現澆綠化混凝土的性能及其在生態護岸中的應用研究

余 旭

(江蘇昌源水利工程咨詢有限公司,江蘇 靖江 214500)

0 引 言

混凝土材料作為傳統邊坡防護中普遍使用的材料,受到應用領域的關注,多個學科嘗試將其與生態保護結合研究[1-3]。傳統的混凝土坡面防護強調坡面結構的穩定性,普遍使用不透水材料覆蓋坡面,如漿砌片石、現澆混凝土等。不透水材料會隔絕空氣,使坡下土壤與外界隔絕,破壞坡下環境的生態平衡。同時,由于澆筑混凝土普遍呈堿性,影響周圍植物生長,不利于生態保護。

邊坡防護的一個重要方面就是坡面防護。在近水環境,河岸長期遭受波浪沖刷,隨著植物坡面被沖毀、沖走,植被對土壤固化作用消失,水土流水、河堤積淤嚴重。同時,近水環境也易受強降雨天氣的影響,形成山體滑坡,產生邊坡侵蝕空洞。因此,在邊岸坡面防護中,需要重視多水環境帶來的影響。

現澆綠色混凝土是一種在施工現場攪拌和澆筑而成的多孔硬質混凝土,具有植生表孔,具備高孔隙率,有利于表層土壤中的生物群體與底層土壤的物質交換,可有效保護生物多樣性,利于環境保護。鑒于此,本文以多水環境為背景,分析現澆綠化混凝土在該環境的性能表現,探究其在生態護岸中的應用。

1 現澆綠化混凝土性能測試方案和應用設計

1.1 現澆綠化混凝土性能測試方案設計

現澆綠化混凝土是一種由骨料、水泥和外加劑組成,在施工現場混合澆筑的多孔干硬性混凝土,其本質是綠化混凝土通過改進施工工藝制備而成[4]。制備流程見圖1。

由圖1可知,現澆綠化混凝土制備工藝主要由混凝土澆筑、機械振搗密實、混凝土找平壓光、混凝土養護和成品保護構成,每個環節都會影響到最終性能,制備不當,極易造成孔隙堵塞、強度降低,影響試驗結果的準確性。骨料是現澆綠化混凝土的支撐性框架,骨料配比、含泥量、粒徑形態、壓碎指標等與混凝土后期的力學性能、透水性能、耐用性能等參數密切相關,也是影響混凝土工作性能的主要因素?；炷脸Ｓ盟酁椤锻ㄓ霉杷猁}水泥》(GB 175-2007)規定的六大類水泥[5]。外加劑的主要作用是調節混凝土pH值,以提供植物生長所必須的pH環境,同時可通過調整外加劑配比,增加植物生長所需的營養成分,促進植物生長。

對現澆綠化混凝土進行性能測試時,首先需要考慮現澆綠化混凝土的配合比,配合比不僅影響混凝土強度,還影響其孔隙率。為了給邊岸植物生長提供所需空間,需要保證強度和孔隙率的平衡,孔隙率過低強度就會降低,不利于邊坡防護;孔隙率過高,又不利于空氣流通。因此,現澆綠化混凝土配合比設計至關重要,參照《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T 135-2009)的規定,研究采用絕對體積法進行混凝土配合比設計[6],公式如下:

WG=αPG

(1)

式中:WG為骨料用量計算式;PG為骨料精密堆積密度;α為用量修正系數。

外加劑用量計算公式如下:

Vp=1-α(1-vc)-Rvoid

(2)

式中:Vp為外加劑材料體積;vc為骨料堆積孔隙率;Rvoid為設計孔隙率。

水泥用量計算公式如下:

Wc/pc+Ww/pw=Vp

(3)

式中:Wc為水泥用量;pc為水泥密度;Ww為用水量;pw為水密度。

在完成現澆綠化混凝土配比后,對其進行抗壓強度、pH值和沉漿面積率測試。采用土壓力盒進行抗壓強度測試,土壓力盒見圖2。

圖2為扁平盒狀應變式土壓力盒,從上至下結構分別為反力梁、千斤頂、傳感器、墊塊、加載板、裝樣鋼桶和底座,使用單晶硅傳感器,輸送和所受壓力成比例的電信號。當被測結構物內土應力發生變化時,土壓力計感應板同步感受應力的變化,感應板將會產生變形,并將變形傳遞給振弦,轉變成振弦應力的變化,從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率,頻率信號經電纜傳輸至讀數裝置,即可測出被測結構物的壓應力值。同時,可同步測出埋設點的溫度值。為了確保土壓力傳感器的良好運行,需要確保儀器受壓面與測量土體完全接觸。因此,埋設中必須注意土壓力盒受壓面與土體之間是否會形成空隙[7]。pH值測定方法見圖3。

圖3 pH測定法

由圖3可知,對現澆綠化混凝土試塊進行長寬高測量,以計算試塊外觀體積;然后用浸水法測定試塊在水中的質量,干燥后計算空氣中的質量;最后水浸24h后,用pH數顯測量儀對浸水溶液進行pH值測試,直至pH值穩定,讀取數據[8]。使用網格法進行沉漿面積的測定,將所有樣品的表層膠漿硬化面積疊加進行計算,對試件底面進行拍照,并進行分格,分為等面積的2 500個小格,通過數出沉漿的格子數,進而計算沉漿面積率。

1.2 現澆綠化混凝土河岸保護工程仿真試驗設計

針對邊坡防護對生態效應與可靠性的需求,仿照真實河岸土壤和植被環境,開展模擬降雨沖刷試驗和高速水流沖刷試驗?，F澆綠化混凝土在河兩岸構建生態溝渠,生態護坡剖面圖見圖4。

圖4 某地混凝土生態護坡工程示意圖

圖4為江蘇省某市建立的生態護坡工程,總長度約200m,左岸高度1 350～1 700mm,右岸高度變化較大,為200～1 250mm,生態邊坡面斜度約1:1.15。由于坡度較陡,部分護坡區域為草皮防護,坡度較緩的區域則是黑麥草、早熟禾和高羊茅的混播植被。為了仿照真實的河岸環境,從河岸提取土壤和草種后,對其進行種植和養護管理,并觀察植物生長情況以進行對比試驗。參考現澆綠化混凝土制備工藝,制備試驗用樣品,其制作流程見圖5。

圖5 現澆綠化混凝土試驗樣品制備

制備好現澆綠化混凝土試驗樣品后,進行降雨沖刷試驗,測試現澆綠化混凝土抵擋坡面徑流的能力。從試驗地獲取現存土壤植被,將其移植到實驗室養護3個月后,對坡面成型情況進行測定;測量結果符合預期后,使用自制降雨噴灑裝置,開展降雨沖刷仿真試驗。自制降雨噴灑裝置是采用塑料導管連接的霧化噴頭組合。按照實驗地的氣候和常見降雨強度設計進行仿真沖刷試驗后,記錄坡面徑流侵蝕度,記錄在沖刷開始后坡面徑流產生的時間和坡面沖刷溝的深度與數量。并在坡面侵蝕穩定后,測量徑流流速,使用坡面底部的集水盒收集雨水混合物。

對集水盒分類標號后,測量其重量,靜置12h后,去除上層較為清澈的水后,將集水盒放入烘箱進行烘干操作,之后稱重殘余泥沙并進行記錄。為了觀察現澆綠化混凝土在實際河岸防護的水環境中與水文環境接觸的變化,開展高速水流沖刷試驗。試驗使用常見的可調檔式高壓水槍作為試驗工具,主體結構分為水槍、電機、泵水口。試驗過程見圖6。

圖6 沖刷試驗流程

由圖6可知,對試塊進行植生表孔切割前,對現澆綠化混凝土表面綠植高度、葉片生長情況、莖脈直徑等數據進行測量,進行數據記錄;根據施工植生表孔位置記錄進行切割,劃分為有植生表孔區域與無植生表孔區域;切割作業完成后,檢測有孔區域植被覆蓋率,之后估計并評價無孔區域植被覆蓋率。將試塊放置于試驗裝置內,使用沖刷水流對試件表面進行全方位沖刷,并記錄表面種植土、植被和試塊的沖刷試驗變化;沖刷完成后,檢測并記錄植被根莖、葉片生長狀態、破損率和植被保有率。

2 現澆綠化混凝土的性能測試與應用結果分析

2.1 現澆綠化混凝土的性能測試分析

研究首先在室內進行現澆綠化混凝土的性能測試。以邊坡坡度為主要關注因素設計邊坡模具,仿照其實際制備方法,進行現澆綠化混凝土澆筑。根據方法所述,確定灰骨比為0.18,期望孔隙率為27%,減水劑占比為0.2%。將所有骨料、水泥、水和專用外加劑一次性投入攪拌機,攪拌6～10min,制備現澆綠化混凝土,出料的現澆綠化混凝土不產生流漿、表面光滑且呈現金屬光澤。成型采用“插搗+拍打”的方式,將出料分3層裝入試驗模具,每層澆筑均為3cm,澆筑后以鐵棒“插搗+拍打”的方式進行壓制,最后在表面用骨料進行孔隙填充,刮平表面[9]。養護則采用模擬邊岸環境的水箱養護方式,進行28天養護后,開展性能測試[10]。為了保證測試結果的精確性,制備3組樣品進行對比試驗?？箟簭姸?、孔隙率、沉積面積和pH值性能測試結果見表1。

表1 樣品抗壓強度、孔隙率、沉積面積和pH值結果

由表1可知,3組現澆綠化混凝土抗壓強度最高8.1MPa,最低6.4MPa,抗壓強度平均值7.2MPa,滿足抗壓指標要求。綠化混凝土孔隙率測試結果保持在25%～35%之間,最大孔隙率29.6%,最低孔隙率25.2%,平均孔隙率26.9%,適宜植物生長,滿足設計標準。pH值試驗發現,3組部件pH最小值9.4,最大值9.6,在9.5的pH值范圍內,上下浮動小于0.2,滿足現澆綠化混凝土pH值設計指標。3組部件沉漿面積率最高2.30%,最低1.60%,平均值1.93%,均滿足5%以下的設計指標。

2.2 現澆綠化混凝土應用結果分析

以某項目為例,對現澆綠化混凝土進行仿真實測研究。抽取試驗地土壤進行土壤和植被養護,并進行水流沖刷和降雨強度仿真試驗分析。工程項目位于江蘇省某地,屬東亞季風氣候區,具有亞熱帶和暖溫帶氣候的特點,冬冷夏熱,降水集中在夏季。土壤類型主要為黏土,符合研究預期。護坡植被以高羊茅為主,具有強酸堿耐性,可在4.7～9.5的pH值中生長,根系發達且耐踐踏,生長速度較快。獲取試驗地土壤后,使用保水劑保持土壤表面水分;在開始試驗前進行降雨量調查,選擇3.2、4.8、6.4L/min作為試驗降雨強度,并在試驗部件上制造植生表孔,根據現澆綠化混凝土澆筑厚度決定參數:A孔為4.5cm孔深,2.5cm孔徑,2.8cm孔間距;B孔為4cm孔深,1.0cm孔徑,3.5cm孔間距,孔徑和孔間距的參數選取代表單位面積內的表孔大小。降雨強度對徑流侵蝕的影響見圖7。

圖7 降雨強度對徑流侵蝕的測試結果圖

圖7(a)、圖7(b)分別為A孔和B孔的徑流侵蝕量測試結果,坡度比為1:2.0、1:1.5、1:1.0。可以看出,現澆綠化混凝土徑流侵蝕量隨著降雨強度的增加呈明顯增加趨勢,同時隨著坡度比的降低,徑流侵蝕量呈上升趨勢。在此基礎上,進行不同坡度下降雨動力學參數測驗,計算不同坡度下弗勞德數Fr,結果見表2。

表2 弗勞德數Fr測試結果

由表2可知,降雨強度越大,Fr值越越大。同時也可以看出,在坡度較大時,表孔參數及降雨強度對Fr值影響較小;當降雨強度達到6.4L/min時,表孔參數對弗勞德數影響較大。得出以上結果后,比較鋪筑厚度對徑流侵蝕的影響,選擇進行試驗的鋪筑厚度分別為6、10、15cm。結果見圖8。

圖8 現澆綠化混凝土護坡徑流侵蝕量和鋪筑厚度

由圖8可以看出,現澆綠化混凝土護坡徑流侵蝕量和鋪筑厚度的關系并不明顯,而保持坡度、降水量等參數不變時,表孔系數對徑流侵蝕量的影響更為明顯,B孔相較于A孔的徑流侵蝕量均更高。為了探究植物根系在綠化混凝土內部的生長情況,測試現澆綠化混凝土結構、植物根系對水流沖刷的抵抗能力,開展高速水流沖刷試驗,并在開始試驗前記錄植生情況,結果見表3。

表3 水流沖刷試驗結果

由表3可知,開孔試件的植被覆蓋率較高,是由于植生孔洞為植被生長提供富余空間,利于其存儲水與營養物質,使植物可以更快地穿過現澆綠化混凝土,抵達下部土壤發展根系。

以表面孔隙參數A作為開孔隙的試樣,其植被覆蓋率較以表面孔隙參數B作為開孔隙的試樣稍高一些。結果表明,試驗樣品經高速水流沖刷后,其表層土基本被沖凈,植物生長良好,且全部粘附于其表層。通過對不同試樣的快速沖刷試驗發現,不同試樣下,草木與現澆綠化混凝土結合效果均較好,而且6和10cm的試樣對草木的生長和根系發育均比15cm的好。因此,采用6和10cm兩種不同的鋪筑厚度進行現澆綠化混凝土護坡,有利于保護環境,且施工速度較快。

3 結 論

現澆綠化混凝土部件的性能測試表明,試件抗壓強度平均值為7.2MPa,平均孔隙率為26.9%,pH保持在9.5左右,沉漿面積率平均值為1.93%,測試結果滿足工程設計指標要求。在此基礎上,進行降雨和沖刷仿真試驗。結果表明,隨著降雨強度的增大,現澆綠化混凝土徑流侵蝕量明顯增加;隨著坡度比的降低,徑流侵蝕量呈上升趨勢。當降雨強度達到6.4L/min時,表孔參數對弗勞德數影響較大。在開孔的試件中,植被覆蓋率均比沒有開孔的試件要高,厚6cm的現澆綠化混凝土可通過的根系長度約為厚10cm的1.5倍。因此,采用6和10 cm兩種不同的鋪筑厚度進行現澆綠化混凝土護坡,有利于保護環境,且施工速度較快。