河渠边坡植生型多孔混凝土防护技术的研究及应用

宋文杰 何香建 刘 军

（湖南省水利水电科学研究院 长沙市 410007）

当前河渠边坡防护技术存在的主要问题有：生态绿化效果差、强度低以及抗冲刷能力差等缺点。因此，突破传统护坡材料的范围局限，研究具有结构防护、水土保持、植被恢复及减少生态灾害等特点的生态护坡材料必将成为发展方向之一。本文所研究的植生型多孔混凝土为生态混凝土的一个类别，是一种将工程防护和植被防护有机结合起来，并在工程应用中能够兼顾生态环境与工程规范要求的新型护坡材料。

1995年日本混凝土工学协会基于植生试验的成功，提出了生态混凝土的概念，并专门设立了“生态混凝土研究委员会”，开展植生型多孔生态混凝土的应用研究。目前日本将植生型多孔混凝土技术运用于数百个工程实例中[1～3]，主要包括构筑堤坝、河岸、公路边坡等，均取得良好的效果。欧美国家在植生混凝土方面的研究比日本起步晚，目前欧美的大多数工程应用均引进日本的先进技术[4]。目前我国对植生型多孔混凝土的研究还处在起步阶段，研究重点主要围绕多孔混凝土或无砂混凝土开展，将多孔混凝土与植生相结合的研究比较少，在植生型多孔混凝土领域的研究还处于起步阶段。

1 植生型多孔混凝土的概念

植生型多孔混凝土也称生态混凝土或绿化混凝土。它是以多孔混凝土作为基本骨架，将种植基材充填入多孔混凝土的连通孔隙中，并覆盖混凝土表面，将植物种子混合在表层的种植基材中，经过一段时间的养护与管理后，植物萌发生长，根系在多孔混凝土孔隙中生长并穿过混凝土达到坡面土体中，形成具有一定强度和植被覆盖率的环境友好型护坡材料[5～6]。

植生型多孔混凝土主要由以下几部分组成[7～10]：作为主体的植被，承载被面、被床（多孔混凝土）、床絮和床基。其中被面为混凝土表面的一层栽培介质（10～25）mm，由种植基材、缓释肥料、保水材料、固化剂、水与植物种子等按照一定比例拌合而成，为植物种子萌芽生长的初始环境。床絮是多孔混凝土孔隙中的填充物，由种植基材、缓释肥料、保水材料、减水剂与水等按照一定比例拌合而成，利于幼苗根须生长直至床基。床基是混凝土底下适于植物长期生长的土壤，需要厚度约300 mm以上，为了使植物根系能长期生长，可预先加入适量的缓释肥料。植生型多孔混凝土的结构如图1所示。

图1 植生型多孔混凝土结构示意图

2 植生型多孔混凝土的制备试验

2.1 试验原材料

（1）水泥。P.O42.5普通硅酸盐水泥。

（2）粗集料。 粒径为（20～30）mm单级配碎石。

（3）矿物掺合料。高炉矿渣，比表面积410 m2/kg，密度 2.86 g/cm3。

（4）化学添加剂。萘系高效减水剂，粉剂，主要成分β-萘磺酸亚甲基高聚物，减水率可达20%以上。

（5）拌合水。采用普通自来水。

2.2 配合比设计

（1）最佳水灰比。

本文通过大量的多孔混凝土拌合和成型试验发现，当胶结材料的水灰（胶）比控制在（0.24～0.30）范围内，对应的净浆流动度控制在（170～190）mm范围内时，混凝土拌合物粘结性好，表面有金属光泽，属于最佳状态。因此将胶结材料净浆流动度范围（170～190）mm 作为控制指标。

（2）配合比计算方法。

本文参考众多文献，发现目前使用最多的多孔混凝土配合比设计方法是“体积法”。“体积法”的原理是假定多孔混凝土体积=粗集料体积+胶结材料体积+目标孔隙体积。胶结材料将紧密堆积的粗集料均匀地包裹粘结在一起，凝固硬化后形成了多孔堆聚的结构，其剩余的空隙构成了混凝土内部连通的孔隙。

按照上述方法，计算出不同目标孔隙率、不同胶结材料及不同水灰比时，1 m3多孔混凝土所需材料的用量，结果见表1。

2.3 制备工艺

由于多孔混凝土的组成材料和结构形式与普通混凝土区别较大，因此其具有特殊的搅拌、成型及养护等工艺。

（1）搅拌工序。

通过搅拌试验发现，采用“裹浆法”[11～13]搅拌工序拌和的多孔混凝土（见图2）粘结性好，新拌混凝土表面有金属光泽，水泥浆体能均匀地包裹住粗集料，并形成一定厚度的包裹层，有利于提高多孔混凝土的连通孔隙率和强度。

表1 多孔混凝土设计配合比

图2 “裹浆法”搅拌工序

（2）试件成型。

采用插捣密实的方法，分三层依次装入模具进行插捣密实，每层插捣20次，最后在试件表面施加（0.2～0.3）MPa的压力压制成型，所得多孔混凝土试件密实度高，浆体能充分包裹骨料，成孔效果好。

（3）试件养护。

采用标准养护室养护的方法，试件成型后，连同模具一并放入标养室，成型48 h后，脱模继续常规养护至指定龄期，适时也可放入水中养护。

2.4 试验结果及分析

由表2可知：①多孔混凝土的强度随着目标孔隙率的增大而不断降低，加入化学添加剂和矿物掺合料有助于提高多孔混凝土的抗压强度；②多孔混凝土的抗压强度随矿渣掺合比的增加呈先升高后降低的趋势。这是由于掺入适量矿渣时，水泥水化产物与矿渣能充分进行二次水化反应，提高了多孔混凝土的密实性和抗压强度；反之，掺合比过大时，由于矿渣的活性比水泥低而降低了胶结材料的整体活性，不利于水泥及二次水化反应的进行，使多孔混凝土的密实性和抗压强度降低。因此，在多孔混凝土中掺入适量的矿渣，不仅可以节约水泥用量，而且能够提高多孔混凝土的强度和降低孔隙内的碱度。

表2 多孔混凝土性能测试成果

3 工程实例应用

2016年5月，受新宁县水利局委托，湖南省水科院对《新宁县2015年横溪河流域坡耕地水土流失综合治理工程》中的一条排水渠道进行了植生型多孔混凝土护坡方案设计，并派技术人员到现场指导施工。现场通过大量的多孔混凝土试拌试验，确定了最佳水灰比，并采用“体积法”计算得出了多孔混凝土的配合比，按照该配合比制备的多孔混凝土护坡28 d抗压强度应达到10.6 MPa，孔隙率达到27.4%，满足设计要求。由于采取了良好的养护和管理措施，一个月时，大部分种子都能正常的发芽，幼苗发育良好，叶片饱满呈鲜绿色。两个月时，植被生长茂盛，植株高度达到（20~30）cm，完全覆盖植生型多孔混凝土护坡的表面，达到了预期的绿化效果。植物生长两个月后，根系便能穿过多孔混凝土扎根于边坡表层土壤中，并在边坡土体中继续发展，这对边坡坡面的水土保持和强度的提高非常有利。具体施工工艺和实施效果如图3所示。

图3 现场施工工序及实施效果图

4 结语

植生型多孔混凝土在生态效益上具有普通混凝土无法比拟的优势，在未来河渠生态治理工程中，不但可作为一种植生型护坡材料使用，其自身的孔隙结构能够实现岸水之间的亲水交换，具有良好的净化水质的功能。并且其还有降低噪音，减少粉尘的作用，在城镇周边的河渠生态治理工程中应用，可以改善人们的生活环境。所以，对植生型多孔混凝土的研究及在水利工程中的应用对推动生态水利的发展具有积极的意义。

[1]先端建设技术中心（日本）.植生型多孔混凝土河川护岸工法手册[M].山海堂，2001.

[2]玉井.ポーラスコンクリートの海洋生物に関す研究[A].ャメントコンクリート混凝土论文集[C].

[3]玉井.绿化混凝土コンクリートに関す研究[A].ャメントコンクリート混凝土论文集[C].

[4]张朝辉.多孔植被混凝土研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[5]祝青，陈忠兰，费忠.绿化混凝土植被护岸在河道整治中的应用 [J].浙江水利科技，2005，（5）：51-53.

[6]蒋冬青.新型生态混凝土材料及其应用 [J].建材发展导向，2004，（3）：35-37.

[7]樊建超.植物相容型生态混凝土的制备试验与研究 [J].福建林业科技，2005，32（3）：11-14.

[8]董建伟.环保绿化混凝土的研究与实践 [J].吉林建材，2002，（2）：1-4.

[9]张俊云.岩石边坡生态种植基实验研究[J].岩石力学与工程学报，2001，20（2）：239-242.

[10]张凤泉.贵开路岩石边坡人工复合基质法绿化技术处探[J].贵州农业科学，2002，30（6）：47-49.

[11]张朝辉.多孔植被混凝土研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[12]中国工程建设标准化协会标准．钢纤维混凝土结构设计与施工规程（CEC38．92）[S]．中国计划出版社，1996.

[13]冯忠绪.混凝土搅拌理论与设备[M].北京.人民交通出版社，2001.