶凝材料组分及含量。在本次试验中，上述各因素的参数如表４所示。

４．１水胶比变化对抗压强度

试验结果分析根据试验结果可知，随着水胶比的逐渐增大，不同胶凝材料组成（分别为１００％水泥净浆、８０％水泥净浆２０％粉煤灰、７０％水泥净浆１０％粉煤灰２０％矿渣）的植生生态混凝土的抗压强度不同，其中８０％水泥净浆２０％粉煤灰随着水胶比的变化幅度最大；当水胶比为０．２８时，７０％水泥净浆１０％粉煤灰２０％矿渣的胶凝材料的混凝土抗压强度最大值为１０．５ＭＰａ；当水胶比为０．３０时，８０％水泥净浆２０％粉煤灰的胶凝材料的混凝土抗压强度最小值为６．８ＭＰａ。植生生态混凝土的水胶比较小，当胶凝材料含量不变时，随着用水量增大，胶凝材料和水的接触面积增加，随着水泥水化作用的持续进行，混凝土强度得到提升。在试验过程中，随着水胶比的增大，胶凝材料的流动性能得以提升，粘结性降低，使得混凝土抗压强度降低，强度增长效应弱与强度减小作用，混凝土的最终表现特征是抗压强度降低。对７０％水泥净浆１０％粉煤灰２０％矿渣的混凝土而言，其抗压强度随着水胶比增大先升高后降低，这是由于混凝土内部的强度增长作用优于强度减小作用，由于植生生态混凝土的内部多孔隙结构同粉煤灰和矿渣的混合作用对混凝土抗压强度有一定影响，该机制有待进一步研究。当水胶比为０．２８和０．３０时，抗压强度最大的为７０％水泥净浆１０％粉煤灰２０％矿渣的植生生态混凝土。随着水胶比由０．２８变化到０．３０，胶凝材料组成为８０％水泥净浆２０％粉煤灰时的混凝土抗压强度变化率较大，这是由于随着水化反应充分进行，混凝土土内部结构逐渐均匀，孔隙率增大，随着水胶比的增大，胶凝材料的流动程度进一步增大，粗集料外侧的浆液厚度减小，从而使得混凝土孔隙率减小。

４．２水胶比变化对孔隙率试验结果分析

随着胶凝材料的增大，不同粒径粗集料的植生生态混凝土抗压强度均增大，增长幅度为２５％和１２．３％；随着水胶比减小，混凝土孔隙率减小幅度为４％左右。这是因为，水胶比恒定时，胶凝材料水化作用随着胶凝材料增加逐渐增强，使得混凝土强度得到进一步提升，包裹于粗集料表面的浆液含量进一步减少，混凝土内部孔隙率减小。通过对抗压强度和孔隙率的变化结果可知，胶凝材料含量对抗压强度的影响程度显著，这一实验结果可为植生生态混凝土提供工程借鉴，植生生态混凝土的最佳配合比为水灰比０．３０、粗集料含量２２０ｋｇ／ｍ３、８０％水泥净浆２０％粉煤灰的胶凝材料组成。

５结语

（１）随着水胶比逐渐增大，不同胶凝材料组成的植生生态混凝土的抗压强度不同，其中８０％水泥净浆２０％粉煤灰随着水胶比的变化幅度最大；

（２）随着水胶比由０．２８变化到０．３０，胶凝材料组成为８０％水泥净浆２０％粉煤灰时的混凝土抗压强度变化率较大，这是由于随着水化反应充分进行；

（３）植生生态混凝土具有显著的生态价值和经济效益，目前尚处于初步发展阶段，对今后的的进一步研究而言，可重点研究植生生态混凝土内部结构及不同材料间反应机制对混凝土强度等参数的影响。

参考文献

［１］陈锋．绿色生态混凝土的施工流程及其工程应用［Ｊ］．建筑节能．２０１１（５）：４９－５１．

［２］董建伟，裴宇波，王丽秋．环保型绿化混凝土的研究与实践［Ｊ］．吉林水利．２００２（２）：１－４．

［３］董建伟．绿化混凝土上草坪植物所需营养元素及供给［Ｊ］．吉林水利．２００４（２）：１－５．

［４］王桂玲，王龙志，张海霞，等．植生混凝土的配合比设计、碱度控制、植生土及植物选择［Ｊ］．混凝土．２０１３（２）：１０２－１０６．

［５］郑玉．集料比表面积计算方法探讨［Ｊ］．交通标准化．２００８（１１）：９５－９７.

作者:吴蒙 单位:高邮市水利局