粉煤灰掺入量对植被生态混凝土性能影响的探究★

祝向群 陈月萍

(安庆职业技术学院，安徽安庆 246003)

传统混凝土透气性、透水性能差，缺乏调节空气温度和湿度的能力，使得地温升高，气候恶化，产生了“热岛现象”。大量钢筋混凝土建筑物和混凝土道路使绿化面积明显减少，降雨时，不透水的混凝土道路表面容易积水，雨水长期不能下渗，使地下水位下降，土壤中水分不足、缺氧，影响植物生长，造成生态系统失调。水利、铁路、公路工程中的护坡，广泛使用混凝土砌块，甚至直接用混凝土浇筑成硬质斜坡或地坪，既不能长草，又不能下渗雨水，缺乏生态功能。另外，混凝土材料颜色灰暗，给人以粗、硬、冷、暗的感觉，缺乏艺术的美感［1］。

本课题利用工业废料——粉煤灰，一方面能大大降低水泥用量，节约工程成本，减少水泥生产过程中CO2的排放量，降低废弃物对环境的污染，另一方面因粉煤灰型生态混凝土具有较好的透水透气性和湿热交换能力，能降低地表温度和城市的“热岛效应”，改善环境。所以本试验研究了粉煤灰掺入量对该混凝土性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥采用安庆市怀宁海螺水泥厂生产的海螺牌P.O42.5水泥;普通河砂;石灰岩碎石;粉煤灰采用淮南市昆仑科贸有限责任公司生产的粉煤灰;外加剂采用合肥科顺科贸有限公司生产的BSC(Bio-Substrate Concrete)生物基质混凝土添加剂;安庆自来水。

1.2 试验设计

根据以往的试验经验，本试验考虑粉煤灰四种不同掺入量对该植被型生态混凝土抗压强度、抗折强度、孔隙率、透水性系数和pH值等性能的影响。每组试验中粉煤灰和水泥的掺入量不同，其他材料掺入量均相同。每组试验的成分配合比见表1。

表1 试件成分配合比

每个试验号制作5组试块，抗压抗折试验每组试验制作3个标准试块(其尺寸为150 mm×150 mm×150 mm)，孔隙率、透水试验和pH值试验每组1个标准试块。本次试验一共制作36个标准试块，具体试验种类和标准试块个数安排见表2。

试件的制作:先将碎石、江砂和少量的水充分搅拌，使得石子表面润湿，然后加入粉煤灰和水泥搅拌均匀，再加入BSC生物基质混凝土添加剂和水充分搅拌。最后取料入模、插捣、在振动台上震动30 s，养护28 d。试验结果见表3。

表3 试验结果

2 试验分析

2.1 力学性能

本试验中，采用养护制28 d试件，抗压、抗折试验采用型号为YA-2000B的试验机测定，试验结果分别见图1和图2。

图1 混凝土抗压强度与粉煤灰掺入量的关系

图2 混凝土抗折强度与粉煤灰掺入量的关系

由图1可看出，与没有添加粉煤灰试块的抗压强度值比较，当粉煤灰的掺入量超过90 kg时，试块的抗压强度明显下降。由图2可看出，试块的抗折强度随粉煤灰掺入量的增加有明显的下降趋势。

原因在于［2，3］:粉煤灰颗粒结构比较密实，比表面积小，存在很多球形颗粒，吸水能力较弱。在早龄期，粉煤灰几乎不会发生火山灰反应。随着粉煤灰掺量的增加，水泥的抗折强度以及抗拉强度持续降低，如图1和图2所示。在晚龄期，由于粉煤灰的火山灰作用以及水泥熟料水化反应之间的相互促进作用，再加上粉煤灰的微集料反应。当掺量变大时，其强度则出现大幅度下降。

2.2 孔隙率

混凝土的孔隙率分为总孔隙率和有效孔隙率，总孔隙率是混凝土中全体孔隙的体积与其总体积的百分比，它是影响混凝土强度的主要因素［4］。孔隙率的测定方法:首先，根据试块的尺寸计算出其体积V;然后，把试块完全浸没在水中，等到试块充分吸满水后，称量试块在水中的质量m1;再把试块烘干后，待冷却至室温称量其质量m2;最后根据式(1)计算试块的孔隙率P:

其中，P为孔隙率，%;ρ为水密度，g/m3;m1为试件吸水饱和状态时的质量，kg;m2为试件烘干后，恢复常温时的质量，kg;V为试件的体积，m3。

该混凝土孔隙率与粉煤灰掺入量的关系见图3。孔隙率随粉煤灰掺入量的增加，其孔隙率呈现先增加后下降的趋势。

图3 混凝土孔隙率与粉煤灰掺入量的关系

2.3 透水性系数

透水性是护堤植生型生态混凝土的一个重要指标，它的大小随混凝土基础材料的颗粒组成不同而有些差异，这里要确保有0.5 mm/s以上的透水系数。表征生态混凝土透水性的透水系数在一定的水头下，单位时间内透过混凝土的水量与混凝土透水面积成正比，与混凝土透水厚度成反比［5］。

本试验中，取养护28 d的标准试块，采用如图4所示的原理对该混凝土做常水头透水性试验，通过该试验测定相关数据，然后采用式(2)计算该混凝土的透水系数kT。

图4 透水系数试验原理

其中，kT为水温为T℃时试样的透水系数，mm/s;Q为t秒时间内从试件中渗出的水量，mm3;L为试样的高度，mm;A为水渗过试样的横截面面积，mm2;H为水位差，mm;t为试验测定的时间，s。

如图5所示，透水系数随粉煤灰的掺入量呈现先增加后降低的趋势。

2.4 pH 值

普通混凝土的pH值高达12～13，对植被的生长不利。为满足植物生长性能的需要，多孔混凝土的pH值不应超过10［6］。

取养护28 d的标准试块，把标准试块从中间锯开，分成体积相等的两部分(75 mm×150 mm×150 mm)。在常温下，将分开的两部分，迅速浸入装有蒸馏水的容器中，待试块充分吸水饱和后，将两块混凝土新锯开的剖面用保鲜膜盖严，然后将试块的剖面朝上，坐在装有蒸馏水的容器中。但蒸馏水不能淹没剖面，水量保持试块润湿为宜，并将容器盖严。2 h后用pH试纸测定剖面的pH值，每个试件的剖面测3个位置，取6个值的平均值作为最后结果，见表3。该混凝土pH值与粉煤灰掺入量的关系见图6。由图可知其pH值随粉煤灰的增加呈现下降的趋势。

图5 透水系数与粉煤灰掺入量的关系

图6 pH值与粉煤灰掺入量的关系

3 结语

1)根据试验数据，粉煤灰的掺入量对该混凝土的相关性能有较明显的影响。

2)综合考虑抗压强度、抗折强度、孔隙率、透水性系数和pH值，粉煤灰的掺入量选择20%～40%较为合适。

3)通过对该混凝土综合性能的分析，该配比设计的混凝土内部环境与植被的生长环境要求相吻合。

［1］张开猛，蒋友新，谭克锋.生态混凝土研究现状及展望［J］.四川建筑科学研究，2008(1):152-155.

［2］章慧兰.不同掺量的磨细粉煤灰对水泥性能的影响研究［J］.山西建筑，2014，40(1):126-127.

［3］田 卿，刘 丹.粉煤灰对混凝土的影响及其原因［J］.中国高新技术企业，2008(6):90-92.

［4］钟文乐.无沙多孔生态混凝土力学和植生性能试验研究［J］.混凝土，2012(6):133-134.

［5］吴智仁.现浇护堤植生型生态混凝土性能指标及耐久性能［J］.江苏大学学报，2005(5):381-382.

［6］徐荣进，刘荣桂，颜庭成.植生型多孔生态混凝土的制备和性能试验的研究［J］.混凝土，2006(12):18-21.