水膠比對再生植生混凝土基本性能的影響研究

陳宇 劉威勤 范森勇 覃江濤

摘要：為探究不同水膠比對再生植生混凝土基本性能的影響，文章通過開展混凝土7 d和28 d抗壓強度測試、孔隙率測試試驗及孔隙環(huán)境pH值測試，分析水膠比對再生植被混凝土力學(xué)性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規(guī)律。結(jié)果表明：水膠比從0.24～0.32變化時，混凝土抗壓強度先提升后降低，總孔隙率和連通孔隙率不斷降低，孔隙環(huán)境pH值不斷下降，但變化速率卻逐漸減??；當(dāng)水膠比為0.28時，混凝土7 d抗壓強度為34.7 MPa，28 d抗壓強度為36 MPa，力學(xué)性能為最優(yōu)，總孔隙率達(dá)到22.6%，連通孔隙率達(dá)到21.1%，強度和孔隙率滿足有關(guān)規(guī)范要求，28 d孔隙環(huán)境pH值為9.2，大于規(guī)范要求的≤9。

關(guān)鍵詞：水膠比；再生植生混凝土；抗壓強度；孔隙率；孔溶液pH值

中圖分類號：U416.03? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4974（2024）04-0040-03

0 引言

在交通強國時代背景下，西部陸海新通道處于高速發(fā)展時期，基礎(chǔ)設(shè)施工程項目量不斷增加。在道路工程、鐵路工程等項目施工中，產(chǎn)生了大量的路基開挖、邊坡回填等，裸露巖質(zhì)邊坡和貧瘠邊坡越來越多。然而，由于巖質(zhì)貧瘠邊坡缺少土、水、肥等植物生存的基本條件，邊坡植被難以存活，加大了山洪、滑坡、泥石流等嚴(yán)重自然災(zāi)害發(fā)生的幾率［1］，植生混凝土生態(tài)防護(hù)是目前綠化修復(fù)的有效方法之一。植生混凝土不僅能保留水土，防止因水土流失發(fā)生的自然災(zāi)害，而且能美化工程環(huán)境，滿足邊坡綠化的需求［2-3］。因此，在工程項目中，巖質(zhì)貧瘠邊坡處治的主要手段是在邊坡上澆筑植生混凝土。

水膠比是影響植生混凝土基本性能的重要因素之一，近年來成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點［4-5］。紀(jì)連杰等［6］針對不同水膠比對植生混凝土性能的影響規(guī)律開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)隨著水膠比的增加，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其孔隙率先降低后增加再降低，當(dāng)水膠比為0.28時，混凝土抗壓強度最大，水膠比為0.31時孔隙率最優(yōu)。譚燕等［7］研究了不同因素對透水混凝土強度的影響變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨水膠比升高，混凝土力學(xué)性能呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)水膠比處于0.33時，力學(xué)性能為最優(yōu)。李林等［8］通過開展不同水膠比植生混凝土的凈漿流動度試驗、抗壓強度試驗和pH值測試試驗，對混凝土漿體流動度、抗壓強度和pH值變化規(guī)律開展研究。然而，上述學(xué)者所得到的研究結(jié)果各不相同，明晰水膠比對植生混凝土力學(xué)性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規(guī)律，是植生混凝土在邊坡處治領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

因此，本研究制備了5種不同水膠比（0.24、0.26、0.28、0.30、0.32）再生植生混凝土，通過開展混凝土7 d和28 d抗壓強度測試、孔隙率測試試驗及孔隙環(huán)境pH值測試，研究不同水膠比對再生植生混凝土力學(xué)性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規(guī)律，為再生植生混凝土在巖質(zhì)貧瘠邊坡處治的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：本次試驗采用潤豐牌P·O 42.5級水泥，水泥的基本物理性能如表1所示。

骨料：本次試驗采用粒徑為20～30 mm的再生石灰?guī)r骨料，原材料為水泥混凝土公路路面，性能指標(biāo)如表2所示。

外加劑：聚羧酸減水劑。

1.2 配合比設(shè)計

本研究采用填充理論及絕對體積法進(jìn)行植生混凝土配合比設(shè)計，設(shè)定孔隙率為28%，利用配合比設(shè)計方案計算四組不同水膠比制備混凝土的原材料用量，具體的配合比設(shè)計如表3所示。

1.3 試驗方法

按照配合比設(shè)計稱量4種原材料，用濕毛巾潤濕攪拌機內(nèi)壁，再生粗骨料潤濕10 min，將再生骨料和30%拌和水加入攪拌機，攪拌20 s后，投放50%水泥、50%減水劑和30%拌和水，再攪拌60 s，投入剩下的拌和水、水泥和減水劑，繼續(xù)攪拌100 s，出料成型。將新拌混凝土分三層倒入模具中，每層使用搗棒按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗20～30次，最后剔除高于模具表面的混凝土并用抹刀抹平即可，其中裝模過程須≤10 min，混凝土模具尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

參照國家規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）相關(guān)要求，開展7 d和28 d抗壓強度試驗；參照《透水混凝土及其應(yīng)用技術(shù)》，開展混凝土總孔隙率和連續(xù)孔隙率測試試驗；利用混凝土多孔基體浸泡法，測試養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d和28 d的混凝土孔隙環(huán)境pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 植生混凝土抗壓強度

圖1為不同水膠比對植生混凝土7 d和28 d抗壓強度的影響。由圖可知，水膠比在0.24～0.32，7 d抗壓強度與28 d抗壓強度均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，說明植生混凝土的力學(xué)性能先提升后減弱，且兩個齡期力學(xué)性能發(fā)展的走勢相差不大，規(guī)律性一致。當(dāng)水膠比為0.24時，植生混凝土抗壓強度為全組中最低，7 d抗壓強度為7.8 MPa，28 d抗壓強度為9.1 MPa；隨著水膠比增大至0.28，植生混凝土的抗壓強度達(dá)到最大，7 d抗壓強度9.3 MPa，28 d抗壓強度為10.8 MPa；當(dāng)水膠比持續(xù)增大到0.3和0.32時，相比于水膠比為0.28的植生混凝土，抗壓強度呈現(xiàn)降低趨勢，水膠比為0.3時，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別降低了5.38%和6.48%，水膠比為0.32時7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別降低了7.53%和9.26%。當(dāng)水膠比為0.28和0.3時，植生混凝土7 d抗壓強度≥5 MPa，28 d抗壓強度≥10 MPa，能滿足《植生混凝土》（JC/T 2557）的規(guī)定要求。

當(dāng)水膠比較低時（0.24和0.26），由于化學(xué)反應(yīng)所需的結(jié)合水不足導(dǎo)致水泥水化無法充分反應(yīng)，膠凝材料生成的水化產(chǎn)物較少從而不足以均勻包裹再生骨料，造成水泥顆粒之間的空隙和裂縫仍較為疏松，骨料、水泥顆粒和水化產(chǎn)物之間無法互相粘附，水泥石結(jié)構(gòu)密實度較差導(dǎo)致植生混凝土抗壓強度較低［9］。隨著水膠比增大至0.3，水泥水化反應(yīng)得以充分進(jìn)行，C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物較為穩(wěn)定和密實，能對混凝土整體強度起到?jīng)Q定作用［10］，因此水膠比為0.28時植生混凝土的抗壓強度最高。然而，隨著水膠比持續(xù)增大（0.3和0.323），水膠比的負(fù)向效應(yīng)隨之出現(xiàn)。當(dāng)拌和水大于水泥水化反應(yīng)和提供適宜工作性能所需的水之和時，多余的水會隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期增大在結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部形成密集小孔，結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率增大，因此強度呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。

2.2 植生混凝土孔隙率

圖2為不同水膠比對植生混凝土總孔隙率和連續(xù)孔隙率的影響規(guī)律。從圖2可以看出，隨著水膠比的增大，植生混凝土的總孔隙率和連續(xù)孔隙率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。當(dāng)水膠比為最小時（0.24），植生混凝土的孔隙率為最大，總孔隙率達(dá)到0.22%，連續(xù)孔隙率達(dá)到0.18%。隨著水膠比的增大，提升了植生混凝土膠凝漿體的流動性，導(dǎo)致再生骨料顆粒未能均勻包裹，漿體均集中在骨料下表面，導(dǎo)致占據(jù)了再生骨料之間的空隙，因此當(dāng)水膠比達(dá)到0.28時，相比于0.24水膠比的植生混凝土，總孔隙率降低了18.51%，連續(xù)孔隙率降低了20%。當(dāng)水膠比持續(xù)增大至0.32，漿體會沿著骨料之間的孔隙向底部沉積，導(dǎo)致底部沉漿，堵塞孔隙，植生混凝土孔隙率急劇降低［11］，因此0.32水膠比的植生混凝土孔隙率最低，總孔隙率僅為0.18%，連續(xù)孔隙僅為0.18%。當(dāng)水膠比過大時，不利于植被在植生混凝土中的生長和發(fā)育，適當(dāng)?shù)乃z比既能有效保證混凝土力學(xué)性能，又能給植被生長提供足夠的空間。綜上，當(dāng)水膠比為0.24～0.28時，植生混凝土連續(xù)孔隙率滿足《植生混凝土》（JC/T 2557）中＞20%的要求。

2.3 植生混凝土孔隙環(huán)境pH值

由圖3可以看出，在養(yǎng)護(hù)齡期3 d、7 d和28 d時，隨著水膠比的增大，植生混凝土的孔隙環(huán)境pH值呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，下降程度不大，且變化速率逐漸減小。當(dāng)水膠比為0.24時，3 d、7 d和28 d植生混凝土孔隙環(huán)境pH值分別為12.01、11.68和10.15。隨著水膠比增大至0.28，植生混凝土孔隙環(huán)境pH值呈現(xiàn)降低的趨勢，但變化不大，相比于0.24水膠比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙環(huán)境pH值降低了2.74%、4.88%和9.06%。當(dāng)水膠比持續(xù)增大至0.30，植生混凝土孔隙環(huán)境pH值最低，相比于0.24水膠比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙環(huán)境pH值降低了3%、5.05%和9.36%。當(dāng)水膠比為最大（0.32）時，相比于0.3水膠比的植生混凝土，3 d孔隙環(huán)境pH值略微降低，降低了0.52%。而養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d和28 d時，孔隙環(huán)境pH值提高，7 d孔隙環(huán)境pH值增大了0.36%，28 d孔隙環(huán)境pH值增大了2.28%。當(dāng)植生混凝土水膠比增大，膠凝材料中降堿成分充分發(fā)揮效應(yīng)，混凝土中有足夠拌和水持續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H等水化產(chǎn)物，降低孔隙環(huán)境中OH-濃度，pH值呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)水膠比增大至0.28～0.32，孔隙環(huán)境pH值變化不大，這是由于水泥中降堿成分在水分足夠的情況下，水化反應(yīng)已經(jīng)充分進(jìn)行，混凝土中的水對pH值的影響程度減弱，僅因水膠比增大總的膠凝材料用量減少導(dǎo)致pH值略微降低，然而孔隙環(huán)境中OH-濃度變化程度不大［12］。綜上可知，水膠比能對植生混凝土孔隙堿環(huán)境起到調(diào)節(jié)作用，但不能從根本上降低堿性。

3 結(jié)語

本文通過開展不同水膠比再生植生混凝土7 d和28 d抗壓強度測試、孔隙率測試試驗及孔隙環(huán)境pH值測試，評價了水膠比對植生混凝土的力學(xué)性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）隨著水膠比的增大，7 d抗壓強度與28 d抗壓強度均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，植生混凝土的力學(xué)性能先提升后減弱，當(dāng)水膠比為0.28時，植生混凝土的抗壓強度達(dá)到最大，7 d抗壓強度9.3 MPa，28 d抗壓強度為10.8 MPa。

（2）植生混凝土總孔隙率和連續(xù)孔隙率隨著水膠比增大呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，當(dāng)水膠比為0.24時，植生混凝土的孔隙率為最大，總孔隙率達(dá)到0.22%，連續(xù)孔隙率達(dá)到0.18%。當(dāng)水膠比達(dá)到0.28，相比于0.24水膠比的植生混凝土，總孔隙率降低了18.51%，為0.22%，連續(xù)孔隙率降低了20%，為0.2%。

（3）孔隙環(huán)境pH值隨著水膠比的增大呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，下降程度不大，當(dāng)水膠比為0.24時，3 d、7 d和28 d植生混凝土孔隙環(huán)境pH值分別為12.01、11.68和10.15。隨著水膠比增大至0.28，混凝土孔隙環(huán)境pH值呈現(xiàn)降低的趨勢，但變化不大，相比于0.24水膠比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙環(huán)境pH值降低了2.74%、4.88%和9.06%。

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基金項目：廣西重點研發(fā)計劃項目“高陡邊坡生態(tài)防護(hù)升級及穩(wěn)定性監(jiān)控技術(shù)研究”（編號：桂科AB21220069）

作者簡介：陳 宇（1979—），高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理及科研工作。