绿色生态混凝土试验研究*

尹 健， 彭 华

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

绿色生态混凝土试验研究*

尹 健*， 彭 华

(中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

为同时满足绿色生态混凝土强度及植生要求，提出绿色生态混凝土的目标空隙率(25%左右)和28 d目标强度(5～10 MPa)；根据绿色生态混凝土组成材料(碎石、水泥、粉煤灰等)性能试验结果及拟定的目标值，提出了一种新的绿色生态混凝土配比设计的方法，设计了绿色生态混凝土试验配合比，根据所提出的配制技术进行试验研究；利用绿色生态混凝土的强度和空隙率试验结果建立强度与空隙率的数学模型，并对配比进行优化，根据优化的配合比进行了生态混凝土配制试验.试验结果表明：提出的配合比设计方法行之有效，根据该方法配制出来的生态混凝土强度和空隙率能够满足既定要求，植草能够很好地生长，完全满足工程实践要求，能够较好地指导工程实践.

绿色生态混凝土；配合比设计；强度；空隙率

20世纪90年代初，日本最早提出了生态混凝土的概念[1]，即生态混凝土是一种有特殊的结构与表面特性，能够减少环境负荷的特种混凝土.随后，日本将绿色生态混凝土用于道路护坡等工程示范中[2].美国及欧洲发达国家自20世纪末也相继开展了生态混凝土的研发[3,4].韩国自然与环境株式会社研制了一种生态混凝土砖，其实质就是随机多孔型绿化混凝土[5].国内在90年代初开始对绿色生态混凝土进行研究，许多科研单位和院校开始对绿色生态混凝土进行研究.东南大学[6]开发了一种环境友好型植物生长多孔混凝土；江苏大学[7]提出了护堤植生型生态混凝土的概念；上海大学的罗仁安、樊建超[8]等研究成一种性能介于普通混凝土和耕植土之间的新型轻质绿化混凝土材料；湖北工业大学[9]采用“构造多孔混凝土”设计理论对构造型多孔植被混凝土进行了试验研究；福建建筑科学研究院的张蔚[10]对植生混凝土种植构造及其营养土的配置进行了研究；中建八局王桂玲[11,12]等对植生混凝土制备技术进行了初步研究.国内虽然对于绿色生态混凝土方面的研究也较多，但是目前对于绿色生态混凝土的配合比设计方法还没有统一的定论，且目前也没有实际的工程应用.为了将绿色生态混凝土更好地应用于道路护坡等工程实践中，本文对绿色生态混凝土配置技术进行了试验研究，提出了一种新的专门针对绿色生态混凝土的配合比设计理念，然后根据这种理念进行了绿色生态混凝土的配合比设计，同时进行了绿色生态混凝土的试配试验，基于强度和空隙率试验结果提出了优化后的绿色生态混凝土配合比，并对优化后的配合比进行了试验验证.

1 原材料及实验方法

1.1 原材料及性能

水泥：本试验所用水泥为湖南平塘水泥厂所生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥，该水泥的物理力学性能及化学组成见表1、表2.

表1 水泥物理性能指标

表2 水泥的化学成分

掺和料：实验所用矿渣微粉、粉煤灰分别满足GBl8046-2000《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉》、GB/T1596-2005《水泥和混凝土中的粉煤灰》的相关要求.其基本性能指标见表3.

表3 矿物掺和料物理性能

骨料:为保证所配制绿色生态混凝土的目标孔隙率(25%左右)，混凝土配比中未使用细骨料，粗骨料选用的是湖南当地产的玄武岩碎石，碎石均经过筛分后分粒径堆放备用，在筛分过程中，去掉大颗的针片状碎石.筛分好的粗骨料参照行标JGF52-2006 (普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准)对其基本性能进行测试.测试结果如表4所示.

表4 骨料基本性能试验指标

由骨料颗粒堆积理论知，等粒径球体如果按照简单的立方体排列方式堆积时，每个球粒与其相邻的6个球粒相接触，骨料空隙率为47.64%[13].由于实际的骨料并不是真正意义上的等粒径球体，故不可能完全排列整齐，所以实际测得的孔隙率会稍稍大于理论值.通过表4可以看出，骨料粒径越小，其排列相对会更加整齐，所以测得的空隙率也更接近理论值.

1.2 试验方法

空隙率测试：将成型的绿色生态混凝土150 mm×150 mm×150 mm标准试块置于恒温恒湿的标准养护室养护28 d，然后搬出静置沥干直至表面无水，将试块放入底部密封的塑料试模(试模尺寸为150 mm×150 mm×150 mm)中，置于电子天平上称取试模加试块的重量(G1)，用最小刻度为毫升的容器往试模中注水，直至水面与试模表面齐平且不再下沉，读取天平上的读数G2，则孔隙率计算公式如下所示：

△V=(G2一G1)/1 000，

(1)

式中：G1为试块加试模的重量，kg；G2为试块加试模加空隙中水的重量，kg；△V为混凝土试块中空隙所占的体积，m3.

Rvoid=△V/V试块.

(2)

强度测试：将测试过空隙率的生态混凝土静置干燥，干燥后借用普通混凝土力学性能试验方法标准中的抗压强度试验方法对绿色生态混凝土强度进行测试.

植草试验：将养护好的混凝土试件经过降碱处理后，放置于室外，上面铺一层薄薄的土(土取自山上地面表层，富含腐殖质，无需添加营养剂)，将草种均匀洒播在薄土层上，观测植物生长情况试验，试验所用草种为百喜草和狗牙根.

2 绿色生态混凝土配制试验

绿色生态混凝土具有特殊的骨架空隙结构，在进行绿色生态混凝土配合比设计时，不仅要考虑强度，还要考虑空隙率，故用于普通混凝土配合比设计的保罗米公式已经不再适用.为同时满足道路护坡的强度要求及植生要求，拟定绿色生态混凝土的目标空隙率为25%左右，28 d抗压强度为5～10 MPa.

2.1 绿色生态混凝土配合比设计原理

粗骨料用量：为保证绿色生态混凝土的目标空隙率，借用体积法的思想进行配合比设计.即假定成型后的混凝土试块体积为一个单位，而混凝土试块的体积即为粗骨料堆积体积，则通过对骨料进行筛分，并测试其单一粒径骨料物理性能可以得到粗骨料的堆积密度，该堆积密度即为单位体积粗骨料用量.

单位体积胶凝材料用量：根据粗骨料筛分试验即可以通过粗骨料堆积密度及表观密度计算得到粗骨料的堆积空隙率，由于假定混凝土单位体积是由粗骨料堆积体积给出，粗骨料堆积体积是由堆积粗骨料颗粒体积累加再加上堆积空隙体积构成，故单位体积的堆积空隙率即可以看作是单位体积内粗骨料之间的空隙体积.给定一个目标空隙率，然后假设剩下的空隙都由胶凝材料浆体填充，则单位体积绿色生态混凝土胶凝材料浆体的体积即可以通过单位体积粗骨料堆积空隙体积减去目标空隙体积求得，

VJ=VRg-Vvoid，

(3)

式中VJ为单位体积透水混凝土胶结浆体体积，m3；VRg为单位体积单一粒径骨料的堆积空隙，m3；Vvoid为单位体积目标孔隙所占体积，m3.

VJ=WC/ρC+WW/ρW，

(4)

WW=W/C*Wc.

(5)

通过式(4)、(5)可以计算出水泥的理论用量值.

Wc=VJρCρw/(ρw+ρC*W/C)，

(6)

式中：WC为单位体积透水混凝土水泥用量，kg/m3；WW为单位体积透水混凝土拌合水用量，kg/m3；W/C为水灰比；ρC为水泥堆积密度，本文中取1 400kg/m3；ρW为水密度，本文中取1 000kg/m3.

注：水泥堆积密度参照文献[14]给出的理论计算方法可以求得试验试验所用水泥的空隙率，再根据给定的水泥密度即可算出水泥的堆积密度.

从式(4)可以看出：

(1) 当粗骨料粒径确定，混凝土目标空隙率确定，则理论上单位体积透水混凝土胶结浆体体积也是确定的，这时影响单位体积水泥用量的就只有水灰比这一个因素.且水泥用量与水灰比呈反比，即水灰比越大，水泥用量越少；水灰比越小，水泥用量越大.故由此可以推断在一定范围内，水灰比越大，绿色生态混凝土的强度也越大.

(2) 粗骨料粒径一定，若绿色生态混凝土水灰比相同，则水泥用量的多少由单位体积内胶凝材料浆体体积决定，而浆体体积由骨料的堆积空隙率和混凝土目标空隙率决定，而粗骨料粒径一定时，骨料的堆积空隙率一定，则水泥用量的多少取决于绿色生态混凝土目标空隙率，当目标空隙率越大，则水泥用量越少，反之，目标空隙率越小，则水泥用量越多.由此可以推断，目标空隙率的大小与绿色生态混凝土强度之间应该是存在一个反比的关系的.

2.2 绿色生态混凝土试验配合比计算

基于上述理念，对各不同水灰比不同骨料粒径情况下配置的绿色生态混凝土理论水泥用量进行计算，计算结果如表5.

表5 水泥用量计算值

表6 绿色生态混凝土试配配合比

上述理论计算可以看出，对于各种粒径的粗骨料来说，当水灰比在0.32～0.38之间时，假定目标空隙率为25%时，其水泥用量均在210～250 kg/m3之间，且水灰比越大，水泥用量越少.为了在保证绿色生态混凝土空隙率的前提下也保证所配制绿色生态混凝土的强度，以期找到合适的实际水泥用量以及合适的骨料粒径，先选用固定的水灰比，即0.35.

通过调整水泥用量和石头粒径对绿色生态混凝土进行了试配试验，试验所用配合比如表6所示.

2.3 绿色生态混凝土施工工艺

根据上述5组配合比进行绿色生态混凝土的试配试验，每组配比配制150×150×150 mm的标准试件各一组，100×100×100 mm的试件各一组(用于植草试验)，每组三个.因每组配制的混凝土量比较少，全部采用人工拌制，具体拌制过程如下：粗骨料称好放置在事先已经润湿的铁板上，先加三分之一总水量的水，人工搅拌均匀再加入二分之一总水泥量的水泥，同时加入三分之一总水量的水，待人工搅拌均匀后再加入剩下的水量，搅拌均匀后将剩下的二分之一的水泥加入拌合物中，搅拌均匀.

为了保证目标空隙率必须避免过分振捣，故采用人工振捣的形式.具体过程如下：先装入一半混凝土轻轻的人工振捣至混凝土面齐平，然后再装入剩下的混凝土，继续人工均匀振捣至表面下沉量稳定后将表面抹平，剔除多余的突出的粗骨料.

3 绿色生态混凝土试配试验结果分析及配比优化

3.1 结果分析

上述试配试验所测得的绿色生态混凝土空隙率及强度结果如表7所示.

通过上述试验结果，可以发现：

(1) 水灰比一定的情况下，当粗骨料粒径相同时，水泥用量越多，所测得的绿色生态混凝土空隙率越小，这一结论和前面的配合比设计理论相一致；在骨灰比一定的情况下，不同粒径骨料配置的绿色生态混凝土孔隙率变化不大，但强度的变化值相对来说要更大一点.

(2) 水灰比一定的情况下，在水泥用量相同时，粗骨料粒径越小，所测得的绿色生态混凝土空隙率越小，这和前面所测得的单粒径粗骨料堆积空隙率一致.

(3) 实际测得的绿色生态混凝土空隙率稍大于理论计算值，经分析后认为，原因有三：一是在实际拌制过程中，会损失掉一部分水泥和水，且水泥用量越多，相对损失也越大；二是由于绿色生态混凝土也具有普通混凝土的共性，即普通硅酸盐水泥在早期硬化时会产生自缩现象；三是在空隙率测试的实际操作过程中会存在误差.上述三种原因综合起来，就导致通过空隙率实验所得出的空隙率要稍大于空隙率的理论计算值.另外，在装模过程中，因为采用人工振捣，不能保证完全振捣均匀，所以不能保证骨料完全排列整齐，故实际密实度低于理论密实度，进而影响混凝土强度.为了保证实测空隙率接近于目标空隙率，可以适当增加水泥用量以弥补配置过程中水泥的损失量.

表7 绿色生态混凝土空隙率及抗压强度值

(4) 绿色生态混凝土强度和骨料粒径以及水泥用量都有关，即骨料粒径越大，水泥用量越小，绿色生态混凝土强度相对较低，反之则绿色生态混凝土强度越高.这是因为粗骨料粒径越小，骨料与骨料之间空隙尺寸越小，混凝土内部排列越整齐，密实度越好，从而强度也越高；反之，粗骨料粒径越大，骨料与骨料之间空隙尺寸越大，混凝土内部密实度相对要低，强度也就越低.选用4.95～9.5 mm之间的骨料配制的混凝土虽然强度能够满足要求，但是其空隙率相对较低，无法满足植物生长要求；而粒径在16.5～19.5 mm之间的骨料配置的混凝土则刚好相反，空隙率较大，但是强度无法满足要求；而粒径在9.5～16.5 mm之间的骨料配置的混凝土则既能满足空隙率要求，又能满足强度要求.

5) 通过对绿色生态混凝土空隙率和强度之间关系进行分析可以发现，空隙率和强度之前是存在一个反比的关系，对上述数据进行处理后发现，即使粗骨料粒径不一样，所用水泥用量不一样，但是空隙率和强度之间还是存在一定的比例关系(图3)，其关系式如下：y=0.060x-3.84，相关系数R2= 0.95.

根据上面拟合的空隙率和强度关系，可以算出当实际空隙率在25%时，绿色生态混凝土计算强度为12.3 MPa，完全能够满足要求，故为了保证实际空隙率在25%，对水泥用量进行调整.假设所损失的水泥浆体体积通过下面的式子得出：损失的水泥浆体体积=实际测得空隙率-理论空隙率，则可以算出应该增加的水泥用量.

3.2 优化的绿色生态混凝土配合比及配制

通过上述实验结果和分析，为了同时满足孔隙率和混凝土强度，对绿色生态混凝土试验配合比进行了优化，水灰比为0.35时，确定粗骨料粒径选用9.5～16 mm，考虑到拌制过程水泥浆体的损失(由表7可假定水泥浆体体积损失率约为6%)，最后可以确定最合适的胶凝材料用量.

表8 优化后的绿色生态混凝土配比

按照表8的优化后的绿色生态混凝土配合比配置绿色生态混凝土两组，每组三个，一组放在标准养护室养护27 d后用于强度和空隙率测试，一组在标准养护室养护7 d后通过降碱措施用于植生试验.空隙率和强度测试结果见表9.

表9 绿色生态混凝土空隙率及抗压强度值

2周之后植物生长情况如图4所示.

4 结 论

从优化后配置出的绿色生态混凝土试验结果可以看出：

(1) 本试验过程所建立的绿色生态混凝土配合比设计理念及配合比优化设计过程是一种行之有效的方法，能够有效指导工程应用实践.

(2) 优化后的绿色生态混凝土强度和空隙率均能够满足设计及实践要求，且植草能够很好的生长，可以有效用于道路护坡、停车场等工程实践中.

(3) 建立了绿色生态混凝土空隙率与强度的关系模型y=0.060x-3.84，实验证明该数学模型能较好地诠释绿色生态混凝土空隙率与强度之间的关系.

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责任编辑：龙顺潮

Experimental Study on the Ecology and Green Concrete

YINJian*，PENGHua

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004 China)

To satisfy both green vegetation requirements and structural requirements of ecological concrete, the target void fraction (about 25%) and the target strength (28 d, 5～10 MPa) of green ecological concrete were put forwarded；the performance of consistent materials (gravel, cement, fly ash, etc.) were studied, and according to the composition of the material test results, based on the volume method of common concrete mixture ratio design , a new concept of green ecological concrete proportioning design was proposed, then the mix proportion and the construction technology were designed; and the eco-concrete was prepared, and according to the results of strength and porosity test, the mix proportion was selected, a whole eco-concrete preparation technology was proposed, and the relationship between the strength and the porosity was established. The experimental results show: the proposed preparation technology is valued, the eco-concrete which prepared can meet both strength requirement and porosity requirement, the plant can grow well, can meet the requirements of practice, so the study results can guide the engineering practice better.

ecological concrete; mix proportion design; strength; porosity

2014-09-27

湖南省科技厅重点项目(2013FJ2002); 湖南省研究生科研创新项目(CX2013B352)

尹健(1970— )，男，湖南 洞口人，教授，博士生导师.E-mail:csuyj700930@csu.edu.cn

U418.9

A

1000-5900(2015)01-0037-06