現(xiàn)澆綠化混凝土的性能及其在生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用研究

余 旭

(江蘇昌源水利工程咨詢有限公司,江蘇 靖江 214500)

0 引 言

混凝土材料作為傳統(tǒng)邊坡防護(hù)中普遍使用的材料,受到應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注,多個學(xué)科嘗試將其與生態(tài)保護(hù)結(jié)合研究[1-3]。傳統(tǒng)的混凝土坡面防護(hù)強(qiáng)調(diào)坡面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,普遍使用不透水材料覆蓋坡面,如漿砌片石、現(xiàn)澆混凝土等。不透水材料會隔絕空氣,使坡下土壤與外界隔絕,破壞坡下環(huán)境的生態(tài)平衡。同時,由于澆筑混凝土普遍呈堿性,影響周圍植物生長,不利于生態(tài)保護(hù)。

邊坡防護(hù)的一個重要方面就是坡面防護(hù)。在近水環(huán)境,河岸長期遭受波浪沖刷,隨著植物坡面被沖毀、沖走,植被對土壤固化作用消失,水土流水、河堤積淤嚴(yán)重。同時,近水環(huán)境也易受強(qiáng)降雨天氣的影響,形成山體滑坡,產(chǎn)生邊坡侵蝕空洞。因此,在邊岸坡面防護(hù)中,需要重視多水環(huán)境帶來的影響。

現(xiàn)澆綠色混凝土是一種在施工現(xiàn)場攪拌和澆筑而成的多孔硬質(zhì)混凝土,具有植生表孔,具備高孔隙率,有利于表層土壤中的生物群體與底層土壤的物質(zhì)交換,可有效保護(hù)生物多樣性,利于環(huán)境保護(hù)。鑒于此,本文以多水環(huán)境為背景,分析現(xiàn)澆綠化混凝土在該環(huán)境的性能表現(xiàn),探究其在生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)澆綠化混凝土性能測試方案和應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)澆綠化混凝土性能測試方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)澆綠化混凝土是一種由骨料、水泥和外加劑組成,在施工現(xiàn)場混合澆筑的多孔干硬性混凝土,其本質(zhì)是綠化混凝土通過改進(jìn)施工工藝制備而成[4]。制備流程見圖1。

由圖1可知,現(xiàn)澆綠化混凝土制備工藝主要由混凝土澆筑、機(jī)械振搗密實(shí)、混凝土找平壓光、混凝土養(yǎng)護(hù)和成品保護(hù)構(gòu)成,每個環(huán)節(jié)都會影響到最終性能,制備不當(dāng),極易造成孔隙堵塞、強(qiáng)度降低,影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。骨料是現(xiàn)澆綠化混凝土的支撐性框架,骨料配比、含泥量、粒徑形態(tài)、壓碎指標(biāo)等與混凝土后期的力學(xué)性能、透水性能、耐用性能等參數(shù)密切相關(guān),也是影響混凝土工作性能的主要因素?；炷脸Ｓ盟酁椤锻ㄓ霉杷猁}水泥》(GB 175-2007)規(guī)定的六大類水泥[5]。外加劑的主要作用是調(diào)節(jié)混凝土pH值,以提供植物生長所必須的pH環(huán)境,同時可通過調(diào)整外加劑配比,增加植物生長所需的營養(yǎng)成分,促進(jìn)植物生長。

對現(xiàn)澆綠化混凝土進(jìn)行性能測試時,首先需要考慮現(xiàn)澆綠化混凝土的配合比,配合比不僅影響混凝土強(qiáng)度,還影響其孔隙率。為了給邊岸植物生長提供所需空間,需要保證強(qiáng)度和孔隙率的平衡,孔隙率過低強(qiáng)度就會降低,不利于邊坡防護(hù);孔隙率過高,又不利于空氣流通。因此,現(xiàn)澆綠化混凝土配合比設(shè)計(jì)至關(guān)重要,參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135-2009)的規(guī)定,研究采用絕對體積法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)[6],公式如下:

WG=αPG

(1)

式中:WG為骨料用量計(jì)算式;PG為骨料精密堆積密度;α為用量修正系數(shù)。

外加劑用量計(jì)算公式如下:

Vp=1-α(1-vc)-Rvoid

(2)

式中:Vp為外加劑材料體積;vc為骨料堆積孔隙率;Rvoid為設(shè)計(jì)孔隙率。

水泥用量計(jì)算公式如下:

Wc/pc+Ww/pw=Vp

(3)

式中:Wc為水泥用量;pc為水泥密度;Ww為用水量;pw為水密度。

在完成現(xiàn)澆綠化混凝土配比后,對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、pH值和沉漿面積率測試。采用土壓力盒進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試,土壓力盒見圖2。

圖2為扁平盒狀應(yīng)變式土壓力盒,從上至下結(jié)構(gòu)分別為反力梁、千斤頂、傳感器、墊塊、加載板、裝樣鋼桶和底座,使用單晶硅傳感器,輸送和所受壓力成比例的電信號。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)土應(yīng)力發(fā)生變化時,土壓力計(jì)感應(yīng)板同步感受應(yīng)力的變化,感應(yīng)板將會產(chǎn)生變形,并將變形傳遞給振弦,轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化,從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率,頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置,即可測出被測結(jié)構(gòu)物的壓應(yīng)力值。同時,可同步測出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。為了確保土壓力傳感器的良好運(yùn)行,需要確保儀器受壓面與測量土體完全接觸。因此,埋設(shè)中必須注意土壓力盒受壓面與土體之間是否會形成空隙[7]。pH值測定方法見圖3。

圖3 pH測定法

由圖3可知,對現(xiàn)澆綠化混凝土試塊進(jìn)行長寬高測量,以計(jì)算試塊外觀體積;然后用浸水法測定試塊在水中的質(zhì)量,干燥后計(jì)算空氣中的質(zhì)量;最后水浸24h后,用pH數(shù)顯測量儀對浸水溶液進(jìn)行pH值測試,直至pH值穩(wěn)定,讀取數(shù)據(jù)[8]。使用網(wǎng)格法進(jìn)行沉漿面積的測定,將所有樣品的表層膠漿硬化面積疊加進(jìn)行計(jì)算,對試件底面進(jìn)行拍照,并進(jìn)行分格,分為等面積的2 500個小格,通過數(shù)出沉漿的格子數(shù),進(jìn)而計(jì)算沉漿面積率。

1.2 現(xiàn)澆綠化混凝土河岸保護(hù)工程仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對邊坡防護(hù)對生態(tài)效應(yīng)與可靠性的需求,仿照真實(shí)河岸土壤和植被環(huán)境,開展模擬降雨沖刷試驗(yàn)和高速水流沖刷試驗(yàn)?，F(xiàn)澆綠化混凝土在河兩岸構(gòu)建生態(tài)溝渠,生態(tài)護(hù)坡剖面圖見圖4。

圖4 某地混凝土生態(tài)護(hù)坡工程示意圖

圖4為江蘇省某市建立的生態(tài)護(hù)坡工程,總長度約200m,左岸高度1 350～1 700mm,右岸高度變化較大,為200～1 250mm,生態(tài)邊坡面斜度約1:1.15。由于坡度較陡,部分護(hù)坡區(qū)域?yàn)椴萜し雷o(hù),坡度較緩的區(qū)域則是黑麥草、早熟禾和高羊茅的混播植被。為了仿照真實(shí)的河岸環(huán)境,從河岸提取土壤和草種后,對其進(jìn)行種植和養(yǎng)護(hù)管理,并觀察植物生長情況以進(jìn)行對比試驗(yàn)。參考現(xiàn)澆綠化混凝土制備工藝,制備試驗(yàn)用樣品,其制作流程見圖5。

圖5 現(xiàn)澆綠化混凝土試驗(yàn)樣品制備

制備好現(xiàn)澆綠化混凝土試驗(yàn)樣品后,進(jìn)行降雨沖刷試驗(yàn),測試現(xiàn)澆綠化混凝土抵擋坡面徑流的能力。從試驗(yàn)地獲取現(xiàn)存土壤植被,將其移植到實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)3個月后,對坡面成型情況進(jìn)行測定;測量結(jié)果符合預(yù)期后,使用自制降雨噴灑裝置,開展降雨沖刷仿真試驗(yàn)。自制降雨噴灑裝置是采用塑料導(dǎo)管連接的霧化噴頭組合。按照實(shí)驗(yàn)地的氣候和常見降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真沖刷試驗(yàn)后,記錄坡面徑流侵蝕度,記錄在沖刷開始后坡面徑流產(chǎn)生的時間和坡面沖刷溝的深度與數(shù)量。并在坡面侵蝕穩(wěn)定后,測量徑流流速,使用坡面底部的集水盒收集雨水混合物。

對集水盒分類標(biāo)號后,測量其重量,靜置12h后,去除上層較為清澈的水后,將集水盒放入烘箱進(jìn)行烘干操作,之后稱重殘余泥沙并進(jìn)行記錄。為了觀察現(xiàn)澆綠化混凝土在實(shí)際河岸防護(hù)的水環(huán)境中與水文環(huán)境接觸的變化,開展高速水流沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)使用常見的可調(diào)檔式高壓水槍作為試驗(yàn)工具,主體結(jié)構(gòu)分為水槍、電機(jī)、泵水口。試驗(yàn)過程見圖6。

圖6 沖刷試驗(yàn)流程

由圖6可知,對試塊進(jìn)行植生表孔切割前,對現(xiàn)澆綠化混凝土表面綠植高度、葉片生長情況、莖脈直徑等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量,進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄;根據(jù)施工植生表孔位置記錄進(jìn)行切割,劃分為有植生表孔區(qū)域與無植生表孔區(qū)域;切割作業(yè)完成后,檢測有孔區(qū)域植被覆蓋率,之后估計(jì)并評價無孔區(qū)域植被覆蓋率。將試塊放置于試驗(yàn)裝置內(nèi),使用沖刷水流對試件表面進(jìn)行全方位沖刷,并記錄表面種植土、植被和試塊的沖刷試驗(yàn)變化;沖刷完成后,檢測并記錄植被根莖、葉片生長狀態(tài)、破損率和植被保有率。

2 現(xiàn)澆綠化混凝土的性能測試與應(yīng)用結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)澆綠化混凝土的性能測試分析

研究首先在室內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)澆綠化混凝土的性能測試。以邊坡坡度為主要關(guān)注因素設(shè)計(jì)邊坡模具,仿照其實(shí)際制備方法,進(jìn)行現(xiàn)澆綠化混凝土澆筑。根據(jù)方法所述,確定灰骨比為0.18,期望孔隙率為27%,減水劑占比為0.2%。將所有骨料、水泥、水和專用外加劑一次性投入攪拌機(jī),攪拌6～10min,制備現(xiàn)澆綠化混凝土,出料的現(xiàn)澆綠化混凝土不產(chǎn)生流漿、表面光滑且呈現(xiàn)金屬光澤。成型采用“插搗+拍打”的方式,將出料分3層裝入試驗(yàn)?zāi)＞?每層澆筑均為3cm,澆筑后以鐵棒“插搗+拍打”的方式進(jìn)行壓制,最后在表面用骨料進(jìn)行孔隙填充,刮平表面[9]。養(yǎng)護(hù)則采用模擬邊岸環(huán)境的水箱養(yǎng)護(hù)方式,進(jìn)行28天養(yǎng)護(hù)后,開展性能測試[10]。為了保證測試結(jié)果的精確性,制備3組樣品進(jìn)行對比試驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度、孔隙率、沉積面積和pH值性能測試結(jié)果見表1。

表1 樣品抗壓強(qiáng)度、孔隙率、沉積面積和pH值結(jié)果

由表1可知,3組現(xiàn)澆綠化混凝土抗壓強(qiáng)度最高8.1MPa,最低6.4MPa,抗壓強(qiáng)度平均值7.2MPa,滿足抗壓指標(biāo)要求。綠化混凝土孔隙率測試結(jié)果保持在25%～35%之間,最大孔隙率29.6%,最低孔隙率25.2%,平均孔隙率26.9%,適宜植物生長,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。pH值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),3組部件pH最小值9.4,最大值9.6,在9.5的pH值范圍內(nèi),上下浮動小于0.2,滿足現(xiàn)澆綠化混凝土pH值設(shè)計(jì)指標(biāo)。3組部件沉漿面積率最高2.30%,最低1.60%,平均值1.93%,均滿足5%以下的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 現(xiàn)澆綠化混凝土應(yīng)用結(jié)果分析

以某項(xiàng)目為例,對現(xiàn)澆綠化混凝土進(jìn)行仿真實(shí)測研究。抽取試驗(yàn)地土壤進(jìn)行土壤和植被養(yǎng)護(hù),并進(jìn)行水流沖刷和降雨強(qiáng)度仿真試驗(yàn)分析。工程項(xiàng)目位于江蘇省某地,屬東亞季風(fēng)氣候區(qū),具有亞熱帶和暖溫帶氣候的特點(diǎn),冬冷夏熱,降水集中在夏季。土壤類型主要為黏土,符合研究預(yù)期。護(hù)坡植被以高羊茅為主,具有強(qiáng)酸堿耐性,可在4.7～9.5的pH值中生長,根系發(fā)達(dá)且耐踐踏,生長速度較快。獲取試驗(yàn)地土壤后,使用保水劑保持土壤表面水分;在開始試驗(yàn)前進(jìn)行降雨量調(diào)查,選擇3.2、4.8、6.4L/min作為試驗(yàn)降雨強(qiáng)度,并在試驗(yàn)部件上制造植生表孔,根據(jù)現(xiàn)澆綠化混凝土澆筑厚度決定參數(shù):A孔為4.5cm孔深,2.5cm孔徑,2.8cm孔間距;B孔為4cm孔深,1.0cm孔徑,3.5cm孔間距,孔徑和孔間距的參數(shù)選取代表單位面積內(nèi)的表孔大小。降雨強(qiáng)度對徑流侵蝕的影響見圖7。

圖7 降雨強(qiáng)度對徑流侵蝕的測試結(jié)果圖

圖7(a)、圖7(b)分別為A孔和B孔的徑流侵蝕量測試結(jié)果,坡度比為1:2.0、1:1.5、1:1.0?？梢钥闯?現(xiàn)澆綠化混凝土徑流侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增加呈明顯增加趨勢,同時隨著坡度比的降低,徑流侵蝕量呈上升趨勢。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行不同坡度下降雨動力學(xué)參數(shù)測驗(yàn),計(jì)算不同坡度下弗勞德數(shù)Fr,結(jié)果見表2。

表2 弗勞德數(shù)Fr測試結(jié)果

由表2可知,降雨強(qiáng)度越大,Fr值越越大。同時也可以看出,在坡度較大時,表孔參數(shù)及降雨強(qiáng)度對Fr值影響較小;當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到6.4L/min時,表孔參數(shù)對弗勞德數(shù)影響較大。得出以上結(jié)果后,比較鋪筑厚度對徑流侵蝕的影響,選擇進(jìn)行試驗(yàn)的鋪筑厚度分別為6、10、15cm。結(jié)果見圖8。

圖8 現(xiàn)澆綠化混凝土護(hù)坡徑流侵蝕量和鋪筑厚度

由圖8可以看出,現(xiàn)澆綠化混凝土護(hù)坡徑流侵蝕量和鋪筑厚度的關(guān)系并不明顯,而保持坡度、降水量等參數(shù)不變時,表孔系數(shù)對徑流侵蝕量的影響更為明顯,B孔相較于A孔的徑流侵蝕量均更高。為了探究植物根系在綠化混凝土內(nèi)部的生長情況,測試現(xiàn)澆綠化混凝土結(jié)構(gòu)、植物根系對水流沖刷的抵抗能力,開展高速水流沖刷試驗(yàn),并在開始試驗(yàn)前記錄植生情況,結(jié)果見表3。

表3 水流沖刷試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,開孔試件的植被覆蓋率較高,是由于植生孔洞為植被生長提供富余空間,利于其存儲水與營養(yǎng)物質(zhì),使植物可以更快地穿過現(xiàn)澆綠化混凝土,抵達(dá)下部土壤發(fā)展根系。

以表面孔隙參數(shù)A作為開孔隙的試樣,其植被覆蓋率較以表面孔隙參數(shù)B作為開孔隙的試樣稍高一些。結(jié)果表明,試驗(yàn)樣品經(jīng)高速水流沖刷后,其表層土基本被沖凈,植物生長良好,且全部粘附于其表層。通過對不同試樣的快速沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同試樣下,草木與現(xiàn)澆綠化混凝土結(jié)合效果均較好,而且6和10cm的試樣對草木的生長和根系發(fā)育均比15cm的好。因此,采用6和10cm兩種不同的鋪筑厚度進(jìn)行現(xiàn)澆綠化混凝土護(hù)坡,有利于保護(hù)環(huán)境,且施工速度較快。

3 結(jié) 論

現(xiàn)澆綠化混凝土部件的性能測試表明,試件抗壓強(qiáng)度平均值為7.2MPa,平均孔隙率為26.9%,pH保持在9.5左右,沉漿面積率平均值為1.93%,測試結(jié)果滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行降雨和沖刷仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明,隨著降雨強(qiáng)度的增大,現(xiàn)澆綠化混凝土徑流侵蝕量明顯增加;隨著坡度比的降低,徑流侵蝕量呈上升趨勢。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到6.4L/min時,表孔參數(shù)對弗勞德數(shù)影響較大。在開孔的試件中,植被覆蓋率均比沒有開孔的試件要高,厚6cm的現(xiàn)澆綠化混凝土可通過的根系長度約為厚10cm的1.5倍。因此,采用6和10 cm兩種不同的鋪筑厚度進(jìn)行現(xiàn)澆綠化混凝土護(hù)坡,有利于保護(hù)環(huán)境,且施工速度較快。