河道生态混凝土护岸制备技术的应用研究

冯姝丽

(法库县应急管理局,辽宁 法库 110400)

随着城镇区范围的扩大和城市经济的发展,中小河流面临着生态问题的日益突出。传统的中小河流护坡方式使用预制混凝土块体、浆砌或干砌块石、抛石等,虽然能够发挥引水航运、防洪除涝等功能,但对周边生态环境也会造成破坏,无法适应新时期高质量协调发展的需求[1]。为了解决这个问题,绿色环保的植草生态混凝土应运而生。生态混凝土是由外加剂、粗细骨料、水和水泥通过振捣搅拌等工艺制备而成的一种连续多孔隙的混凝土,其骨架结构含有固定范围的孔隙率和孔径[2-4]。与传统护坡方式相比,生态混凝土在满足抗冲抗压强度要求的同时,可以创造良好的生物生长空间,具有显著的生态价值。

生态混凝土的重要问题是如何兼顾抗冲抗压强度和生态效应,这除了受到制备工艺、碱环境、孔隙率、配合比、骨料粒径和外加剂等因素的影响外,它的力学性能还与孔隙的细观结构密切相关[5-6]。鉴于此,文章通过研究和优化生态混凝土的制备工艺和配比方法,以使混凝土内部具有连续多孔隙结构,提供适宜的生物生长空间,为改善城市河流的生态环境,促进可持续发展提供支持。

1 生态混凝土制备方法

1.1 设计要求

以辽宁省法库县境内的辽河堤防及公益水利设施工程为依托,充分考虑堤岸护坡、生态环境改善等功能制备出孔隙率高、内部碱度低的生态混凝土,并探究其关键技术,有效解决岸坡植物难以存活、绿化效果差和现场滑坡隐患问题,更好地满足护坡功能和植物生长要求。为了达到植被根系生长所需的环境条件和河道护坡四季常青的作用效果,选用四季青作为生态护坡草种,结合现行技术规程制备的生态混凝土孔隙率≥25%,抗压强度≥5MPa。

1.2 原材料

研究选用自来水、营养土、四季青草种以及聚羧酸高效减水剂、单级配粒径20～31.5mm碎石、硬石膏和低碱度硫铝酸盐水泥。

1.3 试验方法

采用边长100mm的立方体试块进行抗压强度测试,考虑到生态混凝土孔隙较大的实际情况,为保证强度测试数据的真实可靠性,测试前对受压面利用M5砂浆做抹面处理,然后参照《透水性混凝土河川护堤施工手册》中的方法测定内部孔隙率及碱度值[7]。

1.4 制备技术

通过多次试配调整和对比分析最终确定基准配合比的初凝时间约1h,总孔隙率≥28%,基体密度1.62t/m3,28d抗压强度≥5MPa,碱度不超过9.0。为了保证现场拌合生态混凝土的实际施工要求,适当调整了缓凝时间和基准配合比见表1。

表1 生态混凝土性能

由表1可知,A2组相比于A1组试件的抗压强度略高,凝结时间也更长。在透水系数、孔隙率和碱度方面,A1组试件较优也更有利于植物生长。因此,在辽宁省法库县境内的辽河堤防及公益水利设施工程现场边坡施工时推荐选用A1组混凝土。

2 生态混凝土施工工艺

2.1 搅拌方式

在生态混凝土制备过程中,考虑到全部使用粗骨料和较少的水泥用量,流动性明显减小,骨料间的摩擦力增大,整体拌合难度较大的问题,需要选择新的搅拌工艺来解决。此外,传统的单次投料搅拌方式无法确保碎石被浆体均匀完全地覆盖,造成部分胶凝材料呈块状或球团状分布于骨料的缝隙中,使得孔隙的连通性较差,对生态混凝土的有效孔隙率和抗压强度产生影响。

基于这些问题,文章结合孔隙组成和分布特征,拟选用裹浆法作为新的拌合工艺,该方法主要通过在搅拌过程中使水泥浆体均匀地包裹在粗集料(如碎石)表面,形成线和点的连接,以提高混凝土的性能,适用于需要解决骨料分布不均匀、流动性差等问题,其工艺流程如下:①将碎石和1/2的水泥、、水放入搅拌机中进行初步拌合,拌合时间为30s,该步骤的目的是使水泥浆与骨料充分混合,增强水泥-集料间界面连接作用和强度。②加入剩余一半的水泥并继续搅拌,拌合时间为60s,是使水与水泥充分混合,形成浆体并确保碎石被浆体包裹均匀和良好的流动性,这样能够有效降低拌合阻力,防止碎石被过度挤压,形成小碎片填充在缝隙中,从而维持较好孔隙率和可拌性。③加入外加剂和剩余水,并进行搅拌,拌合时间为120s,在取得较高的孔隙率的同时,尽量提高生态混凝土的强度。

2.2 成型厚度

在相同孔隙率条件下,生态混凝土强度主要取决于成型厚度,这也是影响河道护坡性能的关键因素,研究分析了生态混凝土28d抗压强度受不同成型厚度的影响,如图1所示。

图1 28d抗压强度与成型厚度之间的关系

由图1可知,试件28d强度随成型厚度增大呈先下降后上升再下降的变化趋势。生态混凝土的内部孔隙较多,这意味着在受到压力时很容易形成多种力的综合作用,这是由于生态混凝土中各个微观结构单元之间相互作用产生的,一般涉及到混凝土的孔隙率、裂缝形态、颗粒间的混凝土结力等多种因素,这些因素在受到外部压力时会导致混凝土的内部应力的不均匀分布。另外,由于生态混凝土中含有大量的内部孔隙,因此在不同的外部力的作用下其成型厚度与强度之间呈非线性关系,存在着一定的不确定性。这是因为生态混凝土在受到外部压力时会形成复杂的摩擦、剪切、弯曲等应力状态,这些应力状态之间的转化会影响混凝土的内部力学行为。生态混凝土成型厚度从4cm增加到5cm其强度快速下降,究其原因是内部骨料在成型厚度较小时能够紧密连接在一起,在压力作用下其产生的弯拉应力较小,从而使得抗压能力逐渐下降;生态混凝土成型厚度从6cm逐渐增加到7cm时期强度不断增大,这是由于增大成型厚度会增加试件的有效受力区域,使得应力分布更加均匀,从而减少剪切和弯曲应力的集中,同时增加截面面积可以增加试件的抗压承载能力,使其能够更好地承受外部加载。生态混凝土成型厚度>7cm之后又表现出下降趋势,这是由于试件的弯拉应力随成型厚度的进一步增大快速增大,使得混凝土强度下降[11-14]。综上分析,河道护坡铺设生态混凝土的推荐厚度为4cm或7cm,结合辽宁省法库县境内的辽河堤防及公益水利设施工程实际情况确定7cm作为护坡铺设厚度。

2.3 振捣时间

生态混凝土内部的孔隙分布情况受振捣时间的影响较为显著,研究探讨不同振捣时间对生态混凝土孔隙率和抗压强度的影响,如图2所示。

(a)强度 (b)孔隙率

从图2可以看出,生态混凝土强度随振捣时间的延长表现出先上升后下降的变化趋势,连通孔隙率和孔隙率随振捣时间的延长均逐渐下降。这是因为混凝土各组分随振捣时间的增大逐渐堆积,使得整体孔隙率减小,抗压强度逐渐增大。振捣7s时的强度最大,超过7d具有较高密实度,该条件下水泥浆体开始向底部下沉,从而使得集料之间的浆体及其黏结强度、整体强度下降。综上分析,为保证生态混凝土具有较高抗压强度及孔隙率应控制振捣时间约为5s。

2.4 实用效果

辽宁省法库县境内的辽河堤防及公益水利设施工程边坡高度0～5m,坡面长度60m,坡度1∶1.5～1∶1,现场留样测试生态混凝土相关参数。结果表明,采用现浇工艺制备的生态混凝土28d强度9.2MPa,pH值8.8,总孔隙率31.1%,现场留样测试结果与室内试验保持较好一致性,强度、碱度和总孔隙率等指标均符合设计要求。

在生态混凝土护坡工程的运行维护期,为了确保植被的良好生长和护坡的稳定性,需要测定以下参数:①利用土壤湿度传感器等设备对填充土壤的含水率进行实时监测,根据实际情况和植物的生长需求,制定浇水计划,保持适宜的土壤含水量。②根据绿化设计和实际环境条件,制定适时的修剪计划,对植被进行适当的修剪和整形,以保持坡面的良好外观和协调性,此外还需要做好防治病虫害的工作,定期巡查植被,及时发现并采取措施防止和治理病虫害的发生。③按照每周不低于1次的频率定期巡检植被护坡,检查内容涉及植草混凝土稳定情况以及植物病虫害、生长状况,最好检查和数据记录,为辽宁省法库县境内的辽河堤防及公益水利设施工程正常运行维护提供支持。

通过目测法测试了生态混凝土护坡30d、60d和90d后的植被覆盖率如表2所示,结果显示在90d龄期时的植被覆盖率为94.7%。高的植被覆盖率意味着植物在这段时间内成功地生根并覆盖了护坡表面,起到了保水保土、防止坡面侵蚀和增加坡面稳定性的作用。

表2 生态混凝土护坡植被覆盖率

3 结 论

研究通过多次试配试验制备出生态混凝土,通过现场试验确定浇筑厚度、振捣搅拌试件等工艺技术参数,可以为河道生态治理和边坡防护工程应用提供一定数据支持。

在辽宁省法库县境内的辽河堤防及公益水利设施工程中生态混凝土得以成功应用,并取得较好的效果。经现场测试,采用现浇工艺制备的生态混凝土28d强度9.2MPa,pH值8.8,总孔隙率31.1%,现场留样测试结果与室内试验保持较好一致性,强度、碱度和总孔隙率等指标均符合设计要求。90d龄期时生态混凝土护坡的植被覆盖率达到94.7%,河道边坡的植物生长情况良好,有效解决了植被和自然形貌破坏引起的生态环境失调、河岸滑坡隐患等问题。