多孔隙植生型混凝土基本物理性能研究

馬少華 謝 明*

（1、西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123 2、陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710123）

1 概述

多孔隙植生型混凝土在外觀與結(jié)構(gòu)上跟普通混凝土有較大差異，其內(nèi)部存在許多蜂窩狀空洞，從而導(dǎo)致其具有許多獨(dú)特的力學(xué)和物理性質(zhì)。新型混凝土除了要滿足邊坡穩(wěn)定性所需強(qiáng)度外對植物生長所需空隙也有很高的要求。多孔隙植生型混凝土為了能夠給植物生長有良好的生長環(huán)境要求最佳的空隙率保持在20%以上，最佳的抗壓強(qiáng)度保持在10MPa以上，滿足以上這兩個(gè)條件就決定了多孔隙植生型混凝土與以往普通無砂大孔徑的混凝土在一些具體特征上有著很大的區(qū)別。所以在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，就多孔隙植生型混凝土獨(dú)自擁有的物理力學(xué)特征進(jìn)行了一定最佳范圍內(nèi)的研究并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究和討論。

查閱一些資料可以看出基本的力學(xué)性能方面主要是研究多孔隙植生型混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，在物理性能方面分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙率、透水系數(shù)、PH值、容重等重要物理性質(zhì)來確定混凝土的最佳制備方案。對混凝土試塊通過不同的試驗(yàn)方案確定影響抗壓強(qiáng)度的不同條件從而確定各項(xiàng)性能的最佳范圍，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并整理出一套完整的方案。

2 基本物理性能研究

在多孔隙植生型混凝土內(nèi)，無機(jī)粗骨料顆粒主要分布在以泥漿和氣體所組成的物質(zhì)中。泥漿主要成分包括水泥、礦粉、硅粉和普通自來水等，必要時(shí)也加入降堿劑等其他的添加材料。在多孔隙植生型混凝土中，泥漿在混凝土中起到重要的作用一方面可以使無機(jī)粗骨料的顆粒相互不在一起從而產(chǎn)生孔隙，另一方面多孔隙植生型混凝土可作為無機(jī)粗骨料顆粒之間的潤滑劑，大大提高新制備的多孔隙植生型混凝土產(chǎn)生的塑性變化的能力。所以泥漿和無機(jī)粗骨料就是影響新型混凝土物理性能的主要條件。

2.1 容重

密度試驗(yàn)也就是容重試驗(yàn)通過稱重透水的方法測定多孔隙植生型混凝土的密度。本試驗(yàn)主要目的是測試容重本身的改變和檢查多孔隙植生型混凝土組成的均勻性。多孔隙植生型混凝土在一般組成結(jié)構(gòu)上與普通的混凝土有很大的不同，所以容重和普通混凝土也肯定會(huì)有不同。在多孔隙植生型混凝土的膠凝材料使用量小，是因?yàn)槎嗫紫吨采突炷两M成中沒有無機(jī)細(xì)骨料沙子的存在。多孔隙植生型混凝土設(shè)計(jì)最佳的空隙率對容重的影響也很大，所以很有必要對多孔隙植生型混凝土的容重進(jìn)行判定，一方面有利于檢查配合比研究程序和步驟，另一方面對多孔隙植生型混凝土的質(zhì)量管控也有著很重要的意義。

研究多孔隙植生型混凝土的容重的最佳范圍是本試驗(yàn)的重點(diǎn)，試驗(yàn)部分要根據(jù)參照一般混凝土拌合物堆積密度的試驗(yàn)來進(jìn)行，選取同一種配合比不同的空隙率多孔隙植生型混凝土進(jìn)行容重測定。

2.2 空隙率

空隙率試驗(yàn)是評判多孔隙植生型混凝土是否滿足植物生長條件性能的重要依據(jù)，比普通混凝土有更大的孔隙，而這些孔隙大多是連續(xù)的空洞，對于多孔隙植生型混凝土的空隙有兩種不同的看法，一種是完全無效的，另一種是包括全連續(xù)的和半連續(xù)的。為了多孔隙植生型混凝土滿足植物生長條件，我們應(yīng)該關(guān)注有效空隙的數(shù)量，即有效空隙率。確保有效的空隙可以滿足植物生長所需的營養(yǎng)、水和空氣，如果有空間那么植物就有可能在上面生長得更好。因此，有必要通過試驗(yàn)確定最佳范圍。通過參考國外文獻(xiàn)確定有效空隙率的大致范圍，通過不同的水膠比、不同的膠凝材料摻入量做出不同組對比試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論，最后將設(shè)計(jì)空隙率與實(shí)際空隙率進(jìn)行比較。

2.2.1 試驗(yàn)儀器

為了測試多孔隙植生型混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的有效空隙，經(jīng)過查閱有關(guān)資料采取了一套完整的測試方法。整套測試儀器由有刻度的水桶、大度量的秤兩部分組成，試驗(yàn)采用了上文所述的此種方法，同時(shí)為了降低成本選取了價(jià)格很低的的水桶作為刻度桶。

2.2.2 試驗(yàn)原理

將試塊表面完全倒入水中并使水充分浸透試件表面，這樣試塊內(nèi)部的連續(xù)空隙與半連續(xù)空隙即有效空隙就被水完全占據(jù)占據(jù)，而試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沒有空隙的地方不會(huì)被水的填充，所以水填充的體積也就是為多孔隙植生型混凝土上有效的空隙體積。另一種說法也能這樣解釋：也就是說阿基米德的定律，多孔隙植生型混凝土的試件排出水的體積也就是空隙的實(shí)際體積，用試件的標(biāo)準(zhǔn)體積減去排開水的體積也就是內(nèi)部有效空隙體積。

2.2.3 試驗(yàn)方法

將成型好的且有很高強(qiáng)度的試件放上秤稱重，然后將桶去皮且一直往桶中加入大量的水，一直到水從桶中溢出來，記錄數(shù)據(jù)，然后將試件放入桶中，這時(shí)桶會(huì)排除一大部分水，繼續(xù)往桶中加水，直到水從桶中溢出來。

2.2.4 結(jié)果計(jì)算

（桶＋水＋試件）重量－試件質(zhì)量－（桶＋水）質(zhì)量＝理論質(zhì)量（空隙水）

理論質(zhì)量（空隙水）÷水的密度＝理論體積（空隙體積）

【實(shí)際體積（15cm×15cm×15cm）－理論體積】÷實(shí)際體積＝空隙率。

2.2 .5 試驗(yàn)結(jié)果與分析圖1）

圖1 不同水膠比的空隙率折線圖

本文選取了三組不同水膠比的設(shè)計(jì)空隙率樣品，對有效空隙率進(jìn)行了測試，分析了設(shè)計(jì)空隙率與效果的關(guān)系，比較了水膠比不同的空隙率，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清楚地看出，多孔隙植生型混凝土的有效空隙率小于設(shè)計(jì)多孔混凝土的有效空隙率且易于實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谀Ｋ苓^程中，不能保證所有的空隙都可以成為連續(xù)的或半連續(xù)的有效空隙，并且一些間隙被完全堵塞。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出多孔隙植生型混凝土的有效空隙率與成型過程中的壓力與石料粒徑有關(guān)，尤其是當(dāng)石料粒徑較小時(shí)。本試驗(yàn)采用單級配粒徑為10 mm～20 mm，有效空隙率和設(shè)計(jì)空隙率不太大。這是因?yàn)榕c5mm-10mm的小石頭相比，大粒徑多孔隙植生型混凝土的密實(shí)度遠(yuǎn)低于用小粒徑石料制備的多孔隙植生型混凝土。也可以看到隨著設(shè)計(jì)空隙率的增加，實(shí)測有效空隙率與設(shè)計(jì)值越來越接近，說明設(shè)計(jì)預(yù)留間隙越大，有效空隙率與實(shí)際空隙率數(shù)值越接近。當(dāng)多孔隙植生型混凝土受到外力擠壓時(shí)，為多孔混凝土混合物預(yù)留的空間越大，包裹的石頭移動(dòng)的空間就越大。在膠凝漿料中，越難形成完全封閉的空隙。因此，更有效的空隙率測量更接近設(shè)計(jì)空隙率。隨著膠凝材料的摻入，空隙率呈開口向下的二次曲線變化，在相同的水膠比下隨著膠凝材料的加入空隙率會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值。因此，最佳空隙率范圍與膠凝材料摻入量、水膠比有重要聯(lián)系。通過以上分析，我們可以得出結(jié)論：第一，隨著設(shè)計(jì)空隙率的增加，多孔隙植生型混凝土形成連續(xù)或半連續(xù)有效的可能性越大；第二，在相同設(shè)計(jì)空隙率下，石料粒徑越大，多孔隙植生型混凝土的有效空隙率越接近其設(shè)計(jì)空隙率；第三，在相同的水膠比下，隨著膠凝材料摻入量增加空隙率會(huì)發(fā)生先增大后減小的變化，所以膠凝材料摻入量影響空隙率的變化，因此通過試驗(yàn)確定最佳空隙率范圍。

3 結(jié)論

3.1 多孔隙植生型混凝土是一種基材，通過多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究直接用于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)可防止坡面和植被恢復(fù)。同時(shí)，它還可以帶來植物生長的環(huán)境。這種多孔隙植生型混凝土基本上適用于建筑物表面的修復(fù)和保護(hù)，城市道路工程的邊坡穩(wěn)定保護(hù)和河道兩側(cè)的邊坡防護(hù)。

3.2 多孔隙植生型混凝土是通過在泥漿中加入添加劑，然后完全包裹無機(jī)粗骨料的表面而制成的。無機(jī)粗骨料之間的接觸可以產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)并構(gòu)成連續(xù)空隙的內(nèi)部。多孔隙植生型混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空洞分為三個(gè)不同的空隙。第一個(gè)是連續(xù)的間隙，第二個(gè)是半連續(xù)的空隙，第三，是一個(gè)封閉的空隙，其中連續(xù)的空隙和半連續(xù)的空隙它們被稱為有效的空隙，具有良好的透水性和透氣性。

3.3 多孔隙植生型混凝土是一種由多種氣體和固體以及相對較少的液體組成的新結(jié)構(gòu)，因此多孔隙植生型混凝土與普通混凝土有很大不同，多孔隙植生型混凝土沒有流動(dòng)性和一致性。膠凝材料在多孔隙植生型混凝土中起著不同的作用，無機(jī)粗骨料的表面通過膠凝材料將粗骨料之間的點(diǎn)粘結(jié)起來保證了強(qiáng)度。

3.4 通過多孔隙植生型混凝土的空隙率試驗(yàn)，得出以下兩個(gè)結(jié)論：第一，多孔隙植生型混凝土的性能與同一配合下空隙率的增加相似。第二，無機(jī)粗骨料的粒徑越大，空隙率越大。多孔隙植生型混凝土設(shè)計(jì)采用相同的空隙率進(jìn)行多組測試。在透水性方面，多孔隙植生型混凝土的滲透率也隨著空隙率的增加而增加。多孔隙植生型混凝土的滲透性比一般土壤好得多，因此不必?fù)?dān)心植物是否能夠在滲透方面正常生長。

3.5 添加硅粉末等的混合物有利于降低多孔隙植生型混凝土的冷凝中的內(nèi)部間隙的pH。降低礦物摻合料pH值的研究順序?yàn)楣璺?粉煤灰+礦粉>礦粉。其中，硅粉的影響是明顯的，28天的pH值降低到10以下，這也是合適的，可以用于一些植物的生長。

同時(shí)，在自然條件下多孔混凝土碳化后，經(jīng)過兩周的施工，完全適合某些植物的生長。追蹤深度碳化的時(shí)間增長，其內(nèi)部環(huán)境將朝著植物生長的方向發(fā)展。