植被再生混凝土的透水性能研究

胡海明，孫 暢

(1.沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168；2.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 鞍山 114000)

目前，植被混凝土因其水質(zhì)凈化、水土保持、修復(fù)綠化帶、重建惡化的生態(tài)環(huán)境等作用，得到世界各國材料和環(huán)境領(lǐng)域研究學(xué)者的普遍關(guān)注[1-3]。所謂植被混凝土，是以無砂多孔混凝土為骨架，內(nèi)部孔隙中填充生長基質(zhì)或植生基材，組成具有一定強(qiáng)度且適宜植物生長的混凝土及其制品。植被混凝土的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在生態(tài)性和透水性等方面。通過植物生長營造良好的鎖水功能，減少水土流失，鞏固生態(tài)環(huán)境，植被混凝土良好的透水性可在一定程度上增強(qiáng)路面透水性，減少地表徑流量和雨水滯留造成的洪澇現(xiàn)象[4-6]。

透水性是植被混凝土工作性能的重要評價指標(biāo)之一，良好的透水性是保證雨水順利透過混凝土層滲入地下水系統(tǒng)的基本條件。在植被混凝土的透水性研究方面，徐行軍等[7]、張磊蕾等[8]、姜成等[9]和程冬揚(yáng)等[10]對滿足抗壓性、抗凍性和抗折性的透水混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)路用透水混凝土的有效孔隙率對其透水系數(shù)起著決定性作用。王玉梅等[11]測試了多孔混凝土的透水系數(shù)，結(jié)果表明多孔混凝土孔隙率與透水系數(shù)之間存在良好的二次線性函數(shù)關(guān)系，且透水系數(shù)與強(qiáng)度值呈反比例相關(guān)。陳晉棟等[12]通過試驗(yàn)對透水混凝土透水系數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用Kozeny-Carman方程能夠很好地表達(dá)透水系數(shù)與有效孔隙率之間的關(guān)系。此外，植被混凝土的組成成分也對透水性具有一定影響。尹志剛等[13]基于正交試驗(yàn)對透水混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明設(shè)計孔隙率對再生骨料透水混凝土的連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)影響最大，而微硅粉、水膠比和增加劑摻量的影響程度較小。陳守開等[14]通過單一因素下透水混凝土的性能研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料和鋼纖維的摻入有利于增加混凝土內(nèi)部孔隙，提高透水性能與解偉等[15]的研究結(jié)果相同。

植被再生混凝土是將植被混凝土與再生混凝土技術(shù)相結(jié)合，使用破碎至適宜粒徑的廢棄混凝土取代植被混凝土中的粗骨料。本文研究了植被再生混凝土的透水性能及其影響因素，并初步將植被混凝土應(yīng)用于植被邊坡，研究雨水徑流情況。

1 試驗(yàn)方法

1.1 植被混凝土制備

構(gòu)成植被再生混凝土骨架結(jié)構(gòu)的多孔透水混凝土材料，包括水泥、粗骨料、超細(xì)礦粉、減水劑。植被混凝土配合比見表1。

表1 再生骨料多孔混凝土配合比

圖1(a)為邊坡防護(hù)試驗(yàn)研究所使用的小試塊植被混凝土，尺寸為100 mm×100 mm×60 mm；圖1(b)為邊坡防護(hù)試驗(yàn)中所使用的整板植被混凝土，寬度為400 mm，厚度為60 mm。

圖1 植被再生混凝土

1.2 透水性測試方法

參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[16](CJJ/T 135—2009)以及相關(guān)文獻(xiàn)，以透水系數(shù)描述植被混凝土的排水性能，試驗(yàn)采用自制的改進(jìn)混凝土透水系數(shù)測定裝置(見圖2)。植被混凝土的透水系數(shù)KT按式(1)計算：

(1)

式中：KT為T℃的水溫下測定的透水系數(shù)，mm/s；A為混凝土滲透受壓面積，mm2；Q為t時間內(nèi)滲出水量，mm3；H為水位差，mm；t為測試時間，s。

圖2 透水系數(shù)測定裝置

滲透系數(shù)k是反映土滲透性能的定量指標(biāo)，試驗(yàn)采用TST-55滲透儀，通過變水頭法測量植生基材及其主要組分的滲透系數(shù)，試驗(yàn)裝置見圖3。變水頭管內(nèi)截面面積為a，試樣高度為L，試樣面積為A，測量時刻t1、t2對應(yīng)的水位h1、h2，根據(jù)式(2)即可求出滲透系數(shù)。

(2)

每組試樣初始水頭均為90 cm，水頭每下降10 cm記錄時間，最終水頭下降至40 cm結(jié)束，測得5組數(shù)據(jù)。每種試樣重復(fù)測量5次，結(jié)果去掉最大值和最小值后取平均值作為該組試樣滲透系數(shù)。

圖3 滲透系數(shù)測量裝置

1.3 人工降雨試驗(yàn)

圖4為管網(wǎng)式人工降雨裝置，此裝置是下噴式模擬降雨形式，由降雨系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和供水系統(tǒng)三部分組成，降雨系統(tǒng)由PVC管制成，置于支架最上端；支撐系統(tǒng)由直徑20 mm的鋼管和邊長50 mm的角鋼焊制而成，距地面2 m高；供水系統(tǒng)由水泵、閥門、流量表、供水管等組成，調(diào)節(jié)閥門便可控制雨強(qiáng)大小。

圖4 人工降雨裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 植生基材的滲透系數(shù)

植被混凝土的骨架結(jié)構(gòu)為植物提供了生長空間，但其中缺少植物生長所必須的營養(yǎng)物質(zhì)和水分，因此需要在植被混凝土內(nèi)部孔隙中填充一定的生長基材，為植物提供基本生存載體及營養(yǎng)成分。而植生基材的灌注會填充植被混凝土孔隙，降低混凝土的透水性。試驗(yàn)測定的植生基材滲透系數(shù)見表2。

表2 滲透系數(shù)測量結(jié)果

植生基材是具有一定黏度的漿體，具有一定流動性，但無法將植被混凝土所有孔隙填充完全。試驗(yàn)所用植生基材含有一定纖維狀材料，使其在保持透水性的同時具有耐沖刷性。

2.2 骨料級配對植被再生混凝土透水性能的影響

使用5 mm～25 mm、5 mm～16 mm、16 mm～25 mm和10 mm～20 mm級配的再生骨料制備植被混凝土，超細(xì)礦粉的摻量為60%，孔隙率為20%，水膠比為25%。不同骨料級配下植被再生混凝土透水系數(shù)見圖5。圖5左側(cè)和右側(cè)縱坐標(biāo)分別對應(yīng)未灌注植生基材和灌注植生基材后的混凝土透水系數(shù)。

由圖5可見，未灌注植生基材之前，單一級配植被混凝土的透水系數(shù)高于連續(xù)級配的植被混凝土，骨料粒徑越大的植被混凝土透水系數(shù)越大。透水系數(shù)最高為級配16 mm～25 mm的混凝土。灌注植生基材之后，植被混凝土的透水系數(shù)比未灌注之前減小一個數(shù)量級，不同骨料級配對透水系數(shù)的影響也降低。灌注植生基材后，骨料級配為16 mm～25 mm的植被混凝土的透水性反而最差。這是因?yàn)檫B續(xù)級配的混凝土骨料堆積更密實(shí)，表觀密度更低。級配為5 mm～25 mm的骨料的表觀密度為2.46 kg/m3，級配為16 mm～25 mm的骨料的表觀密度為2.39 kg/m3。當(dāng)骨料堆積更密集，制備的植被混凝土更容易產(chǎn)生不連通的孔隙，降低了植被混凝土的透水性。當(dāng)骨料粒徑的分布比較集中時，容易形成連通的孔隙。骨料的粒徑越大，制成植被混凝土后形成孔隙的孔徑越大，形成連通孔隙的機(jī)率更高，植被混凝土的透水性越好。

圖5 骨料級配對透水系數(shù)的影響

2.3 孔隙率和植生基材對植被再生混凝土透水性能的影響

采用級配為5 mm～25 mm的再生骨料，超細(xì)礦粉摻量為60%，水膠比為0.25制備不同孔隙率的植被混凝土?？紫堵蕦χ脖换炷镣杆禂?shù)的影響如同6所示。圖6左側(cè)和右側(cè)縱坐標(biāo)對應(yīng)未灌注植生基材和灌注植生基材后的混凝土透水系數(shù)。

圖6 孔隙率對透水系數(shù)的影響

由圖6可知，沒有灌注植生基材的混凝土透水系數(shù)隨孔隙率增加而增加。而灌注植生基材的混凝土，其透水系數(shù)沒有隨孔隙率增加而變化。混凝土的孔隙率越大，混凝土結(jié)構(gòu)中的連通孔隙越多。一定黏度條件下，水泥漿包裹骨料的厚度是有極限的，一般為1 mm～5mm。因此決定孔隙直徑大小的主要是骨料的粒徑。相同骨料級配條件下，孔隙率的大小對連通孔徑大小的影響有限。因此孔隙率對連通孔隙數(shù)量的影響不如骨料級配大，相同級配條件下孔隙率對灌注植生基材混凝土的透水系數(shù)影響不大。當(dāng)植被混凝土孔隙率一定時，連續(xù)級配混凝土的連通孔數(shù)量較少，因此其透水性受到植生基材的影響較大。普通黏土的滲透系數(shù)在10-1mm/s～10-3mm/s時即為高透水性的土壤，灌注植生基材后的植被混凝土透水系數(shù)高于這一范圍，可以滿足植生需要。

2.4 雨水入滲下植被混凝土邊坡徑流量

本試驗(yàn)選擇發(fā)芽快、發(fā)芽率高、根系發(fā)達(dá)、生命力旺盛、耐旱、耐堿性、抗病抗蟲的高羊茅進(jìn)行種植，圖7為降雨入滲試驗(yàn)前植被混凝土生長情況，試驗(yàn)前每天使用霧狀噴壺對植被混凝土進(jìn)行兩次灑水保濕，提供所必須的水分，保證生長期間土壤濕潤。

表3為不同護(hù)坡類型邊坡雨水徑流總量所占總降雨量百分比，整體植被混凝土護(hù)坡形式下，約60%～70%的雨水從邊坡表面徑流排走；試塊植被混凝土護(hù)坡形式，約40%～60%的雨水從邊坡表面徑流排走，可見整體植被混凝土較試塊植被混凝土的徑流排水效果更佳。裸坡和覆土植草護(hù)坡，雨水徑流量較小，大多數(shù)雨水入滲于土體中，在增加土體自重的同時，也使土體基質(zhì)吸力喪失和抗剪強(qiáng)度降低，易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞[17]。植被混凝土護(hù)坡形式下大多數(shù)雨水被排走，利于邊坡土體穩(wěn)定，少數(shù)雨水滲于土體中，為植被混凝土根系提供必需的水分，利于植被混凝土正常生長。

圖7 試驗(yàn)前植物生長情況

表3 邊坡雨水徑流總量所占總降雨量百分比

3 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)，研究了新型植被混凝土的透水性能及影響因素，并將植被混凝土應(yīng)用于邊坡防護(hù)，開展雨水入滲試驗(yàn)研究。得到以下結(jié)論：

(1) 單一級配再生骨料制備的植被混凝土的透水性能均優(yōu)于連續(xù)級配的植被混凝土。植被混凝土的孔隙率越高，透水性能越好。

(2) 植被再生混凝土灌注植生基材后透水系數(shù)較未灌注之前降低一個數(shù)量級，但仍優(yōu)于一般的土壤。

(3) 植被混凝土護(hù)坡可將50%～70%的雨水排走，透水系數(shù)滿足要求。防止過多雨水滲入土體，引起土體基質(zhì)吸力喪失和抗剪強(qiáng)度降低，造成邊坡失穩(wěn)破壞。少數(shù)滲入邊坡的雨水，為植被混凝土生長提供必需的水分。