现浇绿化混凝土的性能及其在生态护岸中的应用研究

余 旭

(江苏昌源水利工程咨询有限公司,江苏 靖江 214500)

0 引 言

混凝土材料作为传统边坡防护中普遍使用的材料,受到应用领域的关注,多个学科尝试将其与生态保护结合研究[1-3]。传统的混凝土坡面防护强调坡面结构的稳定性,普遍使用不透水材料覆盖坡面,如浆砌片石、现浇混凝土等。不透水材料会隔绝空气,使坡下土壤与外界隔绝,破坏坡下环境的生态平衡。同时,由于浇筑混凝土普遍呈碱性,影响周围植物生长,不利于生态保护。

边坡防护的一个重要方面就是坡面防护。在近水环境,河岸长期遭受波浪冲刷,随着植物坡面被冲毁、冲走,植被对土壤固化作用消失,水土流水、河堤积淤严重。同时,近水环境也易受强降雨天气的影响,形成山体滑坡,产生边坡侵蚀空洞。因此,在边岸坡面防护中,需要重视多水环境带来的影响。

现浇绿色混凝土是一种在施工现场搅拌和浇筑而成的多孔硬质混凝土,具有植生表孔,具备高孔隙率,有利于表层土壤中的生物群体与底层土壤的物质交换,可有效保护生物多样性,利于环境保护。鉴于此,本文以多水环境为背景,分析现浇绿化混凝土在该环境的性能表现,探究其在生态护岸中的应用。

1 现浇绿化混凝土性能测试方案和应用设计

1.1 现浇绿化混凝土性能测试方案设计

现浇绿化混凝土是一种由骨料、水泥和外加剂组成,在施工现场混合浇筑的多孔干硬性混凝土,其本质是绿化混凝土通过改进施工工艺制备而成[4]。制备流程见图1。

由图1可知,现浇绿化混凝土制备工艺主要由混凝土浇筑、机械振捣密实、混凝土找平压光、混凝土养护和成品保护构成,每个环节都会影响到最终性能,制备不当,极易造成孔隙堵塞、强度降低,影响试验结果的准确性。骨料是现浇绿化混凝土的支撑性框架,骨料配比、含泥量、粒径形态、压碎指标等与混凝土后期的力学性能、透水性能、耐用性能等参数密切相关,也是影响混凝土工作性能的主要因素。混凝土常用水泥为《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)规定的六大类水泥[5]。外加剂的主要作用是调节混凝土pH值,以提供植物生长所必须的pH环境,同时可通过调整外加剂配比,增加植物生长所需的营养成分,促进植物生长。

对现浇绿化混凝土进行性能测试时,首先需要考虑现浇绿化混凝土的配合比,配合比不仅影响混凝土强度,还影响其孔隙率。为了给边岸植物生长提供所需空间,需要保证强度和孔隙率的平衡,孔隙率过低强度就会降低,不利于边坡防护;孔隙率过高,又不利于空气流通。因此,现浇绿化混凝土配合比设计至关重要,参照《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)的规定,研究采用绝对体积法进行混凝土配合比设计[6],公式如下:

WG=αPG

(1)

式中:WG为骨料用量计算式;PG为骨料精密堆积密度;α为用量修正系数。

外加剂用量计算公式如下:

Vp=1-α(1-vc)-Rvoid

(2)

式中:Vp为外加剂材料体积;vc为骨料堆积孔隙率;Rvoid为设计孔隙率。

水泥用量计算公式如下:

Wc/pc+Ww/pw=Vp

(3)

式中:Wc为水泥用量;pc为水泥密度;Ww为用水量;pw为水密度。

在完成现浇绿化混凝土配比后,对其进行抗压强度、pH值和沉浆面积率测试。采用土压力盒进行抗压强度测试,土压力盒见图2。

图2为扁平盒状应变式土压力盒,从上至下结构分别为反力梁、千斤顶、传感器、垫块、加载板、装样钢桶和底座,使用单晶硅传感器,输送和所受压力成比例的电信号。当被测结构物内土应力发生变化时,土压力计感应板同步感受应力的变化,感应板将会产生变形,并将变形传递给振弦,转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率,频率信号经电缆传输至读数装置,即可测出被测结构物的压应力值。同时,可同步测出埋设点的温度值。为了确保土压力传感器的良好运行,需要确保仪器受压面与测量土体完全接触。因此,埋设中必须注意土压力盒受压面与土体之间是否会形成空隙[7]。pH值测定方法见图3。

图3 pH测定法

由图3可知,对现浇绿化混凝土试块进行长宽高测量,以计算试块外观体积;然后用浸水法测定试块在水中的质量,干燥后计算空气中的质量;最后水浸24h后,用pH数显测量仪对浸水溶液进行pH值测试,直至pH值稳定,读取数据[8]。使用网格法进行沉浆面积的测定,将所有样品的表层胶浆硬化面积叠加进行计算,对试件底面进行拍照,并进行分格,分为等面积的2 500个小格,通过数出沉浆的格子数,进而计算沉浆面积率。

1.2 现浇绿化混凝土河岸保护工程仿真试验设计

针对边坡防护对生态效应与可靠性的需求,仿照真实河岸土壤和植被环境,开展模拟降雨冲刷试验和高速水流冲刷试验。现浇绿化混凝土在河两岸构建生态沟渠,生态护坡剖面图见图4。

图4 某地混凝土生态护坡工程示意图

图4为江苏省某市建立的生态护坡工程,总长度约200m,左岸高度1 350～1 700mm,右岸高度变化较大,为200～1 250mm,生态边坡面斜度约1:1.15。由于坡度较陡,部分护坡区域为草皮防护,坡度较缓的区域则是黑麦草、早熟禾和高羊茅的混播植被。为了仿照真实的河岸环境,从河岸提取土壤和草种后,对其进行种植和养护管理,并观察植物生长情况以进行对比试验。参考现浇绿化混凝土制备工艺,制备试验用样品,其制作流程见图5。

图5 现浇绿化混凝土试验样品制备

制备好现浇绿化混凝土试验样品后,进行降雨冲刷试验,测试现浇绿化混凝土抵挡坡面径流的能力。从试验地获取现存土壤植被,将其移植到实验室养护3个月后,对坡面成型情况进行测定;测量结果符合预期后,使用自制降雨喷洒装置,开展降雨冲刷仿真试验。自制降雨喷洒装置是采用塑料导管连接的雾化喷头组合。按照实验地的气候和常见降雨强度设计进行仿真冲刷试验后,记录坡面径流侵蚀度,记录在冲刷开始后坡面径流产生的时间和坡面冲刷沟的深度与数量。并在坡面侵蚀稳定后,测量径流流速,使用坡面底部的集水盒收集雨水混合物。

对集水盒分类标号后,测量其重量,静置12h后,去除上层较为清澈的水后,将集水盒放入烘箱进行烘干操作,之后称重残余泥沙并进行记录。为了观察现浇绿化混凝土在实际河岸防护的水环境中与水文环境接触的变化,开展高速水流冲刷试验。试验使用常见的可调档式高压水枪作为试验工具,主体结构分为水枪、电机、泵水口。试验过程见图6。

图6 冲刷试验流程

由图6可知,对试块进行植生表孔切割前,对现浇绿化混凝土表面绿植高度、叶片生长情况、茎脉直径等数据进行测量,进行数据记录;根据施工植生表孔位置记录进行切割,划分为有植生表孔区域与无植生表孔区域;切割作业完成后,检测有孔区域植被覆盖率,之后估计并评价无孔区域植被覆盖率。将试块放置于试验装置内,使用冲刷水流对试件表面进行全方位冲刷,并记录表面种植土、植被和试块的冲刷试验变化;冲刷完成后,检测并记录植被根茎、叶片生长状态、破损率和植被保有率。

2 现浇绿化混凝土的性能测试与应用结果分析

2.1 现浇绿化混凝土的性能测试分析

研究首先在室内进行现浇绿化混凝土的性能测试。以边坡坡度为主要关注因素设计边坡模具,仿照其实际制备方法,进行现浇绿化混凝土浇筑。根据方法所述,确定灰骨比为0.18,期望孔隙率为27%,减水剂占比为0.2%。将所有骨料、水泥、水和专用外加剂一次性投入搅拌机,搅拌6～10min,制备现浇绿化混凝土,出料的现浇绿化混凝土不产生流浆、表面光滑且呈现金属光泽。成型采用“插捣+拍打”的方式,将出料分3层装入试验模具,每层浇筑均为3cm,浇筑后以铁棒“插捣+拍打”的方式进行压制,最后在表面用骨料进行孔隙填充,刮平表面[9]。养护则采用模拟边岸环境的水箱养护方式,进行28天养护后,开展性能测试[10]。为了保证测试结果的精确性,制备3组样品进行对比试验。抗压强度、孔隙率、沉积面积和pH值性能测试结果见表1。

表1 样品抗压强度、孔隙率、沉积面积和pH值结果

由表1可知,3组现浇绿化混凝土抗压强度最高8.1MPa,最低6.4MPa,抗压强度平均值7.2MPa,满足抗压指标要求。绿化混凝土孔隙率测试结果保持在25%～35%之间,最大孔隙率29.6%,最低孔隙率25.2%,平均孔隙率26.9%,适宜植物生长,满足设计标准。pH值试验发现,3组部件pH最小值9.4,最大值9.6,在9.5的pH值范围内,上下浮动小于0.2,满足现浇绿化混凝土pH值设计指标。3组部件沉浆面积率最高2.30%,最低1.60%,平均值1.93%,均满足5%以下的设计指标。

2.2 现浇绿化混凝土应用结果分析

以某项目为例,对现浇绿化混凝土进行仿真实测研究。抽取试验地土壤进行土壤和植被养护,并进行水流冲刷和降雨强度仿真试验分析。工程项目位于江苏省某地,属东亚季风气候区,具有亚热带和暖温带气候的特点,冬冷夏热,降水集中在夏季。土壤类型主要为黏土,符合研究预期。护坡植被以高羊茅为主,具有强酸碱耐性,可在4.7～9.5的pH值中生长,根系发达且耐践踏,生长速度较快。获取试验地土壤后,使用保水剂保持土壤表面水分;在开始试验前进行降雨量调查,选择3.2、4.8、6.4L/min作为试验降雨强度,并在试验部件上制造植生表孔,根据现浇绿化混凝土浇筑厚度决定参数:A孔为4.5cm孔深,2.5cm孔径,2.8cm孔间距;B孔为4cm孔深,1.0cm孔径,3.5cm孔间距,孔径和孔间距的参数选取代表单位面积内的表孔大小。降雨强度对径流侵蚀的影响见图7。

图7 降雨强度对径流侵蚀的测试结果图

图7(a)、图7(b)分别为A孔和B孔的径流侵蚀量测试结果,坡度比为1:2.0、1:1.5、1:1.0。可以看出,现浇绿化混凝土径流侵蚀量随着降雨强度的增加呈明显增加趋势,同时随着坡度比的降低,径流侵蚀量呈上升趋势。在此基础上,进行不同坡度下降雨动力学参数测验,计算不同坡度下弗劳德数Fr,结果见表2。

表2 弗劳德数Fr测试结果

由表2可知,降雨强度越大,Fr值越越大。同时也可以看出,在坡度较大时,表孔参数及降雨强度对Fr值影响较小;当降雨强度达到6.4L/min时,表孔参数对弗劳德数影响较大。得出以上结果后,比较铺筑厚度对径流侵蚀的影响,选择进行试验的铺筑厚度分别为6、10、15cm。结果见图8。

图8 现浇绿化混凝土护坡径流侵蚀量和铺筑厚度

由图8可以看出,现浇绿化混凝土护坡径流侵蚀量和铺筑厚度的关系并不明显,而保持坡度、降水量等参数不变时,表孔系数对径流侵蚀量的影响更为明显,B孔相较于A孔的径流侵蚀量均更高。为了探究植物根系在绿化混凝土内部的生长情况,测试现浇绿化混凝土结构、植物根系对水流冲刷的抵抗能力,开展高速水流冲刷试验,并在开始试验前记录植生情况,结果见表3。

表3 水流冲刷试验结果

由表3可知,开孔试件的植被覆盖率较高,是由于植生孔洞为植被生长提供富余空间,利于其存储水与营养物质,使植物可以更快地穿过现浇绿化混凝土,抵达下部土壤发展根系。

以表面孔隙参数A作为开孔隙的试样,其植被覆盖率较以表面孔隙参数B作为开孔隙的试样稍高一些。结果表明,试验样品经高速水流冲刷后,其表层土基本被冲净,植物生长良好,且全部粘附于其表层。通过对不同试样的快速冲刷试验发现,不同试样下,草木与现浇绿化混凝土结合效果均较好,而且6和10cm的试样对草木的生长和根系发育均比15cm的好。因此,采用6和10cm两种不同的铺筑厚度进行现浇绿化混凝土护坡,有利于保护环境,且施工速度较快。

3 结 论

现浇绿化混凝土部件的性能测试表明,试件抗压强度平均值为7.2MPa,平均孔隙率为26.9%,pH保持在9.5左右,沉浆面积率平均值为1.93%,测试结果满足工程设计指标要求。在此基础上,进行降雨和冲刷仿真试验。结果表明,随着降雨强度的增大,现浇绿化混凝土径流侵蚀量明显增加;随着坡度比的降低,径流侵蚀量呈上升趋势。当降雨强度达到6.4L/min时,表孔参数对弗劳德数影响较大。在开孔的试件中,植被覆盖率均比没有开孔的试件要高,厚6cm的现浇绿化混凝土可通过的根系长度约为厚10cm的1.5倍。因此,采用6和10 cm两种不同的铺筑厚度进行现浇绿化混凝土护坡,有利于保护环境,且施工速度较快。