多孔生態混凝土在農田排水溝渠護砌中的應用研究

王 君

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

作為一個農業大國，我國每年都會使用大量的化肥以保證糧食產量，由于化肥利用率低下，造成大量未利用的營養物質富集在農田尾水中，造成水體富營養化[1- 3]。傳統土質溝渠雖然可以起到一定的凈化作用，但是抗水力和降雨侵蝕能力差，易出現溝渠邊坡坍塌現象，而硬質混凝土可以提升溝渠抗侵蝕能力，但很難生長植物，無法對水質進行凈化，因而有必要設計一種既能提升溝渠邊坡抗侵蝕能力、又具有植生性質的混凝土[4- 6]。近些年來，我國的基礎設施建設取得了跨越式發展，但是大量的建筑廢棄垃圾占用了大量的土地資源，建筑再生粗骨料不僅具有一定強度，還具有良好透水性，如果能將建筑廢棄垃圾應用到農田生態溝渠建設中，將取得很好的生態和經濟效益[7- 9]。

本文利用建筑廢棄粗骨料、粉煤灰、水泥、減水劑、乙酸等配制了一種多孔生態混凝土，以期為農田水利生態溝渠襯砌設計提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

主要原材料包括P.O42.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、再生粗骨料、減水劑和自來水等。水泥的密度為3120kg/m3，比表面積為385m2/kg，平均燒失量為4.1%，初凝和終凝時間分別為180和240min，28d抗折強度為7.5MPa，28d抗壓強度為52MPa。粉煤灰為Ⅰ級，密度為2600kg/m3，平均燒失量2.3%。再生粗骨料取自建筑廢棄混凝土，通過破碎、除雜、篩分、清洗得到，骨料主要粒徑范圍為10～25mm，表觀密度為2505kg/m3，堆積密度為1340kg/m3，孔隙率為46.7%，吸水率為5%，壓碎指標為11.6%，級配曲線如圖1所示。減水劑采用萘系高效減水劑FDN-C，減水率為10%。

圖1 再生粗骨料級配曲線

1.2 配合比方案設計

主要探討水灰比、目標孔隙率和粉煤灰摻量對多孔生態混凝土力學性能的影響，試驗分為2組：第一組為不摻入粉煤灰試驗組，水灰比取值為0.2、0.25、0.3、0.35和0.4，目標孔隙率的取值為25%、28%和31%；第二組為摻入粉煤灰試驗組，粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%、40%，水灰比取值為0.3，目標孔隙率取值為28%。減水劑用量均為水泥用量的1%。

1.3 混凝土制備

攪拌工藝：采用“裹漿”攪拌法，先摻入1/3的再生骨料+水泥+外摻料，強制攪拌15s，接著倒入1/2的水+減水劑，強制攪拌30s，然后再取1/3的再生骨料+水泥+外摻料和1/4的水+減水劑倒入，強制攪拌30s；最后將剩余的再生骨料+水泥+外摻料+水+減水劑倒入，強制攪拌60s。

成型工藝：分為振搗和壓實2個階段。首先將新拌多孔生態混凝土分為3層裝入混凝土模具中，每填裝一層后需要使用振搗棒對混凝土進行振搗12次(振搗深度為1/3模具高)，振搗完成后用壓實裝備(壓實力>5MPa)在混凝土表面靜壓5s，直至3層混凝土填裝完畢。

養護工藝：新拌多孔生態混凝土裝入模具后24h開始拆模，然后放到標準養護箱中進行養護，標準養護箱的溫度控制在20±2℃，濕度控制在95%±1%，在養護過程中需用保鮮膜將混凝土包裹，以防止水分流失，同時每隔一段時間對混凝土試件表面進行噴水處理，以達到濕養的目的。

2 試驗結果分析

2.1 水灰比和目標孔隙率對強度的影響

多孔生態混凝土抗壓強度隨水灰比的變化特征如圖2所示。

圖2 強度隨水灰比的變化特征

由圖2可知，隨著水灰比的增大，多孔生態混凝土的抗壓強度均呈先增大后減小的變化特征，當水灰比為0.3時，混凝土的抗壓強度達到最大值，水灰比過小，水泥的水化反應不充分，水灰比過大，水泥量不足，也會導致混凝土的水化反應量不足，無法在試件內部形成膠凝結構，因而存在一個最佳水灰比。在最佳水灰比下，目標孔隙率越大，多孔生態混凝土的強度值越小，其中當目標空隙率為25%、28%和31%時，7d抗壓強度分別為16.82、13.82和5.64MPa，28d抗壓強度分別為23.08、16.96和7.88MPa，目標孔隙率增加6%，強度降幅均達到了65%以上，這是因為目標孔隙率增大，多孔生態混凝土的水泥使用量就會減少，由于再生粗骨料的使用量是不變的，因此包裹在粗骨料周圍的水化膠凝產物就會減少，從而在骨料之間形成薄弱的黏結界面，導致強度降低；當目標孔隙率增大至31%后，水灰比對多孔生態混凝土強度的影響就會迅速減小，此時目標孔隙率是影響強度的主要因素。

2.2 水灰比和目標孔隙率對透水系數的影響

多孔生態混凝土透水系數隨水灰比的變化特征如圖3所示。

圖3 透水系數隨水灰比的變化特征

由圖3可知，相同目標孔隙率下，隨著水灰比的增大，多孔生態混凝土透水系數有逐漸增大的變化趨勢，但增幅并不是很明顯，25%、28%、31%目標孔隙率下，當水灰比從0.2增大至0.4時，透水系數僅增大了10.5%、6.6%和8%；相同水灰比下，目標孔隙率越大，透水系數越大；目標孔隙率對多孔生態混凝土透水系數的影響明顯大于水灰比。

2.3 水灰比和目標孔隙率對實測孔隙率的影響

多孔生態混凝土實測孔隙率與目標孔隙率關系如圖4所示。

圖4 實測孔隙率與目標孔隙率關系(單位：%)

由圖4可知，相同目標孔隙率下，不同水灰比的實測孔隙率相差不大，目標孔隙率值與實測孔隙率比較接近；相同水灰比下，目標孔隙率越大，實測孔隙率也越大，這說明本文以目標空隙率對多孔生態混凝土進行配合比設計是合理有效可行的。

2.4 粉煤灰摻量對強度的影響

多孔生態混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化關系如圖5所示。

圖5 抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化特征

由圖5可知，當水灰比為0.3，目標孔隙率為28%時，混凝土隨粉煤灰摻量呈先增大后減小的變化特征，當粉煤灰摻量為0～20%時，強度隨粉煤灰摻量增大而增大，但強度提升幅度不是很明顯；當粉煤灰摻量為20%～40%時，混凝土的強度快速減小。因此，當粉煤灰摻量為20%時，對多孔生態混凝土的強度最為有利，這是因為當摻入一定量粉煤灰時，粉煤灰具有的火山灰效應可以促進二次水化反應，使得時間內部生成更多的C-S-H凝膠，骨料之間的膠結界面得到很好改善，但是當粉煤灰摻量過大時，水泥的用量不足，導致初期水化反應不足，因而反而不利于強度的提升。

2.5 粉煤灰摻量對實測孔隙率和透水系數的影響

多孔生態混凝土實測孔隙率、透水系數隨粉煤灰摻量的變化關系如圖6所示。

圖6 實測孔隙率、透水系數隨粉煤灰摻量的變化特征

由圖6可知，實測孔隙率和透水系數均隨粉煤灰摻量的增大而逐漸減小，當粉煤灰摻量增大至40%后，實測孔隙率降低2.85%，透水系數降低2.87mm/s，降幅分別為10.6%和21.7%，特別是當粉煤灰摻量達到30%以后，透水系數將有一個較大幅度的降低。

3 降堿處理和植生選擇

為了使多孔生態混凝土既能保持較高的強度特性，同時又要具有較高的透水性能，通過多項參數的對比，最終決定的最佳配合比為：水灰比0.3，目標空隙率28%，粉煤灰摻量為20%。但是在該配合比下，仍存在一個明顯的問題，那就是pH值較高(pH值達到12～13)，不適用植物的生長，因此還需要在最佳配合比下對其進行降堿處理，為了對混凝土的堿性進行中和，在拌制多孔生態混凝土時，摻入10%用水量的乙酸(濃度99%)，通過該方法處理后，混凝土的堿度降低至9以下，適合多種植物的生長要求。

新疆地區屬于季凍區，冬季氣溫很低，因此本文選擇高羊茅草這一喜寒冷潮濕的植物作為種植草，并將新疆當地的土壤、有機肥、粉煤灰、減水劑和水按照48∶1∶10∶1∶40的比例進行拌合，作為高羊茅草的植生基材灌入多孔生態混凝土的孔隙內部，然后觀察高羊茅草的長勢，結果如圖7所示。

圖7 高羊茅草長勢統計情況

由圖7可知，高羊茅草在植生系統下，7d開始發芽，28d后根系長度可達10cm，植株高度可達30cm，長勢非常旺盛。

4 結語

利用建筑廢棄粗骨料、粉煤灰、水泥、減水劑、乙酸等配制了一種多孔生態混凝土，得出如下結論。

(1)目標孔隙率對強度、透水性的影響大于水灰比，當水灰比為0.3時，強度達到最大值。

(2)強度隨著粉煤灰摻量增加呈先增大后減小的變化特征，當粉煤灰摻量為20%時，強度達到最大值；實測孔隙率和透水系數隨粉煤灰摻量增加而逐漸減小。

(3)最佳配合比方案為：水灰比0.3，目標空隙率28%，粉煤灰摻量為20%，在拌制過程中，還需摻入10%用水量的乙酸進行化學降堿。

(4)本文僅對高羊茅草在多孔生態混凝土中的長勢進行了研究，未對其水質凈化效果進行分析，今后需做進一步補充研究。