頁巖陶粒植生型混凝土制備及性能研究

張傳芹ZHANG Chuan-qin

（江蘇建筑職業技術學院，徐州 221116）

1 研究背景與意義

1.1 研究背景

近年來，道路、水利、鐵路等基礎設施建設如火如荼地進行著，給我們的生活、出行帶來了不可言說的便利，但城市道路積水、內澇、徑流污水等問題給城市生態環境造成的壓力也日益增大。《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》指出，通過海綿城市建設，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，最大限度地減少城市開發建設對生態環境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。到2020 年，城市建成區20%以上的面積達到目標要求；到2030 年，城市建成區80%以上的面積達到目標要求。通過加強城市規劃建設管理，充分發揮建筑、道路和綠地、水系等生態系統對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發展方式[1]。因此構建海綿城市，修復生態環境是我們當前面臨的一項重要任務。

1.2 研究意義

植生型多孔混凝土是一種具有良好透水性、透氣性并能使植物生長于其上的環保生態混凝土，不僅可以用于一些道路、屋頂綠化的綠化，還可用于公路鐵路的邊坡支護、江河護岸等表面的綠化與保護等。與普通混凝土相比，植生混凝土的生態效應如下[2-4]：

①減少內澇、保護地下水資源。

植生型混凝土的多孔結構能讓雨水迅速通過植生混凝土滲漏到地表以下，減少地面上的積水，降低內澇發生的概率，同時對地下水有一定的補給作用，實現水資源的有效利用，有效地維持地下水資源的生態平衡。

②緩解城市熱島現象。

采用植生多孔混凝土鋪裝的路面可以將太陽輻射熱吸入到混凝土內部，減少太陽熱反射，緩解城市“熱島效應”。

③改善植被生長環境，實現防護綠化的效果。

植生型混凝土在配制時不僅很少采用細骨料，而且粗骨料級配在一般情況下也比較單一，結構中存在大量連續的空隙，植物的根系通過這些孔隙伸入到土壤中吸收營養，因此植生混凝土在實現透水凈水、防坡護岸的目的以外，還能達到綠化的功能效果。

本文以頁巖陶粒為粗骨料，采用絕對體積法以不同水灰比、目標空隙率為參數設計配合比，研究上述參數對植生性混凝土性能的影響，從而為推進生態文明、建設海綿城市提供一些參考。

2 試驗原材料

2.1 骨料

骨料的粒徑及級配對混凝土的抗壓強度及植生性影響較大，粒徑太小，植物根系穿透混凝土比較困難，粒徑太大，混凝土強度又會降低，本文選取單一級配10～20mm 的頁巖陶粒作為粗骨料，其物理性能如表1 所示。

表1 頁巖陶粒的主要物理性能

2.2 水泥

水泥是植生混凝土中主要的膠凝材料，其強度的高低將對混凝土的強度、耐久性和施工性能產生影響。一般情況下，水泥強度越高，混凝土的強度也越高，但是其初期硬化過快也會增加施工難度，因此本試驗綜合考慮各種因素后采用淮海中聯水泥有限公司生產的42.5 級普通硅酸鹽水泥。

2.3 水

本試驗采用普通的自來水，不含有害化學成分與雜質。

2.4 減水劑

本試驗中采用萘系高效減水劑。

3 試驗設計

3.1 參數設置

①目標孔隙率。

孔隙率是總孔隙體積與混凝土體積的比值，孔隙率越大，混凝土的透水性能就越好，就越有利于植被的生長，但是隨著孔隙率的增加，混凝土的抗壓強度會不斷下降，因此必須平衡孔隙率和抗壓強度兩者之間關系，使得混凝土具有一定強度的同時又不影響植物的生長，經查閱很多相關資料[5-9]，植生混凝土的設計空隙率一般控制在22%～35%之間，本試驗中設置三種目標空隙率，分別為27%、30%、33%。

②水灰比。

水灰比在混凝土配合比設計中起著非常重要的作用，若水灰比太小，混凝土拌合物會因為干硬而難以成型，若水灰比太大，在施工時拌合物容易出現嚴重的離析、沉漿現象，硬化后混凝土中還會出現大量毛細孔，降低混凝土的抗壓強度。經過查閱資料[10-11]，水灰比一般控制在0.2-0.35 之間，本試驗的水灰比選擇為0.25、0.27、0.3。

③減水劑用量。

本試驗中加入的萘系高效減水劑為水泥用量的1%。

3.2 配合比設計

植生混凝土配合比計算有3 種方法[12]，相關資料表明[13-14]，絕對體積法獲得的孔隙率更接近設計值，因此本試驗采用絕對體積法來計算各種材料的用量，其計算思路：粗骨料體積+膠結漿體體積+目標空隙體積=1m3，各種材料具體用量按以下公式進行計算：

3.2.1單位體積中粗骨料用量的計算

式中：WG為單位體積混凝土中粗骨料用量（kg/m3）；

ρ1為粗骨料緊密堆積密度（kg/m3）；

α 為折減系數，本試驗中取0.98。

3.2.2單位體積水泥漿體體積的計算

式中：WJ為單位體積混凝中水泥漿體用量（kg/m3）；

ρG為粗骨料表觀密度（kg/m3）；

R1為設計目標空隙率（%）；

ρJ為水泥漿體密度。

參照砂漿質量密度測試方法，在水灰比分別為0.25、0.27、0.3 時，計算得出膠結漿體的密度分別為2163.9kg/m3，2124.6kg/m3，2071.4kg/m3。

3.2.3單位體積水泥用量計算

式中：WC為單位體積混凝土中水泥用量（kg/m3）；W/C為水灰比。

3.2.4單位體積用水量

由于陶粒有一定的吸水性，而且浸泡的時間不同，其吸水率也不一樣，如果要達到吸水飽和狀態，基本上需要浸泡3 小時以上，因此單位體積用水量與配制前陶粒浸泡時間的長短有關，確切的說，這個用水量需要根據試驗確定。本試驗在配制混凝土之前，把頁巖陶粒浸泡1 小時。

式中：WW為單位體積混凝土中用水量（kg/m3）。

不同配合比設計參數的原材料用量及各組的強度見表2。

4 制備過程

4.1 攪拌工藝

在制備頁巖陶粒植生多孔混凝土時，主要按以下步驟進行：①將水泥、水、減水劑按比例投入并攪拌30s；②然后投入一半頁巖陶粒攪拌60s，最后投入另一半頁巖陶粒攪拌60s，待陶粒表面均勻裹上水泥漿體，呈現金屬光澤即可。

4.2 試件成型

采用振動成型制備的多孔混凝土易出現底部沉漿而頂部未密實的情況，為避免膠凝材料沉積于混凝土底部造成多孔混凝土的堵塞，本試驗采用分層插搗成型的方法，具體步驟為：將拌合的材料分3 次鋪裝到模具中，每層用鐵棒插搗20 次，然后抬起模具擊地三四下進行振實，第二層及第三層重復上述操作，最后壓平壓實。

4.3 試件養護

當試件制作完成后用塑料薄膜覆蓋表面，養護24h 后拆模，拆模過程中要注意試件角部的完整，試件拆模完成后，將試件進行標準養護，養護至相應齡期后進行數據測定。

5 試驗結果分析

5.1 水灰比對植生混凝土抗壓強度的影響

由試驗數據可知，在設計目標空隙率相同的情況下，隨著水灰比的增大，頁巖陶粒植生混凝土7d、28d 的抗壓強度都是先增大后減小，如圖1 所示。當水灰比為0.27時，無論是7d 還是28d 的抗壓強度都達到最大，這與普通以碎石為骨料的混凝土抗壓強度變化規律不完全相同，一般情況下混凝土抗壓強度會隨著水灰比的增大而減小，而本試驗出現先增大后減小的情況是因為頁巖陶粒有一定的吸水性，在水灰比為0.25 時，水化反應不充分導致水化產物比較少，從而影響頁巖陶粒植生混凝土抗壓強度的增長，當水灰比為0.27 時，水化反應最充分，因此抗壓強度最高。當水灰比繼續增大時，多余的水分蒸發后在混凝土內產生毛細孔，從而降低了混凝土的抗壓強度。

圖1 頁巖陶粒植生混凝土抗壓強度——水灰比關系圖

5.2 目標空隙率對植生混凝土抗壓強度的影響

由圖2 可知，在水灰比相同的情況下，頁巖陶粒植生混凝土抗壓強度隨著設計目標空隙率的增大而減小。此種現象的產生是由于單位體積內粗骨料的體積相同，設計目標空隙率越大，則混凝土中所用的水泥量就越少，混凝土硬化后在骨料的連接處就比較薄弱，造成其抗壓強度減小。

圖2 頁巖陶粒植生混凝土抗壓強度——目標空隙率關系圖

5.3 齡期對植生混凝土抗壓強度的影響

由試驗數據可知，隨著齡期的增長頁巖陶粒植生混凝土的抗壓強度也在增長，但與普通混凝土相比，其增長速度要低一些，這主要是因為植生多孔混凝土在凝結硬化后，骨料之間只依靠水泥漿體進行粘結，粘結點在前期更容易被破壞。

6 結語

植生型混凝土是一種可以穩坡護岸，保水固土的綠色環保材料，采用頁巖陶粒作為骨料不僅可以減輕植生混凝土的自重，還能達到植生混凝土的強度要求，但目前尚沒有相應的配合比計算規范，在依據常規計算方法計算出來的配合比制備頁巖陶粒混凝土時，出現與普通混凝土強度變化規律不同的結論，在頁巖陶粒沒有達到浸水飽和狀態時，隨著水灰比的增大其立方體抗壓強度是先增大后減小，水灰比宜控制在0.27～0.30 之間。因此在配制時要注意水灰比對頁巖陶粒植生混凝土抗壓強度的影響。