生態透水混凝土鉸接塊的研發與示范

張守杰,蘇安雙,鐘 華,李兆宇

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

生態透水混凝土又稱多孔混凝土或無砂混凝土，由粗骨料、水泥和水拌合而成，粗骨料表面包裹一層水泥漿相互黏結形成多孔、輕質的結構。一般認為，透水混凝土起源于1852年的英國，當時是由于某工程項目原材料不足引發了相關人士的創新發明。而直到20世紀60年代，美國才開始系統性地研究透水混凝土。1963年，美國首先發表了透水混凝土配合比設計方法[1]，1979年，首次使用該混凝土建成具透水能力的停車場，并由此申請獲得透水混凝土發明專利[2]。20世紀90年代，日本開始研究透水混凝土在生態方面的應用，以透水混凝土作為骨架，在內部填充保水性材料，表面種植物，以加固、綠化道路邊坡、河堤護岸[3]。美國瀝青路面協會頒布了透水瀝青混凝土的設計方法，設計、建造和維護級配瀝青混凝土道路[4]。透水水泥混凝土的使用和設計方法可參見美國波特蘭水泥協會頒布的基于水文學的透水水泥混凝土設計手冊[5]。透水瀝青混凝土的使用和設計方法參見美國瀝青路面協會NAPA頒布的透水瀝青混凝土路面手冊[6]。1995年Nader Ghafoori闡述了不含細骨料混凝土的概要，討論了透水混凝土作為鋪路材料的應用[7]。1995年，日本混凝土工學協會提出生態混凝土概念并成立相關研究委員會[8]。相比普通混凝土，我國對于透水混凝土系統性的研究還比較匱乏。同時，透水混凝土的抗凍性能較差，難以在寒區凍融環境條件下長期穩定服役。

鉸鏈式護坡是近幾年發展起來的一種通過工廠化預制混凝土板塊，現場快速拼裝而成的柔性混凝土護坡型式，既具有傳統剛性護坡系統的防沖刷、穩定的優點，還具有良好的適應基土變形的能力。由于鉸鏈式護坡對變形適應能力強，可以減少由于遇到不良土質、沉陷、膨脹土、堤防塌陷、結冰隆起等引起的破壞[9-11]。

在實際應用中，鉸鏈式混凝土護坡是由一組尺寸、形狀和重量一致的混凝土砌塊用繩索鉸鏈成的連鎖型結構[12-13]。為了減輕現場起吊安裝重量和植草，所采用的混凝土預制塊多為中間空洞、邊角形狀復雜的塊型，在現場安裝與吊裝時很容易破碎。同時，工廠化預制生產時需要帶模具養護，不利于提高生產效率，因而有待進一步技術改進。

黑龍江省水利科學研究院針對透水混凝土寒區應用及鉸接式護坡技術升級開展大量科研試驗工作，研發出生態透水混凝土鉸接塊。該產品通過高強多孔設計，使鉸接塊在無薄壁結構條件下降低自重，從而減少運輸、吊裝過程中的破損；通過材料配方優化與漿體黏稠度調控，實現了透水混凝土塊體的壓制成型和快速脫模，顯著節約模具費用和提高生產效率；基于漿體超高強化設計與多孔連通構造，解決了寒區應用透水混凝土的技術瓶頸；通過配方及養護工藝優化，大幅降低水化產物pH值，同時利用生態透水混凝土的連通多孔特點，實現植被在塊體上種植、生長。

1 強 度

生態透水混凝土鉸接塊的強度見圖1及圖2。隨著透水混凝土的孔隙率增長，抗壓強度和劈裂抗拉強度不斷降低。根據美國高速公路局研究成果，高抗凍性透水混凝土的強度需達到20 MPa左右，初步確定18%和20%空隙率的兩個透水配合比。在其他條件均相同的情況下，摻入10%天然砂的兩個配合比混凝土抗壓強度最高，分別達到24.4 MPa和29.1 MPa。

2 透水性能

如圖3所示，透水性能測試采用自制儀器設備，按如下步驟進行：

(1) 將混凝土試件放入一個內部尺寸為100 mm×100 mm的方形有機玻璃筒體中，并通過玻璃膠將有機玻璃筒與混凝土試件接觸表面粘結密封好。

(2) 待玻璃膠涼干之后，將有機玻璃筒體中裝入自來水。

圖1 空隙率對強度影響作用

圖2 摻加天然砂對強度影響作用

(3) 用秒表記錄時間，當有機玻璃筒中水液面距試件上表面160 mm起計時，直至0 mm為止。

混凝土透水系數計算公式如下：

V=H/t

(1)

式中：V為透水系數，mm/s；H為水位下降高度，160 mm；t為水位從160 mm高度降至0的時間，s。

圖3 透水性測試裝置及混凝土試塊透水性照片

透水性能試驗結果見圖4，隨著空隙率提高，滲透系數不斷增長，滲透系數變化范圍為0.6～1.0 cm/s。

圖4 空隙率及摻砂對滲透系數影響作用

3 抗凍性能

生態透水混凝土鉸接塊的抗凍性參考美國試驗方法和我國國家標準，采用100 mm立方體試件，通過測試不同凍融循環次數之后的質量損失率進行評價?？箖鰳颂栆再|量損失率不超過5%時所達到的最多凍融循環次數為準。

圖5 不同凍融循環下質量損失率

試驗結果見圖5。結果表明，隨著凍融次數的增加，各試件的質量損失率逐漸增大，50次凍融循環的質量損失為0.5%～1.2%，200次凍融循環質量損失為2.5%～3.8%。相同凍融次數后，質量損失率隨著設計空洞率降低和摻砂量增加而略有降低趨勢。經過200次凍融循環之后，各配合比混凝土的質量損失率均在4.0%以下。經過300次凍融循環之后，當摻加5%～10%砂之后，兩種孔隙率混凝土的質量損失率均小于5%。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對混凝土抗凍等級的評定方法，各配合比透水混凝土的抗凍等級均達到F200以上。在最佳配合比條件下，透水混凝土的抗凍耐久性達到F300的要求，可以用于嚴寒地區水利工程的邊坡防護。

4 宜生性

生態透水混凝土鉸接塊的宜生性采用鉸接塊浸泡水pH值測試和植物生長試驗的方法確定。其中，鉸接塊浸泡水pH值檢測試驗是將鉸接塊放置于0.07 m3的水槽中，測試鉸接塊浸泡水pH值隨時間的變化規律。試驗周期約為5周，結果見圖6。植物生長試驗是在透水鉸接塊上覆土，撒草籽，觀測鉸接塊上草種的生長情況。植物生長情況見圖7。

圖6 鉸接塊浸泡水pH值

圖7 生態透水混凝土鉸接塊護坡上植物生長情況

鉸接塊浸泡水pH值檢測試驗結果表明，鉸接塊浸泡水的pH值初期增長迅速，第25天開始，pH穩定在9，不再變化，pH值變化范圍為7～9。這說明鉸接塊初期堿性析出較多，25 d后不再析出堿性物質?？紤]到試驗過程中水的體積較小，僅0.07 m3，按體積百分比計算，透水混凝土鉸接塊相較于普通混凝土來說優勢顯著。實際工程應用中，護坡結構處于流動水體中，其pH值還會進一步降低。

圖7結果表明，透水混凝土鉸接塊上植物長勢良好，說明透水混凝土鉸接塊可以為植物生長創造適宜的條件。

5 現場施工技術

5.1 現場運輸、吊裝

拼裝好的鉸接塊預制單元靜置養護48 h后，使用吊車采用平吊法將其吊裝至運輸車輛上，運至工程現場。再用平吊法將預制單元吊裝至鋪設位置。平吊法一次可吊裝3～4片預制單元。為避免超重拉斷纜繩，直徑10 mm的纜繩一次吊裝總重量不宜超過4 t。鉸接塊預制單元吊裝施工照片見圖8。

5.2 現場鋪裝

鉸接塊預制塊單元采用人工鋪設法施工。具體步驟如下：

(1) 挖掘機將預制單元吊至施工坡面。

(2) 人工輔助安裝，通過調節護坡單元間的相對位置，將預制單元擺放到鋪設位置，使預制單元間的縫隙最小化。

(3) 按設計要求用聚乙烯繩將相鄰的預制單元綁扎連接牢固。

透水混凝土鉸接塊護坡現場鋪裝照片見圖9。

圖8 鉸接塊預制單元吊裝施工照片

圖9 鉸接塊護坡現場安裝施工照片

5.3 鉸接塊預制單元的連接

相鄰2個鉸接塊預制單元之間的連接有2種連接方式，即綁扎連接法和錨桿固定法。其中，綁扎連接法用直徑10 mm聚乙烯繩進行綁扎連接，每間隔50 cm綁扎一道，將多個預制單元連接成整體的柔性護坡矩陣。綁扎連接方式見圖10。錨桿固定法是將錨桿在相鄰預制單元4個邊的中點處插入土體，通過錨桿端部的圓環固定相鄰預制單元端部的纜繩，使各預制單元形成一整體，錨桿間距為100 cm。錨桿固定方式見圖11。

圖10 鉸接塊預制單元綁扎連接方式示意圖

(a)

(b)固定方式大樣圖圖11 鉸接塊預制單元錨桿固定方式示意圖

6 工程推廣與應用

2016年08月—09月，生態透水混凝土鉸接塊成功應用于牡丹江市江心島生態防護與景觀工程。工程完工后，隨即江心島周圍開始蓄水，生態護坡近1/2部分處于江水長期浸泡環境條件下，經歷冬季冰推凍脹、冬春冰雪凍融、春季凍土融沉等一系列劣化作用后，生態護坡保持整體穩定。工程照片見圖12。

(a)2016年09月

(b)2017年04月

(c)2018年05月圖12 牡丹江江心島生態防護與景觀工程

2017年11月—12月，生態透水混凝土鉸接塊成功應用于北引紅旗干渠水毀修復工程渠道襯砌。在渠道地下水位高、邊坡土體含水率高、土體凍脹性強的不利工況下，生態透水混凝土鉸接塊襯砌經過凍融后仍保持穩定。工程照片見圖13。

(a)2017年12月

(b)2018年05月圖13 北引紅旗干渠水毀修復工程渠道襯砌

7 結 論

(1)經優化設計，生態透水混凝土強度等級可達C25～C30，滲透系數為0.6～1.0 cm/s，抗凍性可達F300以上。

(2)生態透水混凝土堿性水化產物析出較普通混凝土明顯減少，鉸接塊上植物長勢良好。

(3)生態透水混凝土鉸接塊成功應用于牡丹江市江心島生態防護及北引紅旗干渠渠道襯砌工程，在不利服役工況下，經歷凍融循環仍保持穩定。