植被混凝土復合抗凍劑的組配試驗

周明濤，胡歡，胡旭東

(1.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，443002，湖北宜昌;2.三峽大學土木與建筑學院，443002，湖北宜昌)

隨著改革開放與國民經(jīng)濟的縱深發(fā)展，高寒地區(qū)能源與交通的開發(fā)和建設給原本極端脆弱的區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來了毀滅性的破壞，因工程擾動造成的眾多裸露巖石邊坡亟待植被修復。植被混凝土(vegetation-growing concrete，簡稱VGC)為典型的人造復合土壤，主要功能在于營造高陡邊坡植被生境，其固相部分由植生土、腐殖質、水泥和植被混凝土綠化添加劑以干質量比100∶10∶8∶5均勻混合而成，工程界也稱為生態(tài)基材［1］。該生態(tài)基材自發(fā)明以來，已普遍應用于溫度條件較高的廣大地區(qū)，且取得了較好的生態(tài)與社會效益;但在工程應用中卻未考慮凍融循環(huán)對其結構穩(wěn)定性的影響及耐久性的破壞。

高寒地區(qū)的顯著特征就是年均氣溫低、霜凍期持續(xù)時間長，極端最低溫度?？蛇_－40 ℃，此種條件下含水物體發(fā)生反復凍融現(xiàn)象不可避免;因此，在高寒地區(qū)巖石邊坡上營造植被生境時，除了滿足常溫下必備的水分、養(yǎng)分和抗沖刷性等條件外，還應具備較高的抗凍性，以抵御反復的凍融破壞作用?；诖?，筆者通過多次試驗，針對植被混凝土生態(tài)基材研制出復合抗凍劑，為高寒地區(qū)工程擾動邊坡的植被修復奠定物質基礎。

1 材料與方法

1.1 抗凍劑原材料遴選及摻加量設計

植被混凝土以水泥為黏結劑，在很大程度上具備水泥土的特性，因此參照水泥土抗凍改良試驗選取抗凍劑原材料品種。水泥土主要依靠摻入短纖維、超細礦粉及引氣劑等來提高其抗凍標號。短纖維包括鋼纖維、尼龍纖維、石棉纖維、玻璃纖維、合成纖維和天然植物纖維等;超細礦粉包括硅粉、生石灰、天然浮石粉、礦渣粉、無水鈉鹽等;引氣劑是表面活性劑，為一種化學材料。

在使用水泥作為黏結劑的前提下，植被混凝土雖可劃歸為水泥土，但其性能與功用均不能簡單地等同于水泥土。水泥土為建筑材料，主要用作房屋、道路及堤壩等設施的地基。植被混凝土主要營造植物生長所需的養(yǎng)分、水分等基本條件，內含植物“活”的根系;因此，用于提高水泥土抗凍性能的材料并不一定完全適用于植被混凝土，后者的抗凍劑原材料還應重點遵循以下3 條基本原則:1)無“毒”性，不會威脅植物生長發(fā)育，不會污染環(huán)境;2)來源廣泛，價格低廉;3)技術簡單，施用方便。

綜上，選取棕纖維、硅粉和表面活性劑為組成植被混凝土抗凍劑的原材料。摻加量主要借鑒各原材料在水泥土中的用量，以各原材料干質量與植被混凝土中植生土干質量的比例為計量標準，具體情況為:棕纖維(0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%)、硅粉(1%、2%、3%、4%、5%)、表 面 活 性 劑(0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%)。

1.2 試驗設計

植被混凝土為人工配制的復合材料，具有水泥土與有機質土的雙重性能，關于此類材料抗凍性的檢測，國內外還沒有形成統(tǒng)一的試驗方法與標準。參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗法》［2］中的快凍法，自行設計了一套檢測植被混凝土抗凍性的凍融循環(huán)試驗。

1)向植被混凝土中添加不同比例的抗凍劑原材料，監(jiān)測凍融循環(huán)過程中試樣相對動彈性模量與質量變化情況，并探討分析抗凍性的提高與改良程度，以獲取最佳復合抗凍劑配比方案及其摻加量。

2)植被混凝土的抗剪和抗壓強度均遠低于混凝土，故定義其凍融破壞的衡量標準為:當凍融試樣的質量損失率達到15%或相對動彈性模量下降到77.5%時，表征試樣凍融破壞，試驗結束。

3)結合GB/T 50123—2002《土工試驗方法標準》［3］，先將試樣放置在(－20±2)℃的條件下冰凍16 h，而后在(20±2)℃的條件下融化16 h，如此為一單次凍融循環(huán)。

4)相同條件試樣做3 組平行試驗，取平均值。

試驗主要設備包括NELD-TFC 混凝土快速凍融試驗機、NEL-DTA 型動彈模量測定儀、電子天平、熱電偶電位差計、振動臺和拆模氣槍等。

1.3 供試材料處理

試驗涉及的原材料有植生土、腐殖質、水泥、植被混凝土綠化添加劑、棕纖維、硅粉和表面活性劑，前4 種為組成植被混凝土的固相原材料，后3 種為本試驗所選取的抗凍劑原材料。

1)植生土:天然土料取回后，經(jīng)晾曬、搗碎，并過2 mm 細篩篩分，取篩下物。天然土密度1.37 g/cm3、天 然 含水率 27.3%、塑 限 22.7%、液 限36.4%、塑性指數(shù)13.7%、液性指數(shù)0.34%。

2)腐殖質:杉木(Cuuinghamia lanceolaia)鋸末，在(103±2)℃的烘箱中干燥到其質量不再變化時，再過2 mm 細篩篩分，取篩下物。

3)水泥:32.5R 普通硅酸鹽水泥。

4)植被混凝土綠化添加劑:三峽大學研發(fā)的專利產(chǎn)品LY-2 型綠化添加劑。

5)棕纖維:棕櫚外皮短纖維，直徑0.18 ～0.2 mm，長2.5 ～3.5 cm。

6)硅粉:礦渣粉粒徑0.1 ～1.0 μm，比表面積20 ～25 m2/g，在溫度32 ℃、濕度50%的條件下檢驗得出每100 g 含SiO2和Fe 分別為96.6g 和0.5 g。

7)表面活性劑:高性能混凝土引氣劑JY-AR20型特殊陰離子表面活性劑。

1.4 試樣制備

試樣制備方法遵循植被混凝土生態(tài)護坡技術設計規(guī)程中的相關規(guī)定［1］與GB/T 50123—2002《土工試驗方法標準》［3］中3.1.6 條內容。

1)按照植被混凝土組成配比及試驗設計摻加量均勻混合植生土、腐殖質、水泥、混凝土綠化添加劑、棕纖維、硅粉、表面活性劑及適量水(以混合物成泥狀為準)。

2)將混合物填入100 mm×100 mm×400 mm的試模，分3 層裝填，每裝填一層在振動臺上至少振動3 min。

3)將試樣連同試模裝入塑料袋內密封，并在室溫下靜置24 h，然后逐一拆模。

4)拆模后的試樣立即送入溫度為(20±3)℃，濕度≥90%的標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。

5)28 d 后將試樣連同測溫試件一起放入溫度為15 ～20 ℃的水中浸泡水養(yǎng)，水養(yǎng)期間水面高出試樣上表面至少20 mm。

2 結果與分析

2.1 復合抗凍劑的初始組合

試驗中，檢測摻入棕纖維、硅粉和表面活性劑的植被混凝土試樣在12 次凍融循環(huán)后的質量損失率及相對動彈性模量，結果見表1?？梢钥闯?，棕纖維、硅粉和表面活性劑質量組配比例不同，植被混凝土試樣經(jīng)歷12 次凍融循環(huán)后的質量損失率與相對動彈性模量衰減狀況存在著較大差別。如單分析質量損失率，則其最佳值出現(xiàn)在棕纖維、硅粉與表面活性劑質量組合為1.25%、3%、0.1%的條件下，此時試樣質量損失率最小，為3.31%。如單分析相對彈性模量，其最佳值出現(xiàn)在棕纖維、硅粉與表面活性劑質量組合為1.25%、2%、0.05%的條件下，此時試樣相對彈性模量最大，為86.07%。

表1 復合抗凍劑初始質量組合及試驗結果Tab.1 Initial mass combinations of composite antifreeze and test results %

從Ki值的分布走勢可預測，在棕纖維、硅粉與表面活性劑質量組合為1%、3%、0.05%的條件下，試樣的質量損失率最小;從K'i值的分布走勢可預測，在棕纖維、硅粉與表面活性劑質量組合為1%、3%、0.1%的條件下，試樣的相對彈性模量最大。

2.2 初始組合的優(yōu)化與驗證

圖1 復合抗凍劑優(yōu)化試驗Fig.1 Optimization experiments of composite antifreeze

為了便于分析，采用A、B、C 分別代表棕纖維、硅粉和表面活性劑，采用1、2、3、4、5 分別代表抗凍劑原材料設計摻加量的不同水平。由表1 初步篩選出復合抗凍劑的4 種初始組合，即:a 組(A5B3C2，質量損失率，試樣編號23，可見最優(yōu)組合)、b 組(A5B2C1，相對動彈性模量，試樣編號22，可見最優(yōu)組合)，c 組(A4B3C1，Ki值3 列最小值組合，預測最優(yōu)組合)、d 組(A4B3C2，K'i值3 列最大值組合，預測最優(yōu)組合)。下面對摻加此4 種初始組合抗凍劑的植被混凝土再次進行12 次凍融試驗，以獲取復合抗凍劑最優(yōu)質量配比方案。結果如圖1 所示，可以看出，4種不同組合的復合抗凍劑中，c 組(A4B3C1)試樣在經(jīng)歷12 凍融循環(huán)后質量損失率最小，僅為2.81%，同時相對動彈性模量最高，為84.27%。由此，c 組(A4B3C1)的抗凍性能優(yōu)于其他組別，即對植被混凝土抗凍性能提升效應最明顯的復合抗凍劑質量配比方案為棕纖維∶硅粉∶表面活性劑=1∶3∶0.05。

為進一步驗證添加了最優(yōu)配比方案復合抗凍劑的植被混凝土的抗凍性能，以各原材料干質量與植被混凝土中植生土干質量的比例為計量標準，按棕纖維∶硅粉∶表面活性劑=1∶3∶0.05 先配制成復合抗凍劑，并分別進行摻加量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%共5 組植被混凝土改良樣的凍融循環(huán)試驗。試驗結果見圖2，可發(fā)現(xiàn):除摻加量為0.5%的改良樣在48 次凍融循環(huán)前已破壞外，其他4 組改良樣在48 次凍融循環(huán)結束時均未達到本試驗所設定的破壞標準;當復合抗凍劑在摻加量為1.5%條件下效果最佳，此時植被混凝土改良樣經(jīng)歷48 次凍融循環(huán)后，質量損失率為11.25%，且相對動彈性模量保持在73.45%，同未摻入任何外摻劑的空白樣相比(空白樣在凍融循環(huán)12 次時，質量損失率與相對動彈性模量分別為11.84%、70.69%)，具備較高的抗凍增強效益。

2.3 抗凍劑作用機制

植被混凝土生態(tài)基材屬于彈塑性材料，雖可承受一定的抗壓強度，但抗剪和抗拉強度卻很低［1］;因而凍融侵蝕對其破壞作用主要體現(xiàn)在凍結過程，反復凍融將引起植被混凝土內部結構不斷發(fā)生變化。水在凍結時產(chǎn)生相變，造成體積膨脹，導致孔隙壁承受較大的膨脹應力。當這種應力超過植被混凝土自身抗拉強度時就會出現(xiàn)微裂縫，且其在冰融化后不能完全復原，提供外界水入滲的機會增多。再次凍融時，又會產(chǎn)生新的微裂縫，且先前形成的裂縫會由于結冰而繼續(xù)擴大。如此經(jīng)過反復的凍融，裂縫數(shù)目越來越多，體積比越來越大，最終引起植被混凝土動彈性模量和強度降低，同時表面會由于裂縫出現(xiàn)產(chǎn)生剝蝕破壞，造成質量損失。

棕纖維、硅粉和表面活性劑作為抗凍劑原材料摻加到植被混凝土后，將影響其抗凍性能，3 材料類型不同，作用機制也存在著較大差異。

圖2 復合抗凍劑結果驗證Fig.2 Test results of composite antifreeze

1)棕纖維。植被混凝土中摻入棕纖維后，纖維網(wǎng)絡結構起到聯(lián)結、約束和控制作用，能及時將凍融作用產(chǎn)生的應力集中，并予以擴散，從而抑制了微裂縫的發(fā)展［4-5］，故此植被混凝土的抗凍性得到一定改善與提高。

2)硅粉。植被混凝土中加入硅粉后，水泥熟化程度增大，生成大量的硅酸鈣三鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣等水化凝膠體，可填充混合物顆粒間的空隙，改善界面結構及黏聚力，從而提高植被混凝土的強度。另外，從結構上看，雖然摻入硅粉前后植被混凝土的總孔隙率基本相同，但摻入后粗大孔隙及毛細孔隙大量減少，而超細孔隙增加。超細孔隙對水有較大的吸附作用，使植被混凝土的凍結溫度降低，延緩了凍融過程，降低了破壞應力［6］。正是上述強度的提高及結構的改善，提高了植被混凝土的抗凍性。

3)表面活性劑。植被混凝土中摻入表面活性劑后，可引入大量不連續(xù)、均勻分布、微小且封閉的微細氣泡，從而提高自由水的遷移能力，緩和靜水壓力，降低表面張力，阻止外界自由水的補給，同時這些細小的氣泡能夠有效改善植被混凝土的微觀結構，并直接調節(jié)其對外界的冷熱、干濕、凍融交替作用下體積變化及內部應力變化的適應能力［7-8］，結果自然導致植被混凝土抗凍性能的提高。

3 結論

1)參照水泥土抗凍改良試驗，并結合植被混凝土生態(tài)基材自身特點與功能，棕纖維、硅粉和表面活性劑可作為生態(tài)護坡基材抗凍劑的原材料。

2)棕纖維、硅粉和表面活性劑3 種原材料對植被混凝土生態(tài)基材的抗凍性有不同程度的提高與改善，其作用機制也不同。

3)對植被混凝土生態(tài)基材抗凍性能提升效益最明顯的復合抗凍劑質量配比方案為棕纖維∶硅粉∶表面活性劑=1∶3∶0.05，且其摻加量為植生土干質量的1.5%時效果最佳。