（岩土工程专业论文）构造型多孔植被混凝土的试验研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 在我国经济飞速发展的同时，人们对环境保护重要性的认识也在不断的提高， 这将使得兼具护坡和绿化功能的多孔植被混凝土护坡技术得到社会的广泛运用。 多孔植被混凝土是一种具有连续孔隙结构，能让植被在其中生长的新型生态混凝 土。 在多孔植被混凝土的制备中，其孔隙率的选择是进行设计的首要因素，孔隙 率的大小直接影响植生基材的填充和植被的生长，因此要求多孔植被混凝土孔隙 率要在2 5 以上。此外胶结浆体也是影响多孔混凝土制备的一个关键因素，试验 一证明胶结浆体流动度在1 6 0 - - 2 0 0m m 时，具有较好的流动性，可以采用压制成型和 振动成型工艺。 集料级配和胶结浆体用量对多孔混凝土物理性能有重大影响。由试验可知， 在集料粒径一定时，多孔混凝土强度随胶结胶体用量的增加而提高，但随着胶结 浆体用量的增加其孔隙率会随之减小；反之，多孔混凝土强度会随胶结浆体用量 的减少而降低，而孔隙率和透水性会增大。此外，矿物外掺料也会对多孔混凝土 强度和p h 值产生影响。 试验采用“构造多孔混凝土设计理论，辅助矿物掺和料、碱度改善剂等解 决了多孔植被混凝土应用过程中碱度过高的问题。 本文还对多孔植被混凝土工作机理进行了分析。在整个多孔植被混凝土护坡 体系中，多孔混凝土能够起到抵抗外部荷载和护土的作用，植被茎叶能够起到消 弱雨水溅蚀和地表径流的作用，直径小于1 咖的须根能够较好的固土，对土壤有加 筋作用，当植被伸入多孔混凝土下卧层时能起到锚固作用。 本文针对实际工程，进行了植物试种试验，通过观察其生长状况，发现植被 能够在多孔混凝土中正常生长，并能够起到绿化固土作用。 关键词：多孔混凝土，流动度，孔隙率，强度，工作机理，植生基材 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，t h ea w a r e n e s so ft h ei m p o r t a n c eo f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r ea l s oc o n s t a n t l yi m p r o v e d ，t h ep o r o u sg r e e n g r o w i n g c o n c r e t e ( p g c ) t e c h n o l o g yw h i c hh a sb o t hs l o p ep r o t e c t i o na n dg r e e n g r o w i n gf u n c t i o n i sw i d e l yu s e d t h ep g ci san e wt y p eo fe c o c o n c r e t ew h i c hh a sc o n t i n u o u sp o r o u s s t r u c t u r e ，a n dp l a n t sc a ng r o wo ni t t h ep o r o s i t yi st h ep r i m a r yf a c t o ri nt h em i xd e s i g n ；t h es i z eo ft h ev o i dh a sa d i r e c ti m p a c to nt h ef i l l i n ga b i l i t yo ft h ep l a n t i n gm a t r i xa n dt h eg r o w t ho ft h ep l a n t s ，s o t h ep o r o s i t yo fp g cs h o u l db em o r et h a n2 5 i na d d i t i o n ，t h ec e m e n t i t i o u sb i n d e r p a s t ei s a n o t h e rk e yi m p a c tf a c t o r i th a sb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t st h a t c e m e n t i t i o u sb i n d e rp a s t ec o u l dg e tag o o df l u i d i t yw h e nt h er a n g eo ff l u i d i t yr a n g e s f r o m16 0 m mt o2 0 0 m m a n dap cw h i c hh a sg o o dp o r o s i t yc a nb em a d eb yc o m p a c t i o n o rv i b r a t i o n t h ea g g r e g a t eg r a d a t i o na n da m o u n to fc e m e n tp a s t eh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to n t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fp c b yt h et e s t ，t h ea g g r e g a t ea tac e r t a i np a r t i c l es i z e ，p c s c o m p r e s s i v es t r e n g t hw i l li n c r e a s ew h i l et h ea m o u n to fc e m e n t i t i o u sb i n d e rp a s t e i n c r e a s e s ，b u tt h ep o r o s i t yo fp cw i l lb ed e c r e a s e d ；o nt h eo t h e rh a n d t h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t hw i l lr e d u c ew h i l et h ea m o u n to fc e m e n t i t i o u sb i n d e rp a s t er e d u c e s b u tt h e p o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t yw i l lb ei n c r e a s e d i na d d i t i o n a d ds o m em i n e r a la d m i x t u r e w i l lb r i n ga ni m p a c to nt h es t r e n g t ha n dt h ep hv a l u eo fp c t h ei s s u eo fl l i g l lp hv a l u eo ft h ep o ci ss o l v e db yu s i n gt h ed e s i g nt h e o r yo f c o n s t r u c t i o n a lp o r o u sc o n c r e t e ，a n da s s i s t e db ys o m em i n e r a la d m i x t u r ea n da l k a l i n i t y i m p r o v i n ga g e n t ， t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fp o ci sa l s oa n a l y z e di n t h i sa r t i c l e i nt h ep g c s l o p e p r o t e c t i o ns y s t e m p cc a nr e s i s t a n c ee x t e r n a ll o a da n dp r o t e c tt h es o i l ；t h es t e m sa n d l e a v e so fv e g e t a t i o nc a nw e a k e nt h er a i ns p l a s he r o s i o na n ds u r f a c er u n o f f ；t h ef i b r o u s r o o t sw h o s ed i a m e t e ri sl e s st h a nlm mc a nr e i n f o r e e dt h es o i l ，a n dw h e nt h er o o t s s t r e t c hi nt h es u b s t r a t u mo fp o r o u sc o n c r e t ec a ng e ta na n c h o r a g ee f f e c t a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c t ，t h eg r e e np l a n t i n gi np g c i st e s t e da n dt h e p l a n t s g r o w t hc o n d i t i o ni so b s e r v e d t h et e s ts h o w st h a tv e g e t a t i o nc a ng r o wn o r m a l l y i np g c a n dc a ng e tag r e e n i n ga n ds o i l f i x a t i o ne f f e c t k e y w o r d s ：p o r o u sc o n c r e t e ，f l u i d i t y , p o r o s i t y , s t r e n g t h ，w o r k i n gm e c h a n i s m ，p l a n t i n g m a t r i x i i 湘咖j 堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：渤敞 日期：刁“肌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：由易坛 日期：z 猡年月印日 ， 指导教师签名： 日期：7 “ ， 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 随着我国经济的飞速发展，西部大开发以及城市化进程不断深化，我国高速 公路、高速铁路和水利水电等基础设施建设取得了许多令世人瞩目的巨大成就。 但与此同时我们也不能忽略由此给自然生态环境所带来的无法避免的伤害，由于 建设过程中对自然环境的改造，使得原始的植被和地貌发生了改变，形成了大量 裸露的土质边坡和岩石边坡，这直接导致了植被严重破坏、水土大量流失，甚至 造成泥石流、山体滑坡等自然灾害。 为了防止灾害发生，对边坡进行护坡处理就成为了必要的手段和措施。而强 度高的混凝土材料得到了广泛的应用并取得了一定的成绩。但随着混凝土材料的 大量使用，其所带来的负面影响也逐步引起了人们的重视。目前城市的面积中有 8 0 是被混凝土所覆盖，由于对混凝土强度的要求使得混凝土的密实度较高，使得 混凝土材料的透水性和透气性较差，雨水难以渗透到土体减少了土体的水分补给， 影响了地表植被的生长，使得城市绿化面积不断减少，而在降雨较为集中的季节， 地表的积水难以及时渗透，加重了城市排水系统的负担，极易造成内涝，影响城 市交通和居民的正常生活；混凝土材料的对温度和湿度的调节能力差，而其对土 壤与大气的阻隔作用切断了大气与土壤之间的物质能量交换，使大气中的热量与 湿气很难与土壤进行交换和循环，造成城区温度比郊区和乡村搞2 。c 3 ，形成 所谓的“热岛效应 ；另外，传统混凝土材料触感坚硬粗糙，给人以粗、硬、冷、 暗的感觉，视觉效果缺乏生机，而其水泥水化时所生成氢氧化钙导致的强碱性( p h 值高达1 2 1 3 ) 也会给附近植物的生长带来一定的危害【2 】。 进入2 0 世纪8 0 年代，人们对生存环境保护意识不断加强，世界各国对生态 环境日益重视。2 0 0 0 年国务院颁发了2 0 0 0 ( 3 1 ) 号文件国务院关于进一步推进 全国绿色通道建设的通知，绿色通道建设要在保障公路、铁路视野开阔，无安全 隐患的前提条件下进行，要和公路铁路水利建设统筹规划并与工程建设同步设计、 同步施工、同步验收。要先抓好高速公路、铁路、国道、省道、重要堤岸沿线以 及重点水库周边地区的绿化。新建、改建、扩建的道路堤坝等沿线的绿化要和工 程项目统筹规划，统一纳入工程概算，同步建设。因此，既能够满足工程性能要 求同时有利于恢复生态平衡的环境友好型生态混凝土，必将在护坡工程中得到广 1 湖北工业大学硕士学位论文 泛的应用。 1 2 生态混凝土的研究与应用 生态型混凝土( e c o c o n c r e t e ) 即能够适应生物生长、对调节生态平衡、美化 环境、实现人类与自然相协调具有积极作用的混凝土材料。目前生态混凝土的研 究还处在起步阶段，开发生态混凝土不仅仅是作为一种新型的建筑材料在工程中 应用，更是人类在处理自身发展与自然生态之间平衡关系的一种积极、主动的态 度，对人类赖以生存的地球环境具有非常积极的保护作用。 1 2 1 生态混凝土的分类 目前生态混凝土可归纳为两大类，即环境友好型生态混凝土和生物相容型生 态混凝土。环境友好型生态混凝土主要指能够降低环境负荷的混凝土。降低混凝 土生产和使用过程中对环境负担的主要技术途径有： ( 1 )降低生产过程中的环境负担。主要是通过对固体废弃物的再生利用来 实现。利用高炉矿渣工业副产物进行混合生产混凝土；将使用过的废弃混凝土粉 碎作为骨料生产混凝土；利用工业废弃物为原料生产的水泥制备混凝土。这些方 法都有利于资源的处理和重新利用，并能有效减少二氧化碳的排放。 ( 2 ) 降低使用过程中的环境负荷。可以通过提高混凝土的耐久性，延长混 凝土的使用寿命，间接的减少了混凝土的用量，减轻了环境的负担。 ( 3 ) 通过提高功能特性改善混凝土的环境影响。如改善混凝土的透水性、 吸音性、隔热性、吸附气体的性能开发新产品减少对环境的影响。 生物相容型生态混凝土指能够为动、植物提供生存环境的混凝土。利用其孔 隙部位的透气、透水功能，渗透动植物所需养分供其生长，可用于对河川和公路 边坡护理，并起到绿化环境的作用。 1 2 2 生态混凝土的应用 1 2 2 1 道路和路面的铺装 透水性混凝土运用于公园、人行道、轻量级车道、停车场及各种体育场地的 道路和路面铺装，利用多孔混凝土孔隙结构透水性能优良这一特性，使雨水能够 迅速渗入地表，对土壤水和地下水进行补给，改善动、植物生存环境，并能减轻 地表沉降的灾害。 2 湖北3 - 业大学硕士学位论文 2221运用于对功能有特殊要求的建筑结构 对一些建筑有特殊使用功能要求的建筑物，生态混凝土的运用可以达到较好 的效果。如吸收有害气体混凝土，将具有强大离子交换能力的吸收材料注入混凝 土孔隙结构中，能够有效地吸收空气中的有害气体：吸音混凝土，其孔隙结构能 够有效的转化和吸收噪音，减少噪音的效果十分明显：吸热混凝土，能吸收地表 热量，减轻城市的“热岛效应”。 1223 对城市进行绿化 利用可提供植被生长环境的混凝土，铺设于河岸、道路边坡、道路隔离带、 停车场等可以有效的增加城市绿化面积，改善城市的生态自然环境。 122 4 净化水源 利用多孔混凝土外表面对各种微生物的吸附，通过生物层的作用产生间接净 化功能，将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖河内净化水质，使草类、 藻类生长更加繁茂，通过定期采割，利用生物循环过程消耗污水的富营养成分， 从而达到净化承源的效果吼 1 3 多孔植被混凝土 多孔植被混凝土( p o r o u sg r e e n - - g r o w i n g c o n c r e t e ) 属于生物相容型生态混凝 土，是以无砂多孔混凝作为骨架，在孔隙结构中填充植生基材( p l a n tm a t r i x ) 供 植物生长，与环境协调并能够保护和改善生态环境的新型混凝土材料。这种植物 生长型多孔混凝土可广泛运用于房屋、城市公路坡面以及河流、堤坝的护坡及绿 化。图11 为多孔植被混凝土示意图。 t g t b n - - 4 ， s u r l 日一 恐s 雠 c o 删l 口冲e j 图1 1 多孔植被混凝土示意图 c o l 凳0 g l l 簧a 1 a c o m q m t a m 型璧：翁吐咄 湖北工业大学硕士学位论文 多孔植被混凝土不但具有传统混凝土材料的基本性能，而且由于其结构和组 成的特性，它相对于传统混凝土材料的优势是十分明显的。通过绿色植物在多孔 植被混凝土孔隙结构中的生长，能够有效消除传统混凝土给人造成的粗、硬、冷、 暗的感觉，良好的保肥性和保水性能长时间维持植物的生长环境，因此养护简单【4 】； 而其孔隙相对于孔洞型护坡材料要小得多，能够有效的提高坡面抗冲刷和侵蚀能 力，减少水土流失；植物发达的根系穿过混凝土结构层扎根于下层土壤中，能够 起到加筋锚固的做用，是整个体系的力学性能得到较大提高。 1 4 关于多孔植被混凝土的研究现状 多孔植被混凝土的植被载体是多孔混凝土( p o r o u sc o n c r e t e ) ，多孔混凝土是 由粗集料、水泥、水拌制形成的一种形状如“沙琪玛 混凝土，其具有透气、透 水和质量轻等特点，多孔混凝土的研究已有较长的历史其应用也十分的广泛。 多孔混凝土是上个世纪初在欧美国家首先运用的，根据其质轻和透水性能良 好的特性，被应用于建筑物的非承重墙体以及透水性路面，但由于强度较低限制 了他的使用范围。近年来，面对日趋严重的全球变暖、臭氧层破坏和生态系统破 坏等生存环境问题，人们的环保意识不断增强，要求社会提供多种多样的生态材 料，以保障人类的可持续发展。作为环境负荷减少型的混凝土，多孔混凝土的研 究开发越来越受重视。日本混凝土工学协会在1 9 9 4 - - 1 9 9 5 年设立了“生态混凝土 研究委员会”，以多孔混凝土为主要课题进行了为期两年的研究工作，取得了大量 的成果，在日本国内有许多多孔植被混凝土护坡的工程实例。 相对于国外我国研究起步相对较晚，初步取得了一些成果，如由吉林省水利 实业公司及吉林省吉水工程材料研究所完成的“环保型绿化混凝土研究 属于随 机多孔型绿化混凝土，但距离规模应用还有一定的差距；台湾地区有研究者用水 库淤泥轻质骨材研制绿化混凝土，根据其初步实验结果可见，这是一类具有良好 应用前景的生态混凝土，既可充分利用城市废弃物，又可改善环境【9 1 1 1 。 1 5 多孔植被混凝土研究的意义和目的 随着人类建设活动的不断扩大，对自然环境的影响也日益加剧，水土流失和 土地沙漠化已成为制约我国发展不可忽视的因素，而多孔植被混凝土的应用恰恰 可以改善和减轻人类建设活动所带来的危害。多孔植被混凝土能够有效阻止水土 流失以及土地沙漠化，对恢复当地的自然生态环境和保持生物多样性有十分积极 4 湖北工业大学硕士学位论文 的意义。将多孔植被混凝土广泛应用于河岸、公路坡面等护坡结构中，不仅能达 到较好的护坡效果，而且植被的生长既能带来自然景观又能有效改善周围的大气 环境，微生物及小动物在多孔混凝土凹凸不平的表面或连续孔隙内生息，既保持 了生物的多样性，又能对河川、湖泊的水质间接地进行净化，具有一举多得的生 态效果。因此，多孔植被混凝土的研究、开发以及应用对我国提出的可持续发展 的基本方针具有十分积极的意义。 多孔植被混凝土的研究涉及岩土工程学、建筑学、植物学、土壤学、硅酸盐 化学、园艺学等学科，是真正意义上的综合性跨学科研究。要使多孔植被混凝土 既能够满足工程的需要又能达到绿化环境的作用，就必须对其多孔混凝土的集料、 胶结材料组成、成型后的内部孔隙状态、强度、碱度、孔隙能填充的植生基材配 比、植物种类开展广泛的研究，解决多孔植被混凝土的配制和成型相关技术，解 决多孔植被混凝土植生技术等问题，开展这些方面的研究对缩短我国与国际先进 水平之间的差距，对提高我国护坡技术，对我国保护自然生态环境有着重要的学 术价值。 1 6 本文研究的主要内容 为保证多孔植被混凝土在护坡工程中能够起到良好的护坡效果，植被在混凝 土中生长情况良好，多孔植被混凝土的孔隙率以及孔隙的空间分布是植被混凝土 的关键，我国到目前还没有统一合理的多孔混凝土配合比设计方法；其次，要达 到植被的绿化效果，对于植物种类的选择以及植生材料的配比，植被的护坡工作 机理也需进行讨论。针对这些问题本文的主要研究内容为： ( 1 )多孔混凝土胶凝材料性能及配合比设计方法研究。主要包括骨料级配， 胶结浆体水灰比，集灰比，孔隙率的研究。 ( 2 ) 多孑l 混凝土的制备技术及成型工艺研究。 ( 3 )多孔混凝土的基本力学性能研究。包括粒径级配、胶结材料对多孔混 凝土孔隙率、强度的影响。 ( 4 )多孔植被混凝土的工作机理研究。包括其如何实现抗冲刷，植被在多 孔植被混凝土中的工作机理研究。 ( 5 ) 植生技术研究。包括植生基材的配制和填入方法，植物的选择，植物 试种研究。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章试验原材料及试验方法 2 1 试验原材料的选用 多孔植被混凝土的主体是无砂多孔混凝土，这种混凝土主要由粗骨料、水泥、 水拌和而成，它不含细骨料，由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔 穴均匀分布的蜂窝状结构【12 1 ，其荷载传力路径主要是通过粗集料相互接触点之间 的水泥凝结后形成的胶结点进行应力传递，因此集料和胶结材料都是影响多孔混 凝土骨架的重要因素。图2 1 为多孔混凝土结构模型。 图2 1 多孔混凝土结构模型 2 1 1 胶结材料的选用 包舞嚣3 l ： 翡 骏昭孛于辫 嚣枣： 孔琢 2 1 1 1 胶结材料的种类 胶结材料可分为无机类胶结材料和有机类胶结材料。当前工程中主要采用的 无机类胶结材料为以水泥为主的水硬性胶结材料，其优势是材料来源广泛，价格 便宜，用其配制多孔混凝土骨架施工工艺简单，能够实现大规模生产。有机类胶 结材料主要是沥青和高分子树脂，其特点是具有较高强度，但其成本较高且在大 气环境作用中容易老化，耐久性差，使得有机类胶结材料无法满足多孔植被混凝 土的工程需要。 6 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 1 2 胶结材料的选用 由多孔混凝土荷载传递路径可以看出多孔混凝土骨架的强度与胶结点强度的 高低有着十分重要的联系，而胶结点的强度是由所用水泥所决定的。所以，为提 高多孔混凝土骨架的强度应采用高强度等级的水泥，本文试验采用标号为4 2 5 的 普通硅酸盐水泥。 2 1 1 集料的选用 集料是多孔混凝土的骨架。因此，对于集料种类、粒径级配的选择将直接影 响护坡效果以及多孔植被混凝土中植被的生长。在选择材料种类时，一般选择强 度较高的碎石，而工程对强度要求不高时可选用废弃砖块、混凝土等废弃材料进 行再利用，以提高环保效益。 2 2 1 。1 集料级配 集料的级配，是指集料中不同粒径颗粒的分布情况。级配又可分为连续级配 和间断级配，连续级配即颗粒由d , n 大，每级粗骨料占有一定比例。当级配连续 时，直径小的一级集料填充于大粒径集料的孔隙中，使骨料的孔隙率最小，比表 面积最大，集料之间接触点较多。间断级配是在连续级配中剔除一个( 或几个) 粒级，形成一种不连续的级配，当相邻两级级配较大时，可以使大粒径集料之间 距离更近，大粒径数量最多。图2 2 为集料级配示意图。 图2 2 集料级配示意图 多孔混凝土骨架的孔隙率主要取决于所选骨料的级配和粒径。当集料级配连 续且粒径越小时，其堆积密度越大，单位体积内集料颗粒所形成的胶结点数量越 多，则形成的多孔混凝土骨架强度越大，但其所形成的孑l 隙率越小。当集料粒径 越大时，其堆积密度越小，单位体积内集料颗粒所形成的胶结点数量越少，由于 胶结点数量的减少骨架强度会有所下降，但可以增大多孔混凝土的孔隙率和孔径。 7 湖北工业大学硕士学位论文 另外，当胶结材料用量一定时，集料表面包裹的浆体层厚度与集料的粒径大小有 关系，较小粒径集料的表面积较大，因而集料表面包裹的浆体较薄；反之，较大 粒径集料的表面积较小，集料表面包裹的浆体较厚。为使多孔混凝土骨架有较高 的孔隙率和强度，应减少针片状集料含量。 2 2 1 1 集料选用 多孔植被混凝土对于集料的选择主要取决于孔隙率的要求，不同粒径级配集 料在自然堆积状态下自身孔隙率就存在差异，粒径大且级配单一的集料其孔隙率 较大；级配均匀的集料，由于小粒径的集料可以填充于大粒径所形成的孔隙中， 因此减少了堆积孔隙率使得孔隙率较小。为了能够保证连通孔隙率满足植被生长 的要求，应选择粒径较大的粗集料。 2 2 试验原材料 2 2 1 水泥 试验用水泥为武汉凌云水泥有限公司生产的凌云牌p 0 4 2 5 硅酸盐水泥。各项 化学成分和物理性能指标如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 水泥化学成分( ) 2 2 2 集料 试验用集料为优质玄武岩，集料粒径级配为1 9 0 - 2 6 5 m m 、2 6 5 3 1 5 m m 、 1 9 0 - - - 3 1 5 m m 和大于3 1 5 m m 。 8 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 3 粉煤灰 为石景山二级粉煤灰，化学成分见表2 4 ，细度( 4 5 t m 方孔筛筛余) 1 0 ， 比重为2 1 0 。 表2 4 粉煤灰化学成分 2 2 4 减水剂 采用聚羧酸高效减水剂，棕色液体，含固量2 5 ，减水率达到3 0 以上。 2 2 5 增稠剂 采用甲基纤维素醚。甲基纤维素醚呈白色粉末状，易溶于冷水形成粘稠的透 明液体，其同时具有较好的保水性能，能作为保水剂使用。 2 2 6 拌和水 普通自来水。 2u 3 试验方案 2 3 1 多孔混凝土制备工艺研究 多孔植被混凝土不同于普通混凝土，普通混凝土的成型工艺和配合比经过多 年的工程运用和试验研究已经发展的比较完善，而多孔植被混凝土的特殊孔隙结 9 湖北工业大学硕士学位论文 构特征和其作为护坡结构的力学强度要求，使得其对于集料的选择、集灰( 胶) 比和水灰( 胶) 比的选择有别与普通混凝土，而我国在这方面还没有一套完整全 面的理论进行施工指导。因此，对多孔混凝土的制备工艺试验研究，对多孔植被 混凝土在工程中的应用有着非常重要的意义。 2 3 1 1 水灰( 胶) 比试验 胶结材料是作为集料的粘接剂，对多孔混凝土成型工艺、孔隙率和力学强度 有着至关重要的影响。胶结材料需要有较强的粘接性能连接集料，还要有较好的 流动性能够将集料包裹均匀。为了确定较合适的胶结浆体，本文选择了粉煤灰和 化学添加剂进行不同的胶结浆体配合比试验，并参照水泥胶砂流动度测定方法 ( g b t 2 4 1 9 ) 对胶结浆体流动度进行测试。详细测试方案见表2 5 表2 5 胶结材料配比 试验方法： 1 ) 如跳桌在2 4h 内未被使用，先空跳一个周期2 5 次。 2 ) 胶结浆体制备按g b t1 7 6 7 1 有关规定进行。在制备胶结浆体的同时，用 潮湿棉布擦拭跳桌台面、试模内壁、捣棒以及与胶砂接触的用具，将试模放在跳 桌台面中央并用潮湿棉布覆盖。 3 ) 将拌好的浆体分两层迅速装人试模，第一层装至截锥圆模高度约三分之 二处，用小刀在相互垂直两个方向各划5 次，用捣棒由边缘至中心均匀捣压1 5 次 ( 图2 3 ) ；随后，装第二层浆体，装至高出截锥圆模约2 0 m m ，用小刀在相互垂直 两个方向各划5 次，再用捣棒由边缘至中心均匀捣压1 0 次( 图2 4 ) 。捣压后浆体应 略高于试模。捣压深度，第一层捣至浆体高度的二分之一，第二层捣实不超过已 捣实底层表面。装浆体和捣压时，用手扶稳试模，不要使其移动。 10 湖北工业大学硕士学位论文 23 12 成型工艺研究 图2 5 砂浆流动度测试仪 为了保证多孔混凝土在成型过程中达到最佳密实状态，即在保证足够孔隙率 的情况下集料与集料之间的嵌挤作用最大，且保证在整个成型和养护过程胶结浆 体不会流淌到底部将多孔混凝土骨架堵塞。因此，需要对成型工艺进行试验研究。 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 本文将对同一水灰( 胶) 比条件下，不同的振动成型时间进行讨论，从而得到能 使多孔混凝土达到较好密实效果的最佳振动时间。 2 3 1 多孔混凝土性能试验研究 2 3 1 1 孔隙率测定 多孔植被混凝土中孔隙结构为植被提供了生长的空间，为了能够反映结构中 植被生长空间的大小，孔隙率就是一个重要的性能指标。多孔混凝土试件中的孔 隙结构分为有效孔隙和无效孔隙两类，有效空隙指的是结构中所有连通和半连通 的孔隙，当试件浸没在水中时这些孔隙将被水填满，而完全封闭的孔隙则是无效 孔隙，由于是封闭的环境，在进行植被种植时植物基质无法填入其中，因此在多 孔混凝土骨架制作过程中应尽量减少产生此类孔隙。图2 5 为多孔混凝土孔隙示意 图。 半有效孔隙 无效孔隙有效孔隙 图2 5 多孔混凝土孔隙示意图 根据阿基米德原理，将试件浸入水中后测出排开水的体积，用试件标准体积 减去排开水的体积即的到内部有效孔隙的体积。孔隙率计算公式如下： p l = ( 1 w 2 - w 1 ) x 1 0 0 y p 2 = ( 1 w 3 - w 1 ) x 1 0 0 l ， 其中，马一多孔混凝土试件总孑l 隙率 岛一多孔混凝土试件连通孔隙率 1 ， 湖北工业大学硕士学位论文 w 一试件充分饱水后，在水中称得的质量，g w 1 试件烘干至恒重后，称得的质量，g m 试件在标准养护条件下放置2 4 h 后，在空气中称得的质量，g v 试件外观体积，c m 3 2 3 1 2 多子l 混凝土强度测定 对不同配比条件下制作的试件进行强度测试，找出强度与集料、水灰比、孔 隙率之间的关系，分析影响多孔混凝土骨架的因素。所制试件为1 5 0 c m x1 5 0 c m x 1 5 0 a m 标准立方体试件。拟采用正交试验( 三水平三因素) 进行分析。 2 3 1 3 多孑l 混凝土孔隙内部碱性测定 将到规定龄期的试件进行破碎，充分研磨，过筛( 0 0 8 m m 方孔筛) ，称取10 9 ， 然后加入到1 0 倍质量的蒸馏水瓶中，用橡皮塞塞紧以防碳化，每隔约5 m i n 摇动 均匀一次，2 h 后使用精密p h 试纸进行测定。 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章多孔混凝土配合比及成型工艺研究 3 1 概述 多孔植被混凝土有别于传统混凝土，它既要求混凝土有一定的护坡强度，又 要求多孔混凝土骨架具有较大的连通孔隙率保证植被的生长。因此，如何制备多 孔植被混凝土骨架，使其能够满足工程和绿化环境的要求，就成为了解决多孔植 被混凝土在工程中实际运用的首要问题。图3 1 为多孔植被混凝土混凝土骨架制 备工艺研究流程图。 图3 1 多孔植被混凝土骨架制备工艺研究流程图 3 2 胶结浆体性能研究 胶结浆体是多孔植被混凝土重要组成部分，作用为包裹和粘接骨料，它对多 孔植被混凝土的强度、孔隙率等有着重要的影响，在多孔植被混凝土骨架整个拌 和、成型工艺过程中，其工作性能主要表现为流动度的大小，而胶结浆体流动度 是由水灰( 胶) 比所决定的。因此，胶结浆体性能的研究主要是针对其水灰( 胶) 比进行的。水灰比过小，表现为浆体干燥流动度小，不易均匀包裹于集料表面； 水灰比过大，则表现为胶结浆体流动度过大，在成型过程中浆体较容易流淌至底 部堵塞底部孔隙。在多孔植被混凝土骨架的制备中，需要确定流动度较为合适的 胶结浆体，既能保证良好的粘接性能又不会堵塞孔隙，这就是要确定一个最佳水 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 灰( 胶) 比。 本文根据水泥胶砂流动度测定方法( g b t2 4 1 9 - - 9 4 ) ，按照表2 5 所列胶结 浆体不同配合比对胶结材料的流动度进行测试，测试结果如图3 2 所示。 + c 卜c a l 6 一c f 卜c f a + c m l - - , l b - - c m 2 + c a 2 0 z0 z l0 2 20 2 30 2 40 2 50 z 60 z 70 z 80 z 9o 30 3 l0 3 2o 3 3 0 3 40 3 5 水灰( 胶) 比 图3 2 不同配合比胶结浆体流动度 从图3 2 中我们可以很直观看到胶结浆体流动度与水灰比之间的联系。当胶结 材料配合比相同时，其流动度是随着水灰( 胶) 比的增大而增大的，即当用水量 越大则浆体流淌性能越好。 3 2 1 掺入粉煤灰对浆体流动度的影响 将粉煤灰作为矿物外掺料进行浆体试验，主要目的是为了在保证一定强度的 前提下通过减少水泥的用量，降低浆体的p h 值，减少碱性环境对植被生长带来的 不利因素，本文采用了粉煤灰掺量为3 0 的胶结浆体进行试验。如图3 3 所示，当 水胶比相同时，掺入粉煤灰的胶结浆体( c f ) 较未掺入粉煤灰的纯水泥胶结浆体( c ) 流动度有明显提高。 0 2 20 2 3o 2 40 2 50 2 60 2 70 2 80 2 90 30 3 10 3 2 水灰( 胶) 比 图3 3 掺入粉煤灰对流动度的影响 1 5 0 o 0 o o 0 0 o o 0毖硒孔毖加掩拍m屹m 垦v 赵需蟪 o o o o o o o o 4 2 0 8 6 4 2 o 2 2 2 1 l 1 l 1 3赵画f 湖北工业大学硕士学位论文 粉煤狄对浆体流动度的影响主要取决与细度和球形颗粒含量，细粉煤狄会降 低浆体的需水量，而粗粉煤灰提高浆体的需水量。一般认为粉煤灰的加入对胶结 浆体和混凝土的流动性的改善，有两方面的原因。其一是粉煤灰中含有许多球形 颗粒一玻璃微珠，而水泥颗粒是不规则的几何体，粉煤灰中的这些微珠在水泥颗 粒间起到“滚珠作用，减小水泥颗粒间相对滑移时的阻力，增大浆体的流动度； 另一方面粉煤灰的细度比水泥大，由比水泥细得多的微集料组成合理的微集料间 断级配，改善了水泥基材的孔结构，原来水泥空隙中的水被粉煤灰置换出来为流 动性作贡献，即粉煤灰的“滚珠效应”和“微集料效应 均有助于提高胶砂的流 动度1 3 15 1 。 3 2 2 掺入减水剂对浆体流动度的影响 聚羧酸减水剂由于分子结构中存在一c o o h 、一o h 、- - s 0 3 h 等，具有亲水性， 由于极性基的亲水作用，可使水泥颗粒表面形成一层具有一定机械强度的溶剂化 水膜。水化膜的形成可破坏水泥颗粒的絮凝结构，释放包裹于其中的拌合水，使 水泥颗粒充分分散，并提高了水泥颗粒表面的润湿性，同时对水泥颗粒及骨料颗 粒的相对运动具有润滑作用，所以在宏观上表现为新拌混凝土流动性增大，和易 性好。高效减水剂的分子结构中有大分子的主链，又有亲油性，减水剂吸附在水 泥颗粒表面，能够降低水泥颗粒固液界面能，降低水泥一水分散体系的总能量， 从而提高分散体系的热力学稳定性，这样有利于水泥颗粒的分散。其次，水泥颗 粒的稳定性主要由静电斥力和范德华引力的平衡来决定，其斥力位能、引力位能 及总位能随粒子间距不同而发生变化。减水剂加入到新拌混凝土中，其中的负离 子一s o - 3 、一c 0 0 一就会在水泥粒子的正电荷的作用下定向吸附在水泥颗粒表面， 形成扩散双电层的离子分布，使得水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，产生静电 斥力，使水泥颗粒絮凝结构解体，颗粒相互分散，释放出包裹于絮团中的自由水， 从而有效地增大拌合物的流动性【1 5 19 1 。 减水剂的引入是为了在水灰比不变的情况下提高胶结浆体和易性，或是同样 和易性时，降低胶结浆体用水量，起到提高胶结浆体强度的作用。本文采用的聚 羧酸减水剂是一种高效减水剂，试验掺量为分别为胶凝材料质量的1 0 和o 5 。 通过试验结果的比较可以发现，在相同的水灰比条件下，掺入聚羧酸减水剂的浆 体流动性较水泥浆体明显提高，在相同浆体流动度范围内，水灰比显著降低，且 浆体流动度随减水剂掺量的增加而提高。浆体流动度比较如图3 4 所示。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 2 8 0 2 6 0 2 4 0 名2 2 0 皇 v 2 0 0 型1 8 0 冀1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 0 2o 2 1o 2 2 0 2 3 o 2 4 o 2 5 o 2 6 o 2 7 水灰( 胶) 比 图3 4 掺入减水剂对流动度的影响 3 2 3 掺入粉煤灰和减水剂对浆体流动度的影响 由前面的结论可知，当只掺入3 0 粉煤灰或只掺入水泥质量0 5 的减水剂时， 浆体流动度有不同程度的提高。而当同时掺入3 0 粉煤灰和胶凝材料质量o 5 的 减水剂时，其浆体流动度与只掺入相同质量减水剂时的浆体流动度较为接近( 如 图3 5 所示) 。有研究表明，这是由于当进行浆体搅拌时，粉煤灰在早期不会发 生水化反应，因此减水剂对水泥的掺量相对提高，使其水化较为充分，生成较多 水化产物增加了粘聚性，导致流动度增加不明显。 2 6 0 2 4 0 2 2 0 量2 0 0 瑙1 8 0 葵姗 1 4 0 1 2 0 1 0 0 o 2 4o 2 5o 2 60 2 70 2 8o 2 90 30 3 1 水灰( 胶) 比 图3 5 掺入粉煤灰和减水剂对浆体流动度的影响 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 4 掺入增稠剂对浆体流动度的影响 本文采用了甲基纤维素醚来改变浆体粘结性能，由多孔混凝土结构受荷后的 传力路径可以知道，提高集料与集料之间的粘结点强度，对改善多孔混凝土受力 性能将有很大帮助。甲基纤维素醚在许多建筑材料体系中都作为增稠剂来使用调 整体系的稠度，因此将其作为外加剂掺入胶结浆体中，可以提高浆体稠度增加集 料有效挂浆量，从而起到提高多孔混凝土承载力的效果。甲基纤维素醚还具有保 水性能，能够调整浆体的开放时间和凝结过程，其可以使浆体在一段时间内逐步 释放水分【2 0 2 2 1 。 为使甲基纤维素醚能够均匀分布在浆体中，笔者将其充分溶解于拌和水后， 用其溶液拌和胶结浆体。在掺入了水泥用量o 1 甲基纤维素醚后，笔者将其结果 与相同水灰比条件下胶结浆体流动度比较，发现其浆体流动度明显下降，要达到 拌和集料时较理想的流动度需增加较大的用水量。掺量减少至0 0 5 调制浆体，虽 然流动度有一定提高，但其流动度较其他浆体仍有较大差距。流动度试验结果如 图3 6 所示。 2 0 0 1 8 0 皇 鲁 v1 6 0 蜊 囊 1 2 0 1 0 0 o 2 1 o 2 2 0 2 3 0 2 4 o 2 5 o 2 6 o 2 7 o 2 80 2 90 3o 3 1 o 3 2 0 3 3 0 3 4 o 3 5 水灰( 胶) 比 图3 6 掺入增稠剂对流动度的影响 3 2 5 胶结浆体流动度测试结果分析 胶结浆体的流动与多孔植被混凝土骨架的形成有着重要的联系，其不仅与集 料胶结强度、孔隙率息息相关，而且对于多孔植被混凝土骨架制作成型工艺的选 择也是决定性因素。根据试验所得各种配合比胶结浆体在不同水灰( 胶) 比条件 下的流动度测试结果可知，当胶结浆体流动度低于1 6 0 m m 时，浆体比较干燥，对 于集料的包裹不均匀，不利于孔隙的形成，对多孔混凝土强度也有较大影响；当 1r 湖北工业大学硕士学位论文 胶结浆体流动度介于1 6 0 - - - 2 0 0 m m 时，浆体有较好的流动性，能够较为均匀的包 裹于集料表面；当胶结集料流动度大于2 0 0 r a m 时，胶结浆体流动度较大，包裹集 料效果较好。 3 3 多孔植被混凝土骨架配合比研究 3 3 1 设计参数 3 3 1 1 强度 多孔植被混凝土是作为护坡结构运用于工程中的，因此必须具备一定的力学 强度来满足护坡的需要，由于我国在多孔植被混凝土的研究方面还处于起步阶段， 对于其工作强度的要求也没有具体的规定，笔者通过查阅已有的文献，认为多孑l 植被混凝土抗压强度可根据实际坡体需要设计成2 5 - - - 1 0 m p a 。 3 3 1 2 孑l 隙率 多孔混凝土作为多孑l 植被混凝土的骨架是植被生长的载体，必须为植物的正 常生长提供所需的空间，而一般情况下，土壤的孔隙率约为4 0 - - 6 0 ，普通混凝 土只有4 左右，因此为了满足植被的正常发芽需要应对其孔隙率设定一个下限， 即最小孔隙率。针对最小孔隙率的设定国内还没有明确的规定，但许多研究者通 过试验分析认为多孔植被混凝土的最小孔隙率应大于2 5 。另外，孔隙的容积也是 设计时需注意的一个重要内容。在相同设计孔隙率的条件下，若采用粒径较小的 集料来配制多孔植被混凝土骨架，这样就会形成许多小容积的孔隙，而小容积的 孔隙所能存储的水分和营养成分相对较少，有可能影响植被的生长。因此，为了 确保植被在多孔混凝土中的正常生长，应使孔隙率保持在2 5 以上，且应尽量选择 较大粒径的集料保证足够的孔隙容积，对于无特殊强度要求的结构可使孔隙率大 于3 0 。 3 3 1 3 胶结浆体用量 胶结浆体在多孔植被混凝土中的作用为连接和包裹集料，因此其用量对多孔 混凝土的强度和孔隙率的大小有着重要的影响。对于胶体用量的多少，关键因素 为所设计多孔植被混凝土的目标孔隙率。对于相同粒径的集料，当目标孔隙率小 时，则胶结浆体用量较多，包裹