河渠邊坡植生型多孔混凝土防護技術的研究及應用

宋文杰 何香建 劉 軍

（湖南省水利水電科學研究院 長沙市 410007）

當前河渠邊坡防護技術存在的主要問題有：生態綠化效果差、強度低以及抗沖刷能力差等缺點。因此，突破傳統護坡材料的范圍局限，研究具有結構防護、水土保持、植被恢復及減少生態災害等特點的生態護坡材料必將成為發展方向之一。本文所研究的植生型多孔混凝土為生態混凝土的一個類別，是一種將工程防護和植被防護有機結合起來，并在工程應用中能夠兼顧生態環境與工程規范要求的新型護坡材料。

1995年日本混凝土工學協會基于植生試驗的成功，提出了生態混凝土的概念，并專門設立了“生態混凝土研究委員會”，開展植生型多孔生態混凝土的應用研究。目前日本將植生型多孔混凝土技術運用于數百個工程實例中[1～3]，主要包括構筑堤壩、河岸、公路邊坡等，均取得良好的效果。歐美國家在植生混凝土方面的研究比日本起步晚，目前歐美的大多數工程應用均引進日本的先進技術[4]。目前我國對植生型多孔混凝土的研究還處在起步階段，研究重點主要圍繞多孔混凝土或無砂混凝土開展，將多孔混凝土與植生相結合的研究比較少，在植生型多孔混凝土領域的研究還處于起步階段。

1 植生型多孔混凝土的概念

植生型多孔混凝土也稱生態混凝土或綠化混凝土。它是以多孔混凝土作為基本骨架，將種植基材充填入多孔混凝土的連通孔隙中，并覆蓋混凝土表面，將植物種子混合在表層的種植基材中，經過一段時間的養護與管理后，植物萌發生長，根系在多孔混凝土孔隙中生長并穿過混凝土達到坡面土體中，形成具有一定強度和植被覆蓋率的環境友好型護坡材料[5～6]。

植生型多孔混凝土主要由以下幾部分組成[7～10]：作為主體的植被，承載被面、被床（多孔混凝土）、床絮和床基。其中被面為混凝土表面的一層栽培介質（10～25）mm，由種植基材、緩釋肥料、保水材料、固化劑、水與植物種子等按照一定比例拌合而成，為植物種子萌芽生長的初始環境。床絮是多孔混凝土孔隙中的填充物，由種植基材、緩釋肥料、保水材料、減水劑與水等按照一定比例拌合而成，利于幼苗根須生長直至床基。床基是混凝土底下適于植物長期生長的土壤，需要厚度約300 mm以上，為了使植物根系能長期生長，可預先加入適量的緩釋肥料。植生型多孔混凝土的結構如圖1所示。

圖1 植生型多孔混凝土結構示意圖

2 植生型多孔混凝土的制備試驗

2.1 試驗原材料

（1）水泥。P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

（2）粗集料。 粒徑為（20～30）mm單級配碎石。

（3）礦物摻合料。高爐礦渣，比表面積410 m2/kg，密度 2.86 g/cm3。

（4）化學添加劑。萘系高效減水劑，粉劑，主要成分β-萘磺酸亞甲基高聚物，減水率可達20%以上。

（5）拌合水。采用普通自來水。

2.2 配合比設計

（1）最佳水灰比。

本文通過大量的多孔混凝土拌合和成型試驗發現，當膠結材料的水灰（膠）比控制在（0.24～0.30）范圍內，對應的凈漿流動度控制在（170～190）mm范圍內時，混凝土拌合物粘結性好，表面有金屬光澤，屬于最佳狀態。因此將膠結材料凈漿流動度范圍（170～190）mm 作為控制指標。

（2）配合比計算方法。

本文參考眾多文獻，發現目前使用最多的多孔混凝土配合比設計方法是“體積法”。“體積法”的原理是假定多孔混凝土體積=粗集料體積+膠結材料體積+目標孔隙體積。膠結材料將緊密堆積的粗集料均勻地包裹粘結在一起，凝固硬化后形成了多孔堆聚的結構，其剩余的空隙構成了混凝土內部連通的孔隙。

按照上述方法，計算出不同目標孔隙率、不同膠結材料及不同水灰比時，1 m3多孔混凝土所需材料的用量，結果見表1。

2.3 制備工藝

由于多孔混凝土的組成材料和結構形式與普通混凝土區別較大，因此其具有特殊的攪拌、成型及養護等工藝。

（1）攪拌工序。

通過攪拌試驗發現，采用“裹漿法”[11～13]攪拌工序拌和的多孔混凝土（見圖2）粘結性好，新拌混凝土表面有金屬光澤，水泥漿體能均勻地包裹住粗集料，并形成一定厚度的包裹層，有利于提高多孔混凝土的連通孔隙率和強度。

表1 多孔混凝土設計配合比

圖2 “裹漿法”攪拌工序

（2）試件成型。

采用插搗密實的方法，分三層依次裝入模具進行插搗密實，每層插搗20次，最后在試件表面施加（0.2～0.3）MPa的壓力壓制成型，所得多孔混凝土試件密實度高，漿體能充分包裹骨料，成孔效果好。

（3）試件養護。

采用標準養護室養護的方法，試件成型后，連同模具一并放入標養室，成型48 h后，脫模繼續常規養護至指定齡期，適時也可放入水中養護。

2.4 試驗結果及分析

由表2可知：①多孔混凝土的強度隨著目標孔隙率的增大而不斷降低，加入化學添加劑和礦物摻合料有助于提高多孔混凝土的抗壓強度；②多孔混凝土的抗壓強度隨礦渣摻合比的增加呈先升高后降低的趨勢。這是由于摻入適量礦渣時，水泥水化產物與礦渣能充分進行二次水化反應，提高了多孔混凝土的密實性和抗壓強度；反之，摻合比過大時，由于礦渣的活性比水泥低而降低了膠結材料的整體活性，不利于水泥及二次水化反應的進行，使多孔混凝土的密實性和抗壓強度降低。因此，在多孔混凝土中摻入適量的礦渣，不僅可以節約水泥用量，而且能夠提高多孔混凝土的強度和降低孔隙內的堿度。

表2 多孔混凝土性能測試成果

3 工程實例應用

2016年5月，受新寧縣水利局委托，湖南省水科院對《新寧縣2015年橫溪河流域坡耕地水土流失綜合治理工程》中的一條排水渠道進行了植生型多孔混凝土護坡方案設計，并派技術人員到現場指導施工?，F場通過大量的多孔混凝土試拌試驗，確定了最佳水灰比，并采用“體積法”計算得出了多孔混凝土的配合比，按照該配合比制備的多孔混凝土護坡28 d抗壓強度應達到10.6 MPa，孔隙率達到27.4%，滿足設計要求。由于采取了良好的養護和管理措施，一個月時，大部分種子都能正常的發芽，幼苗發育良好，葉片飽滿呈鮮綠色。兩個月時，植被生長茂盛，植株高度達到（20~30）cm，完全覆蓋植生型多孔混凝土護坡的表面，達到了預期的綠化效果。植物生長兩個月后，根系便能穿過多孔混凝土扎根于邊坡表層土壤中，并在邊坡土體中繼續發展，這對邊坡坡面的水土保持和強度的提高非常有利。具體施工工藝和實施效果如圖3所示。

圖3 現場施工工序及實施效果圖

4 結語

植生型多孔混凝土在生態效益上具有普通混凝土無法比擬的優勢，在未來河渠生態治理工程中，不但可作為一種植生型護坡材料使用，其自身的孔隙結構能夠實現岸水之間的親水交換，具有良好的凈化水質的功能。并且其還有降低噪音，減少粉塵的作用，在城鎮周邊的河渠生態治理工程中應用，可以改善人們的生活環境。所以，對植生型多孔混凝土的研究及在水利工程中的應用對推動生態水利的發展具有積極的意義。

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