河道生態混凝土護岸制備技術的應用研究

馮姝麗

(法庫縣應急管理局,遼寧 法庫 110400)

隨著城鎮區范圍的擴大和城市經濟的發展,中小河流面臨著生態問題的日益突出。傳統的中小河流護坡方式使用預制混凝土塊體、漿砌或干砌塊石、拋石等,雖然能夠發揮引水航運、防洪除澇等功能,但對周邊生態環境也會造成破壞,無法適應新時期高質量協調發展的需求[1]。為了解決這個問題,綠色環保的植草生態混凝土應運而生。生態混凝土是由外加劑、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多孔隙的混凝土,其骨架結構含有固定范圍的孔隙率和孔徑[2-4]。與傳統護坡方式相比,生態混凝土在滿足抗沖抗壓強度要求的同時,可以創造良好的生物生長空間,具有顯著的生態價值。

生態混凝土的重要問題是如何兼顧抗沖抗壓強度和生態效應,這除了受到制備工藝、堿環境、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構密切相關[5-6]。鑒于此,文章通過研究和優化生態混凝土的制備工藝和配比方法,以使混凝土內部具有連續多孔隙結構,提供適宜的生物生長空間,為改善城市河流的生態環境,促進可持續發展提供支持。

1 生態混凝土制備方法

1.1 設計要求

以遼寧省法庫縣境內的遼河堤防及公益水利設施工程為依托,充分考慮堤岸護坡、生態環境改善等功能制備出孔隙率高、內部堿度低的生態混凝土,并探究其關鍵技術,有效解決岸坡植物難以存活、綠化效果差和現場滑坡隱患問題,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護坡草種,結合現行技術規程制備的生態混凝土孔隙率≥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,考慮到生態混凝土孔隙較大的實際情況,為保證強度測試數據的真實可靠性,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》中的方法測定內部孔隙率及堿度值[7]。

1.4 制備技術

通過多次試配調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。為了保證現場拌合生態混凝土的實際施工要求,適當調整了緩凝時間和基準配合比見表1。

表1 生態混凝土性能

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

2 生態混凝土施工工藝

2.1 攪拌方式

在生態混凝土制備過程中,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,對生態混凝土的有效孔隙率和抗壓強度產生影響。

基于這些問題,文章結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,盡量提高生態混凝土的強度。

2.2 成型厚度

在相同孔隙率條件下,生態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鍵因素,研究分析了生態混凝土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。生態混凝土的內部孔隙較多,這意味著在受到壓力時很容易形成多種力的綜合作用,這是由于生態混凝土中各個微觀結構單元之間相互作用產生的,一般涉及到混凝土的孔隙率、裂縫形態、顆粒間的混凝土結力等多種因素,這些因素在受到外部壓力時會導致混凝土的內部應力的不均勻分布。另外,由于生態混凝土中含有大量的內部孔隙,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系,存在著一定的不確定性。這是因為生態混凝土在受到外部壓力時會形成復雜的摩擦、剪切、彎曲等應力狀態,這些應力狀態之間的轉化會影響混凝土的內部力學行為。生態混凝土成型厚度從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,在壓力作用下其產生的彎拉應力較小,從而使得抗壓能力逐漸下降;生態混凝土成型厚度從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域,使得應力分布更加均勻,從而減少剪切和彎曲應力的集中,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。生態混凝土成型厚度>7cm之后又表現出下降趨勢,這是由于試件的彎拉應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,河道護坡鋪設生態混凝土的推薦厚度為4cm或7cm,結合遼寧省法庫縣境內的遼河堤防及公益水利設施工程實際情況確定7cm作為護坡鋪設厚度。

2.3 振搗時間

生態混凝土內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,生態混凝土強度隨振搗時間的延長表現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強度、整體強度下降。綜上分析,為保證生態混凝土具有較高抗壓強度及孔隙率應控制振搗時間約為5s。

2.4 實用效果

遼寧省法庫縣境內的遼河堤防及公益水利設施工程邊坡高度0～5m,坡面長度60m,坡度1∶1.5～1∶1,現場留樣測試生態混凝土相關參數。結果表明,采用現澆工藝制備的生態混凝土28d強度9.2MPa,pH值8.8,總孔隙率31.1%,現場留樣測試結果與室內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計要求。

在生態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定性,需要測定以下參數:①利用土壤濕度傳感器等設備對填充土壤的含水率進行實時監測,根據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根據綠化設計和實際環境條件,制定適時的修剪計劃,對植被進行適當的修剪和整形,以保持坡面的良好外觀和協調性,此外還需要做好防治病蟲害的工作,定期巡查植被,及時發現并采取措施防止和治理病蟲害的發生。③按照每周不低于1次的頻率定期巡檢植被護坡,檢查內容涉及植草混凝土穩定情況以及植物病蟲害、生長狀況,最好檢查和數據記錄,為遼寧省法庫縣境內的遼河堤防及公益水利設施工程正常運行維護提供支持。

通過目測法測試了生態混凝土護坡30d、60d和90d后的植被覆蓋率如表2所示,結果顯示在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定性的作用。

表2 生態混凝土護坡植被覆蓋率

3 結 論

研究通過多次試配試驗制備出生態混凝土,通過現場試驗確定澆筑厚度、振搗攪拌試件等工藝技術參數,可以為河道生態治理和邊坡防護工程應用提供一定數據支持。

在遼寧省法庫縣境內的遼河堤防及公益水利設施工程中生態混凝土得以成功應用,并取得較好的效果。經現場測試,采用現澆工藝制備的生態混凝土28d強度9.2MPa,pH值8.8,總孔隙率31.1%,現場留樣測試結果與室內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計要求。90d齡期時生態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環境失調、河岸滑坡隱患等問題。