河道生態(tài)混凝土護岸制備技術(shù)的應(yīng)用研究

馮姝麗

(法庫縣應(yīng)急管理局,遼寧 法庫 110400)

隨著城鎮(zhèn)區(qū)范圍的擴大和城市經(jīng)濟的發(fā)展,中小河流面臨著生態(tài)問題的日益突出。傳統(tǒng)的中小河流護坡方式使用預(yù)制混凝土塊體、漿砌或干砌塊石、拋石等,雖然能夠發(fā)揮引水航運、防洪除澇等功能,但對周邊生態(tài)環(huán)境也會造成破壞,無法適應(yīng)新時期高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展的需求[1]。為了解決這個問題,綠色環(huán)保的植草生態(tài)混凝土應(yīng)運而生。生態(tài)混凝土是由外加劑、粗細骨料、水和水泥通過振搗攪拌等工藝制備而成的一種連續(xù)多孔隙的混凝土,其骨架結(jié)構(gòu)含有固定范圍的孔隙率和孔徑[2-4]。與傳統(tǒng)護坡方式相比,生態(tài)混凝土在滿足抗沖抗壓強度要求的同時,可以創(chuàng)造良好的生物生長空間,具有顯著的生態(tài)價值。

生態(tài)混凝土的重要問題是如何兼顧抗沖抗壓強度和生態(tài)效應(yīng),這除了受到制備工藝、堿環(huán)境、孔隙率、配合比、骨料粒徑和外加劑等因素的影響外,它的力學性能還與孔隙的細觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[5-6]。鑒于此,文章通過研究和優(yōu)化生態(tài)混凝土的制備工藝和配比方法,以使混凝土內(nèi)部具有連續(xù)多孔隙結(jié)構(gòu),提供適宜的生物生長空間,為改善城市河流的生態(tài)環(huán)境,促進可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 生態(tài)混凝土制備方法

1.1 設(shè)計要求

以遼寧省法庫縣境內(nèi)的遼河堤防及公益水利設(shè)施工程為依托,充分考慮堤岸護坡、生態(tài)環(huán)境改善等功能制備出孔隙率高、內(nèi)部堿度低的生態(tài)混凝土,并探究其關(guān)鍵技術(shù),有效解決岸坡植物難以存活、綠化效果差和現(xiàn)場滑坡隱患問題,更好地滿足護坡功能和植物生長要求。為了達到植被根系生長所需的環(huán)境條件和河道護坡四季常青的作用效果,選用四季青作為生態(tài)護坡草種,結(jié)合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程制備的生態(tài)混凝土孔隙率≥25%,抗壓強度≥5MPa。

1.2 原材料

研究選用自來水、營養(yǎng)土、四季青草種以及聚羧酸高效減水劑、單級配粒徑20～31.5mm碎石、硬石膏和低堿度硫鋁酸鹽水泥。

1.3 試驗方法

采用邊長100mm的立方體試塊進行抗壓強度測試,考慮到生態(tài)混凝土孔隙較大的實際情況,為保證強度測試數(shù)據(jù)的真實可靠性,測試前對受壓面利用M5砂漿做抹面處理,然后參照《透水性混凝土河川護堤施工手冊》中的方法測定內(nèi)部孔隙率及堿度值[7]。

1.4 制備技術(shù)

通過多次試配調(diào)整和對比分析最終確定基準配合比的初凝時間約1h,總孔隙率≥28%,基體密度1.62t/m3,28d抗壓強度≥5MPa,堿度不超過9.0。為了保證現(xiàn)場拌合生態(tài)混凝土的實際施工要求,適當調(diào)整了緩凝時間和基準配合比見表1。

表1 生態(tài)混凝土性能

由表1可知,A2組相比于A1組試件的抗壓強度略高,凝結(jié)時間也更長。在透水系數(shù)、孔隙率和堿度方面,A1組試件較優(yōu)也更有利于植物生長。因此,在遼寧省法庫縣境內(nèi)的遼河堤防及公益水利設(shè)施工程現(xiàn)場邊坡施工時推薦選用A1組混凝土。

2 生態(tài)混凝土施工工藝

2.1 攪拌方式

在生態(tài)混凝土制備過程中,考慮到全部使用粗骨料和較少的水泥用量,流動性明顯減小,骨料間的摩擦力增大,整體拌合難度較大的問題,需要選擇新的攪拌工藝來解決。此外,傳統(tǒng)的單次投料攪拌方式無法確保碎石被漿體均勻完全地覆蓋,造成部分膠凝材料呈塊狀或球團狀分布于骨料的縫隙中,使得孔隙的連通性較差,對生態(tài)混凝土的有效孔隙率和抗壓強度產(chǎn)生影響。

基于這些問題,文章結(jié)合孔隙組成和分布特征,擬選用裹漿法作為新的拌合工藝,該方法主要通過在攪拌過程中使水泥漿體均勻地包裹在粗集料(如碎石)表面,形成線和點的連接,以提高混凝土的性能,適用于需要解決骨料分布不均勻、流動性差等問題,其工藝流程如下:①將碎石和1/2的水泥、、水放入攪拌機中進行初步拌合,拌合時間為30s,該步驟的目的是使水泥漿與骨料充分混合,增強水泥-集料間界面連接作用和強度。②加入剩余一半的水泥并繼續(xù)攪拌,拌合時間為60s,是使水與水泥充分混合,形成漿體并確保碎石被漿體包裹均勻和良好的流動性,這樣能夠有效降低拌合阻力,防止碎石被過度擠壓,形成小碎片填充在縫隙中,從而維持較好孔隙率和可拌性。③加入外加劑和剩余水,并進行攪拌,拌合時間為120s,在取得較高的孔隙率的同時,盡量提高生態(tài)混凝土的強度。

2.2 成型厚度

在相同孔隙率條件下,生態(tài)混凝土強度主要取決于成型厚度,這也是影響河道護坡性能的關(guān)鍵因素,研究分析了生態(tài)混凝土28d抗壓強度受不同成型厚度的影響,如圖1所示。

圖1 28d抗壓強度與成型厚度之間的關(guān)系

由圖1可知,試件28d強度隨成型厚度增大呈先下降后上升再下降的變化趨勢。生態(tài)混凝土的內(nèi)部孔隙較多,這意味著在受到壓力時很容易形成多種力的綜合作用,這是由于生態(tài)混凝土中各個微觀結(jié)構(gòu)單元之間相互作用產(chǎn)生的,一般涉及到混凝土的孔隙率、裂縫形態(tài)、顆粒間的混凝土結(jié)力等多種因素,這些因素在受到外部壓力時會導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部應(yīng)力的不均勻分布。另外,由于生態(tài)混凝土中含有大量的內(nèi)部孔隙,因此在不同的外部力的作用下其成型厚度與強度之間呈非線性關(guān)系,存在著一定的不確定性。這是因為生態(tài)混凝土在受到外部壓力時會形成復(fù)雜的摩擦、剪切、彎曲等應(yīng)力狀態(tài),這些應(yīng)力狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化會影響混凝土的內(nèi)部力學行為。生態(tài)混凝土成型厚度從4cm增加到5cm其強度快速下降,究其原因是內(nèi)部骨料在成型厚度較小時能夠緊密連接在一起,在壓力作用下其產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力較小,從而使得抗壓能力逐漸下降;生態(tài)混凝土成型厚度從6cm逐漸增加到7cm時期強度不斷增大,這是由于增大成型厚度會增加試件的有效受力區(qū)域,使得應(yīng)力分布更加均勻,從而減少剪切和彎曲應(yīng)力的集中,同時增加截面面積可以增加試件的抗壓承載能力,使其能夠更好地承受外部加載。生態(tài)混凝土成型厚度>7cm之后又表現(xiàn)出下降趨勢,這是由于試件的彎拉應(yīng)力隨成型厚度的進一步增大快速增大,使得混凝土強度下降[11-14]。綜上分析,河道護坡鋪設(shè)生態(tài)混凝土的推薦厚度為4cm或7cm,結(jié)合遼寧省法庫縣境內(nèi)的遼河堤防及公益水利設(shè)施工程實際情況確定7cm作為護坡鋪設(shè)厚度。

2.3 振搗時間

生態(tài)混凝土內(nèi)部的孔隙分布情況受振搗時間的影響較為顯著,研究探討不同振搗時間對生態(tài)混凝土孔隙率和抗壓強度的影響,如圖2所示。

(a)強度 (b)孔隙率

從圖2可以看出,生態(tài)混凝土強度隨振搗時間的延長表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,連通孔隙率和孔隙率隨振搗時間的延長均逐漸下降。這是因為混凝土各組分隨振搗時間的增大逐漸堆積,使得整體孔隙率減小,抗壓強度逐漸增大。振搗7s時的強度最大,超過7d具有較高密實度,該條件下水泥漿體開始向底部下沉,從而使得集料之間的漿體及其黏結(jié)強度、整體強度下降。綜上分析,為保證生態(tài)混凝土具有較高抗壓強度及孔隙率應(yīng)控制振搗時間約為5s。

2.4 實用效果

遼寧省法庫縣境內(nèi)的遼河堤防及公益水利設(shè)施工程邊坡高度0～5m,坡面長度60m,坡度1∶1.5～1∶1,現(xiàn)場留樣測試生態(tài)混凝土相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明,采用現(xiàn)澆工藝制備的生態(tài)混凝土28d強度9.2MPa,pH值8.8,總孔隙率31.1%,現(xiàn)場留樣測試結(jié)果與室內(nèi)試驗保持較好一致性,強度、堿度和總孔隙率等指標均符合設(shè)計要求。

在生態(tài)混凝土護坡工程的運行維護期,為了確保植被的良好生長和護坡的穩(wěn)定性,需要測定以下參數(shù):①利用土壤濕度傳感器等設(shè)備對填充土壤的含水率進行實時監(jiān)測,根據(jù)實際情況和植物的生長需求,制定澆水計劃,保持適宜的土壤含水量。②根據(jù)綠化設(shè)計和實際環(huán)境條件,制定適時的修剪計劃,對植被進行適當?shù)男藜艉驼?以保持坡面的良好外觀和協(xié)調(diào)性,此外還需要做好防治病蟲害的工作,定期巡查植被,及時發(fā)現(xiàn)并采取措施防止和治理病蟲害的發(fā)生。③按照每周不低于1次的頻率定期巡檢植被護坡,檢查內(nèi)容涉及植草混凝土穩(wěn)定情況以及植物病蟲害、生長狀況,最好檢查和數(shù)據(jù)記錄,為遼寧省法庫縣境內(nèi)的遼河堤防及公益水利設(shè)施工程正常運行維護提供支持。

通過目測法測試了生態(tài)混凝土護坡30d、60d和90d后的植被覆蓋率如表2所示,結(jié)果顯示在90d齡期時的植被覆蓋率為94.7%。高的植被覆蓋率意味著植物在這段時間內(nèi)成功地生根并覆蓋了護坡表面,起到了保水保土、防止坡面侵蝕和增加坡面穩(wěn)定性的作用。

表2 生態(tài)混凝土護坡植被覆蓋率

3 結(jié) 論

研究通過多次試配試驗制備出生態(tài)混凝土,通過現(xiàn)場試驗確定澆筑厚度、振搗攪拌試件等工藝技術(shù)參數(shù),可以為河道生態(tài)治理和邊坡防護工程應(yīng)用提供一定數(shù)據(jù)支持。

在遼寧省法庫縣境內(nèi)的遼河堤防及公益水利設(shè)施工程中生態(tài)混凝土得以成功應(yīng)用,并取得較好的效果。經(jīng)現(xiàn)場測試,采用現(xiàn)澆工藝制備的生態(tài)混凝土28d強度9.2MPa,pH值8.8,總孔隙率31.1%,現(xiàn)場留樣測試結(jié)果與室內(nèi)試驗保持較好一致性,強度、堿度和總孔隙率等指標均符合設(shè)計要求。90d齡期時生態(tài)混凝土護坡的植被覆蓋率達到94.7%,河道邊坡的植物生長情況良好,有效解決了植被和自然形貌破壞引起的生態(tài)環(huán)境失調(diào)、河岸滑坡隱患等問題。