基于生態(tài)水工混凝土的試驗(yàn)研究

孔憲忠

(海城市水利事務(wù)中心,遼寧 海城 114200)

傳統(tǒng)的漿砌塊石或混凝土硬質(zhì)護(hù)岸具有較強(qiáng)的抗沖刷和耐久性,可以發(fā)揮較好的防汛排澇和維護(hù)岸坡穩(wěn)定作用,但硬質(zhì)擋墻、漿砌石邊坡覆蓋整個(gè)河岸表面,阻斷了淺層地下水與河流之間交換,河流自然過濾與滲透功能喪失使得水質(zhì)更加渾濁。河流的生命孕育功能被破壞,以往綠意青翠的自然景觀消失,對河流生態(tài)功能造成一定破壞[1-3]。

為增加河岸綠化范圍和減少不透水岸坡面積,生態(tài)水工混凝土作為一種透氣性好、孔隙率高的植生型材料得到廣泛應(yīng)用。通過后期注漿覆土,可以實(shí)現(xiàn)植被的生長,達(dá)到景觀綠化和功能使用的效果。然而,該材料在施工工藝、性能控制和配合比設(shè)計(jì)方面缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此,為了確保植物根系能夠穿過生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)入土壤,文章選擇使用卵石作為粗骨料,通過摻入適量的尾礦粉取代部分水泥來降低孔隙中的堿環(huán)境,為植被生長提供良好條件[5-6]。在保證孔隙率的情況下,通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比最大程度地增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度,結(jié)合pH值、孔隙率和抗壓強(qiáng)度值提出優(yōu)化的生態(tài)混凝土配合比,以期為生態(tài)混凝土在堤防護(hù)坡、河岸生態(tài)治理等工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膠材大連小野田P·O 42.5級(jí)水泥、瓦房店誠遠(yuǎn)廠提供半加密硅粉和加工研磨制成的鋰輝石尾礦粉。外加劑選用蘇博特聚羧酸減水劑和植生型混凝土增強(qiáng)劑,其主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 增強(qiáng)劑主要參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

一般生態(tài)混凝土的孔隙率不宜超過20%～30%,故設(shè)計(jì)25%、27%、30%三種孔隙率。水膠比對生態(tài)混凝土起著至關(guān)重要的作用,選擇合適的水膠比可以確保拌合物具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性,以便能夠充分包裹骨料。過小的水膠比會(huì)導(dǎo)致拌合物過于黏稠,難以完全包裹骨料,從而影響孔隙率;而過大的水膠比則會(huì)使拌合物流動(dòng)性過大,導(dǎo)致漿體稀薄且出現(xiàn)沉底現(xiàn)象,使?jié){體變薄或堵塞下部孔隙,進(jìn)而影響透水性和整體強(qiáng)度。因此,本研究選擇了3種不同的水膠比(0.22、0.28和0.30)進(jìn)行試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)硅灰摻量為8%。將增強(qiáng)劑添加到生態(tài)混凝土中可以與水泥反應(yīng)生成水化合物。因此,試驗(yàn)中選擇了3種不同的增強(qiáng)劑摻量(0%、5%、10%),以研究其對生態(tài)混凝土性能的影響。為了降低混凝土堿性研究選用鋰輝石尾礦粉替代水泥,替代量選取0%、10%、20%。

綜上分析,本研究共包含4個(gè)變量的3個(gè)水平,采用全面試驗(yàn)法具有較長的周期和較大的工作量,需要制備27組試件。為全面準(zhǔn)確地反映各因素水平的影響考慮選用正交試驗(yàn)法,制備7組試件即可滿足試驗(yàn)要求,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用體積法和正交試驗(yàn),參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的流程進(jìn)行生態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì),如表3所示。

表3 試驗(yàn)配合比

1.3 有效孔隙率測試

有效孔隙率利用排水法進(jìn)行測量,其主要流程為:將標(biāo)養(yǎng)28d的試件取出后,將其置于室內(nèi)自然風(fēng)干,直至表面無水;然后準(zhǔn)備一個(gè)漏桶,向其中倒入適量的水,使水面與漏桶出水口平齊,并在漏桶出水口正下方放置一個(gè)用于收集溢出水的量杯;將帶有鐵絲框的試件緩慢地放入漏桶中,直至完全浸沒,輕輕搖晃鐵絲框完全排出內(nèi)部的空氣;最后,觀察并等待一段時(shí)間,直到不再有氣泡釋放為止,稱取溢出到量杯中的水,記錄其體積,通過體積換算,可以計(jì)算出試塊的有效孔隙率V0,計(jì)算公式為:

V0=1-V水/V

(1)

式中:V、V水為試件表觀體積和收集的水體積,m3。

1.4 測試pH值

通過測定水的pH值來了解混凝土中的堿度,其主要流程為:在水桶中浸泡試塊,并在一定時(shí)間間隔(24h)測定水的pH值,直到pH值穩(wěn)定不變?yōu)橹?結(jié)合測試數(shù)據(jù)評估pH值對植被生長的影響[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與配比優(yōu)化

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用正交試驗(yàn)測定生態(tài)混凝土的pH值、28d抗壓強(qiáng)度和實(shí)測孔隙率如表4所示,極差分析實(shí)測有效孔隙率和28d抗壓強(qiáng)度如表5所示。

表5 極差分析植

其中,K1、K2、K3表示3個(gè)水平下尾礦粉與增強(qiáng)劑摻量、水膠比、孔隙率四個(gè)因素的抗壓強(qiáng)度之和,k1、k2、k3代表K1、K2、K3的均值,極差R代表k1、k2、k3中最大與最小值之差。極差R越大代表計(jì)算結(jié)果受該因素的影響越高,該因素越重要,反之則越不重要。

依據(jù)極差R計(jì)算結(jié)果,從低到高各個(gè)因素對生態(tài)混凝土28d抗壓強(qiáng)度影響程度排序?yàn)殇囕x石尾礦粉摻量<增強(qiáng)劑摻量<水膠比<設(shè)計(jì)孔隙率,

生態(tài)混凝土實(shí)測孔隙率和最高pH值受各因素影響的程度存在一定差異,各因素的影響程度從低到高排序?yàn)樵鰪?qiáng)劑<礦粉<水膠比<設(shè)計(jì)孔隙率。此外,通過繪制k1、k2、k3與最高pH值和28d強(qiáng)度的關(guān)系圖來研究不同因素的影響作用,如圖1所示。

圖1 不同參數(shù)效應(yīng)圖

從圖1(a)可以看出隨設(shè)計(jì)孔隙率的增大生態(tài)混凝土的強(qiáng)度和pH值均逐漸減小。較小設(shè)計(jì)孔隙率條件下,膠材體積或用量越大水泥水化膠結(jié)骨料所形成的強(qiáng)度貢獻(xiàn)就越高,適當(dāng)配合比時(shí)水泥用量越大則強(qiáng)度越高[8]。另外,水泥用量越大則水化形成的可溶性堿含量就越高,將其浸沒于水中測定的pH值就越大。

從圖1(b)可以看出,,增大水膠比會(huì)降低pH值和強(qiáng)度,過小的水膠比會(huì)降低流動(dòng)性增大漿體稠度,對骨料包裹具有不利作用;而過大的水膠比易出現(xiàn)沉漿,漿體變稀對骨料的包裹變薄,會(huì)使得強(qiáng)度下降[9]。另外,隨著水膠比的增大,水泥漿體及其內(nèi)部的可溶性堿含量逐漸減少,從而降低了pH值。

從圖1(c)可以看出,隨增強(qiáng)劑摻量的增大生態(tài)混凝土強(qiáng)度逐漸增大,pH值則呈先下降趨勢,究其原因是加入增強(qiáng)劑有利于激發(fā)水泥水化,從而提高強(qiáng)度。另外,水化越完全越會(huì)降低可溶性堿含量,將其浸沒于水中測定的pH值就越小。

從圖1(d)可以看出,隨鋰輝石尾礦粉摻量的增大生態(tài)混凝土強(qiáng)度和pH值均逐漸增大,這是因?yàn)閾饺胛驳V粉會(huì)降低拌合物流動(dòng)性,漿體干硬有利于提升強(qiáng)度。此外,尾礦粉的摻入會(huì)減少水泥用量,這相當(dāng)于降低了水的pH值。

2.2 配比優(yōu)化

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析生態(tài)混凝土實(shí)測孔隙率、最高pH值和抗壓強(qiáng)度受四個(gè)因素的影響作用,在此基礎(chǔ)上選定4個(gè)變量、三個(gè)水平的最優(yōu)組合,以達(dá)到混凝土整體性能最優(yōu)。隨設(shè)計(jì)孔隙率的增加生態(tài)混凝土的強(qiáng)度和pH值均逐漸下降,而實(shí)測孔隙率則呈現(xiàn)出增大趨勢,因此研究選取27%最佳孔隙率[10-11]。抗壓強(qiáng)度隨水膠比增加表現(xiàn)出先增加后減小的變化特征,而pH值呈現(xiàn)出下降趨勢,為保證強(qiáng)度研究選取0.28最佳水膠比。隨增強(qiáng)劑摻量的增大生態(tài)混凝土強(qiáng)度呈顯著上升趨勢,而pH值則表現(xiàn)出下降趨勢,孔隙率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,故研究選取10%最佳增強(qiáng)劑摻量;雖然尾礦粉有利于降低內(nèi)部堿性,但對有效孔隙率和抗壓強(qiáng)度發(fā)展具有不利影響,故選取10%最佳尾礦粉摻量[12]。

結(jié)合生態(tài)混凝土孔隙率、pH值和強(qiáng)度分析結(jié)果確定最優(yōu)組合如圖6所示,試驗(yàn)測定最優(yōu)組合混凝土性能如表6所示。結(jié)果顯示,經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)配制的生態(tài)混凝土最高pH值為9.1,28d強(qiáng)度達(dá)到10.41,實(shí)測孔隙率28.65,其各項(xiàng)性能相較于正交試驗(yàn)組整體最優(yōu)。

表6 優(yōu)化配合比及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

1)從低到高各個(gè)因素對生態(tài)混凝土28d抗壓強(qiáng)度影響程度排序?yàn)殇囕x石尾礦粉摻量<增強(qiáng)劑摻量<水膠比<設(shè)計(jì)孔隙率,對實(shí)測孔隙率影響程度排序?yàn)樵鰪?qiáng)劑摻量<鋰輝石尾礦粉摻量<水膠比<設(shè)計(jì)孔隙率,對最高pH值影響程度排序?yàn)樵鰪?qiáng)劑摻量<鋰輝石尾礦粉摻量<水膠比<設(shè)計(jì)孔隙率。

2)抗壓強(qiáng)度隨水膠比增加表現(xiàn)出先增加后減小的變化特征,而pH值呈現(xiàn)出下降趨勢;隨增強(qiáng)劑摻量試件強(qiáng)度呈顯著上升趨勢,而pH值則表現(xiàn)出下降趨勢,孔隙率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢;隨尾礦粉摻量的增大試件強(qiáng)度和pH值均逐漸增大,雖然可以降低堿性,但不利于有效孔隙率和抗壓強(qiáng)度發(fā)展。

3)試驗(yàn)探討了生態(tài)混凝土性能受各種因素的影響作用,經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)配制的生態(tài)混凝土最高pH值為9.1,28d強(qiáng)度達(dá)到10.41,實(shí)測孔隙率28.65,其各項(xiàng)性能相較于正交試驗(yàn)組整體最優(yōu)。