植被混凝土复合抗冻剂的组配试验

周明涛，胡欢，胡旭东

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，443002，湖北宜昌;2.三峡大学土木与建筑学院，443002，湖北宜昌)

随着改革开放与国民经济的纵深发展，高寒地区能源与交通的开发和建设给原本极端脆弱的区域生态环境带来了毁灭性的破坏，因工程扰动造成的众多裸露岩石边坡亟待植被修复。植被混凝土(vegetation-growing concrete，简称VGC)为典型的人造复合土壤，主要功能在于营造高陡边坡植被生境，其固相部分由植生土、腐殖质、水泥和植被混凝土绿化添加剂以干质量比100∶10∶8∶5均匀混合而成，工程界也称为生态基材［1］。该生态基材自发明以来，已普遍应用于温度条件较高的广大地区，且取得了较好的生态与社会效益;但在工程应用中却未考虑冻融循环对其结构稳定性的影响及耐久性的破坏。

高寒地区的显著特征就是年均气温低、霜冻期持续时间长，极端最低温度常可达－40 ℃，此种条件下含水物体发生反复冻融现象不可避免;因此，在高寒地区岩石边坡上营造植被生境时，除了满足常温下必备的水分、养分和抗冲刷性等条件外，还应具备较高的抗冻性，以抵御反复的冻融破坏作用。基于此，笔者通过多次试验，针对植被混凝土生态基材研制出复合抗冻剂，为高寒地区工程扰动边坡的植被修复奠定物质基础。

1 材料与方法

1.1 抗冻剂原材料遴选及掺加量设计

植被混凝土以水泥为黏结剂，在很大程度上具备水泥土的特性，因此参照水泥土抗冻改良试验选取抗冻剂原材料品种。水泥土主要依靠掺入短纤维、超细矿粉及引气剂等来提高其抗冻标号。短纤维包括钢纤维、尼龙纤维、石棉纤维、玻璃纤维、合成纤维和天然植物纤维等;超细矿粉包括硅粉、生石灰、天然浮石粉、矿渣粉、无水钠盐等;引气剂是表面活性剂，为一种化学材料。

在使用水泥作为黏结剂的前提下，植被混凝土虽可划归为水泥土，但其性能与功用均不能简单地等同于水泥土。水泥土为建筑材料，主要用作房屋、道路及堤坝等设施的地基。植被混凝土主要营造植物生长所需的养分、水分等基本条件，内含植物“活”的根系;因此，用于提高水泥土抗冻性能的材料并不一定完全适用于植被混凝土，后者的抗冻剂原材料还应重点遵循以下3 条基本原则:1)无“毒”性，不会威胁植物生长发育，不会污染环境;2)来源广泛，价格低廉;3)技术简单，施用方便。

综上，选取棕纤维、硅粉和表面活性剂为组成植被混凝土抗冻剂的原材料。掺加量主要借鉴各原材料在水泥土中的用量，以各原材料干质量与植被混凝土中植生土干质量的比例为计量标准，具体情况为:棕纤维(0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%)、硅粉(1%、2%、3%、4%、5%)、表 面 活 性 剂(0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%)。

1.2 试验设计

植被混凝土为人工配制的复合材料，具有水泥土与有机质土的双重性能，关于此类材料抗冻性的检测，国内外还没有形成统一的试验方法与标准。参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验法》［2］中的快冻法，自行设计了一套检测植被混凝土抗冻性的冻融循环试验。

1)向植被混凝土中添加不同比例的抗冻剂原材料，监测冻融循环过程中试样相对动弹性模量与质量变化情况，并探讨分析抗冻性的提高与改良程度，以获取最佳复合抗冻剂配比方案及其掺加量。

2)植被混凝土的抗剪和抗压强度均远低于混凝土，故定义其冻融破坏的衡量标准为:当冻融试样的质量损失率达到15%或相对动弹性模量下降到77.5%时，表征试样冻融破坏，试验结束。

3)结合GB/T 50123—2002《土工试验方法标准》［3］，先将试样放置在(－20±2)℃的条件下冰冻16 h，而后在(20±2)℃的条件下融化16 h，如此为一单次冻融循环。

4)相同条件试样做3 组平行试验，取平均值。

试验主要设备包括NELD-TFC 混凝土快速冻融试验机、NEL-DTA 型动弹模量测定仪、电子天平、热电偶电位差计、振动台和拆模气枪等。

1.3 供试材料处理

试验涉及的原材料有植生土、腐殖质、水泥、植被混凝土绿化添加剂、棕纤维、硅粉和表面活性剂，前4 种为组成植被混凝土的固相原材料，后3 种为本试验所选取的抗冻剂原材料。

1)植生土:天然土料取回后，经晾晒、捣碎，并过2 mm 细筛筛分，取筛下物。天然土密度1.37 g/cm3、天 然 含水率 27.3%、塑 限 22.7%、液 限36.4%、塑性指数13.7%、液性指数0.34%。

2)腐殖质:杉木(Cuuinghamia lanceolaia)锯末，在(103±2)℃的烘箱中干燥到其质量不再变化时，再过2 mm 细筛筛分，取筛下物。

3)水泥:32.5R 普通硅酸盐水泥。

4)植被混凝土绿化添加剂:三峡大学研发的专利产品LY-2 型绿化添加剂。

5)棕纤维:棕榈外皮短纤维，直径0.18 ～0.2 mm，长2.5 ～3.5 cm。

6)硅粉:矿渣粉粒径0.1 ～1.0 μm，比表面积20 ～25 m2/g，在温度32 ℃、湿度50%的条件下检验得出每100 g 含SiO2和Fe 分别为96.6g 和0.5 g。

7)表面活性剂:高性能混凝土引气剂JY-AR20型特殊阴离子表面活性剂。

1.4 试样制备

试样制备方法遵循植被混凝土生态护坡技术设计规程中的相关规定［1］与GB/T 50123—2002《土工试验方法标准》［3］中3.1.6 条内容。

1)按照植被混凝土组成配比及试验设计掺加量均匀混合植生土、腐殖质、水泥、混凝土绿化添加剂、棕纤维、硅粉、表面活性剂及适量水(以混合物成泥状为准)。

2)将混合物填入100 mm×100 mm×400 mm的试模，分3 层装填，每装填一层在振动台上至少振动3 min。

3)将试样连同试模装入塑料袋内密封，并在室温下静置24 h，然后逐一拆模。

4)拆模后的试样立即送入温度为(20±3)℃，湿度≥90%的标准养护室进行养护。

5)28 d 后将试样连同测温试件一起放入温度为15 ～20 ℃的水中浸泡水养，水养期间水面高出试样上表面至少20 mm。

2 结果与分析

2.1 复合抗冻剂的初始组合

试验中，检测掺入棕纤维、硅粉和表面活性剂的植被混凝土试样在12 次冻融循环后的质量损失率及相对动弹性模量，结果见表1。可以看出，棕纤维、硅粉和表面活性剂质量组配比例不同，植被混凝土试样经历12 次冻融循环后的质量损失率与相对动弹性模量衰减状况存在着较大差别。如单分析质量损失率，则其最佳值出现在棕纤维、硅粉与表面活性剂质量组合为1.25%、3%、0.1%的条件下，此时试样质量损失率最小，为3.31%。如单分析相对弹性模量，其最佳值出现在棕纤维、硅粉与表面活性剂质量组合为1.25%、2%、0.05%的条件下，此时试样相对弹性模量最大，为86.07%。

表1 复合抗冻剂初始质量组合及试验结果Tab.1 Initial mass combinations of composite antifreeze and test results %

从Ki值的分布走势可预测，在棕纤维、硅粉与表面活性剂质量组合为1%、3%、0.05%的条件下，试样的质量损失率最小;从K'i值的分布走势可预测，在棕纤维、硅粉与表面活性剂质量组合为1%、3%、0.1%的条件下，试样的相对弹性模量最大。

2.2 初始组合的优化与验证

图1 复合抗冻剂优化试验Fig.1 Optimization experiments of composite antifreeze

为了便于分析，采用A、B、C 分别代表棕纤维、硅粉和表面活性剂，采用1、2、3、4、5 分别代表抗冻剂原材料设计掺加量的不同水平。由表1 初步筛选出复合抗冻剂的4 种初始组合，即:a 组(A5B3C2，质量损失率，试样编号23，可见最优组合)、b 组(A5B2C1，相对动弹性模量，试样编号22，可见最优组合)，c 组(A4B3C1，Ki值3 列最小值组合，预测最优组合)、d 组(A4B3C2，K'i值3 列最大值组合，预测最优组合)。下面对掺加此4 种初始组合抗冻剂的植被混凝土再次进行12 次冻融试验，以获取复合抗冻剂最优质量配比方案。结果如图1 所示，可以看出，4种不同组合的复合抗冻剂中，c 组(A4B3C1)试样在经历12 冻融循环后质量损失率最小，仅为2.81%，同时相对动弹性模量最高，为84.27%。由此，c 组(A4B3C1)的抗冻性能优于其他组别，即对植被混凝土抗冻性能提升效应最明显的复合抗冻剂质量配比方案为棕纤维∶硅粉∶表面活性剂=1∶3∶0.05。

为进一步验证添加了最优配比方案复合抗冻剂的植被混凝土的抗冻性能，以各原材料干质量与植被混凝土中植生土干质量的比例为计量标准，按棕纤维∶硅粉∶表面活性剂=1∶3∶0.05 先配制成复合抗冻剂，并分别进行掺加量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%共5 组植被混凝土改良样的冻融循环试验。试验结果见图2，可发现:除掺加量为0.5%的改良样在48 次冻融循环前已破坏外，其他4 组改良样在48 次冻融循环结束时均未达到本试验所设定的破坏标准;当复合抗冻剂在掺加量为1.5%条件下效果最佳，此时植被混凝土改良样经历48 次冻融循环后，质量损失率为11.25%，且相对动弹性模量保持在73.45%，同未掺入任何外掺剂的空白样相比(空白样在冻融循环12 次时，质量损失率与相对动弹性模量分别为11.84%、70.69%)，具备较高的抗冻增强效益。

2.3 抗冻剂作用机制

植被混凝土生态基材属于弹塑性材料，虽可承受一定的抗压强度，但抗剪和抗拉强度却很低［1］;因而冻融侵蚀对其破坏作用主要体现在冻结过程，反复冻融将引起植被混凝土内部结构不断发生变化。水在冻结时产生相变，造成体积膨胀，导致孔隙壁承受较大的膨胀应力。当这种应力超过植被混凝土自身抗拉强度时就会出现微裂缝，且其在冰融化后不能完全复原，提供外界水入渗的机会增多。再次冻融时，又会产生新的微裂缝，且先前形成的裂缝会由于结冰而继续扩大。如此经过反复的冻融，裂缝数目越来越多，体积比越来越大，最终引起植被混凝土动弹性模量和强度降低，同时表面会由于裂缝出现产生剥蚀破坏，造成质量损失。

棕纤维、硅粉和表面活性剂作为抗冻剂原材料掺加到植被混凝土后，将影响其抗冻性能，3 材料类型不同，作用机制也存在着较大差异。

图2 复合抗冻剂结果验证Fig.2 Test results of composite antifreeze

1)棕纤维。植被混凝土中掺入棕纤维后，纤维网络结构起到联结、约束和控制作用，能及时将冻融作用产生的应力集中，并予以扩散，从而抑制了微裂缝的发展［4-5］，故此植被混凝土的抗冻性得到一定改善与提高。

2)硅粉。植被混凝土中加入硅粉后，水泥熟化程度增大，生成大量的硅酸钙三钙、硅酸二钙和铁铝酸四钙等水化凝胶体，可填充混合物颗粒间的空隙，改善界面结构及黏聚力，从而提高植被混凝土的强度。另外，从结构上看，虽然掺入硅粉前后植被混凝土的总孔隙率基本相同，但掺入后粗大孔隙及毛细孔隙大量减少，而超细孔隙增加。超细孔隙对水有较大的吸附作用，使植被混凝土的冻结温度降低，延缓了冻融过程，降低了破坏应力［6］。正是上述强度的提高及结构的改善，提高了植被混凝土的抗冻性。

3)表面活性剂。植被混凝土中掺入表面活性剂后，可引入大量不连续、均匀分布、微小且封闭的微细气泡，从而提高自由水的迁移能力，缓和静水压力，降低表面张力，阻止外界自由水的补给，同时这些细小的气泡能够有效改善植被混凝土的微观结构，并直接调节其对外界的冷热、干湿、冻融交替作用下体积变化及内部应力变化的适应能力［7-8］，结果自然导致植被混凝土抗冻性能的提高。

3 结论

1)参照水泥土抗冻改良试验，并结合植被混凝土生态基材自身特点与功能，棕纤维、硅粉和表面活性剂可作为生态护坡基材抗冻剂的原材料。

2)棕纤维、硅粉和表面活性剂3 种原材料对植被混凝土生态基材的抗冻性有不同程度的提高与改善，其作用机制也不同。

3)对植被混凝土生态基材抗冻性能提升效益最明显的复合抗冻剂质量配比方案为棕纤维∶硅粉∶表面活性剂=1∶3∶0.05，且其掺加量为植生土干质量的1.5%时效果最佳。