一種多孔有機顆粒制備植生混凝土物理力學性能研究

摘要：多孔有機顆粒富含養料，可通過自身孔隙持續釋放肥料，用其制備的植生混凝土具有較高的孔隙率，能為扎根于空隙中的植物的生長持續提供養分。文章采用控制變量法，分析水泥顆粒直徑及摻量、水灰比、砂漿膠、聚丙烯纖維摻量等因素對植生混凝土物理力學性能及孔隙率的影響及其變化規律，研究膠黏劑在不對多孔有機顆粒完全包裹的前提下，將其黏結并整體制備成磚或板材的方法。結果表明：水灰比對植生混凝土的抗壓、抗折強度影響較大，砂漿膠、聚丙烯纖維的加入在一定程度上增強了膠黏劑的黏彈性及凝聚力，提高了植生混凝土的抗壓、抗折強度；當水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為60%～65%、砂漿膠摻量為1%、聚丙烯纖維摻量為0.13%時，植生混凝土28ｄ抗壓強度達3.73 MPa，抗折強度達1.95 MPa，有效孔隙率為29.12%，適用于護坡工程。

關鍵詞：多孔有機顆粒；植生混凝土；孔隙率；物理力學性能；生態護坡

中圖分類號：TU528"""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）01-0086-05

0 引言

在大規模工程建設、礦產開挖的影響下，以及在大自然的作用下，巖土邊坡植被遭受破壞且無法恢復。傳統的邊坡加固形式大多為砌石和噴射混凝土，雖然具有硬質密實、抗沖刷、抗凍融、強度高等優點，但是護岸表面灰暗且無植物生長，破壞了生態環境，不符合當下國家和社會大力提倡的綠色發展觀。植生混凝土作為新型的護坡材料，相較于傳統的護坡材料具有一定的結構優勢，其內部大量的連通空隙可為新生植物生成龐大的地下根系提供條件，植物根系可起到深根錨固、淺根加筋的作用，在一定程度上可以固結土壤、支撐坡體。前人對植生混凝土的研究成果較多，例如伍松云等［1］采用正交試驗對植生混凝土的配合比進行優化設計，發現水灰比、膠凝材料用量及骨料粒徑對試塊28 d抗壓強度的影響不明顯，對孔隙率的影響顯著，水灰比為0.3、膠凝材料用量為260 kg/m3時，生態多孔混凝土可獲得最佳配合比；彭蘭［2］采用正交試驗法探究水灰比等對植生混凝土抗壓強度、抗折強度、pH值等的影響，試驗結果表明，當水灰比從0.26增至0.3時，植生混凝土強度逐漸增大，當水灰比大于0.3時，植生混凝土強度出現下降的趨勢；陳耀等［3］通過調整不同摻量增黏劑研究混凝土拌合物的性能，發現加入增黏劑的混凝土增稠保水能力得到增強、和易性良好，泌水離析問題得到改善，增黏劑摻量為4%時，拌合物效果達到最佳，混凝土可自密實成型，混凝土試塊56 d抗壓強度達到54.3 MPa。本研究用到的多孔有機顆粒具有一定的強度，在潮濕環境下不泥化且攜帶有機養分，可通過自身孔隙釋放肥料為植物生長提供能量。針對多孔有機顆粒的特點，本文通過調整水灰比、增黏劑和聚丙烯纖維等組成材料的配合比，改變水泥漿體的固有形態，對水泥漿體進行“造粒”，使膠黏劑在不對多孔有機顆粒完全包裹的前提下，將多孔有機顆粒整體制備成磚或板材；通過探究外加劑摻量、膠凝顆粒大小、膠凝顆粒摻量對植生混凝土物理力學性能及有效孔隙率的影響，使多孔有機顆粒制備植生混凝土滿足生態護坡工程要求。

1 試驗材料及配合比設計

1.1 試驗材料

水泥選用湖北軍峰建材有限公司生產的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，其化學成分和物理力學性能指標分別見表1和表2；砂漿膠實驗選用廣東德西尼建材有限公司生產的強力砂漿膠，為無色或微黃色粉末，在水泥砂漿中添加一定量的砂漿膠，可提高水泥漿的黏性及保水性；纖維選用長沙檸詳建材有限公司生產的聚丙烯纖維（長20 mm、直徑為1.5 mm）；實驗用水為普通自來水；多孔有機顆粒選用瑞派爾（宜昌）科技集團股份有限公司生產的有機顆粒，富含有機肥料、在水中不泥化，可通過自身孔洞釋放肥料。

1.2 配合比計算方法

根據初步試驗，水灰比分別選取0.25、0.26、0.27、0.28，在不同水灰比的基礎上分別選取40%～45%、50%～55%、60%～65%、70%～75%的水泥顆粒摻量和10 mm、15 mm、20 mm的水泥顆粒直徑進行最佳配合比研究。通過試驗獲得適宜的水灰比、水泥顆粒直徑及水泥顆粒摻量，在此基礎上確定砂漿膠摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，聚丙烯纖維摻量為0.07%、0.1%、0.13%、0.16%時，研究添加不同外加劑對植生混凝土相關性能的影響。根據多孔有機顆粒制備植生混凝土的結構特點，本試驗采用絕對體積法進行設計，表達式為

[Mgρg+Msρs+Mcρc+Mfρf+Mwρw+Rvoid=1]"""" （1）

其中：Mg為混凝土粗骨料用量（kg/m3）；Ms為混凝土細骨料用量（kg/m3）；Mc為混凝土水泥用量（kg/m3）；Mf為混凝土礦物摻和物用量（kg/m3）；Mw為混凝土用水量（kg/m3）；ρg為粗骨料的表觀密度（kg/m3）；ρs為細骨料的表觀密度（kg/m3）；ρc為水泥密度（kg/m3）；ρf為礦物摻和物密度（kg/m3）；ρw為水的密度（kg/m3），可取1 000 kg/m3；Rviod為設計孔隙率（%）［4］。

2 試驗結果分析

根據上述配合比計算方法得出48組不同水灰比、水泥顆粒直徑、水泥顆粒摻量的組配以及4組不同砂漿膠摻量、4組不同聚丙烯纖維摻量的配合比共計56組，通過試驗得到試塊28 d抗壓、抗折強度及孔隙率測量結果。

2.1 水灰比對植生混凝土試塊物理力學性能的影響

水灰比會對植生混凝土強度產生直接的影響，水泥水化生成的晶體，如C-S-H和Ca（OH）2，包裹在水泥顆粒表面，當水灰比較大時，混凝土拌合物中的水泥顆粒相對較少，顆粒間的距離增大，使水泥漿濃度降低，易產生離析、泌水現象，導致植生混凝土強度較低；而當水灰比較小時，水泥水化不充分，導致植生混凝土黏結力下降。合適的水灰比使水化反應更充分，水化產物中對強度起決定作用的 C-S-H 凝膠更致密和穩定［5］，植生混凝土的強度因此得到提高。以水泥顆粒直徑為10 mm的試塊為例，改變水泥顆粒摻量（40%～75%），不同水灰比下植生混凝土試塊的28 d抗壓、抗折強度變化規律如圖1所示。從圖1中可以看出，當水泥顆粒摻量為 40%～55%時，試塊的抗壓、抗折強度隨水灰比的增大而增大。當水泥顆粒摻量從 40%～45%增至70%～75%時，試塊的抗壓、抗折強度隨水灰比的增大依次增大；當水灰比為0.28 時，試塊強度增加明顯，同時當水泥顆粒摻量大于60% 時，水灰比為0.27的試塊抗壓強度變化的幅度增大。

在保證水泥顆粒直徑不變的情況下，研究水灰比（0.25～0.28）、水泥顆粒摻量（40%～75%）對植生混凝土試塊強度的影響發現，試塊的抗壓、抗折強度隨水灰比的增大而增大。在實際工程應用中，植生混凝土會受到有效孔隙率的影響，當水灰比為0.27時，植生混凝土的整體性能最佳。

2.2 水泥顆粒直徑及水泥顆粒摻量對植生混凝土試塊物理力學性能的影響

當水灰比為 0.27 時，通過改變水泥顆粒摻量（40%～75%），不同水泥顆粒直徑的植生混凝土試塊的28 d抗壓、 抗折強度變化規律如圖2所示。當水泥顆粒直徑D從10 mm 增至20 mm 時，不同水泥顆粒摻量下試塊的抗壓、抗折強度依次降低，試塊抗壓強度的最大值和最小值之差為1 MPa 左右，水泥顆粒直徑為10 mm 時，試塊的力學性能較好。這是因為水泥顆粒直徑的大小對顆粒間的黏結強度有很大的影響（見圖3）。顆粒間的比表面積隨水泥顆粒的增大而減小，而黏結點隨比表面積及水泥顆粒摻量的減小而減小［6］，顆粒之間的黏結力減小，顆粒面之間的結合強度降低，試塊的抗壓強度表現出隨水泥顆粒直徑的增大及水泥顆粒摻量的增加而降低的變化規律。

從圖2中還可以發現，試塊抗壓、抗折強度隨著水泥顆粒摻量的增大而增大。當水泥顆粒摻量為70%～75%時，試塊的抗折強度比水泥顆粒摻量為60%～65%的試塊小，可能是由于試驗過程中試塊制作及養護產生的誤差造成。當水泥顆粒直徑為15 mm時，試塊的抗壓 、抗折強度隨水泥顆粒摻量的增加而增大；當水泥顆粒直徑為20 mm 時，試塊的抗壓、抗折強度出現一定程度的增長，但增幅較小。

綜上所述，在保證水灰比不變的情況下，試塊的抗壓、抗折強度隨水泥顆粒直徑的增大而減小，隨水泥顆粒摻量的增大而增大。通過試驗發現，水泥顆粒摻量為 60%～65%和70%～75%時，試塊的抗壓、抗折強度相差不大，而水泥顆粒摻量為60%～65%時，植生混凝土的經濟效益達到最佳，因此選用水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為 60%～65%的植生混凝土配合比進行下一步的試驗研究。

2.3 增黏劑對植生混凝土試塊物理力學性能的影響

本試驗在水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為60%～65%的基礎上，研究摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%的砂漿膠對立方體試塊力學性能的影響（見圖4）。試塊抗壓、抗折強度隨砂漿膠摻量的增大而增大，當砂漿膠的摻量為1%時，立方體試塊的抗壓、抗折強度分別為3.5 MPa、1.6 MPa；當砂漿膠摻量＞2%時，試塊抗壓強度的變化并不大，這是因為砂漿膠作為增稠劑，其粒徑比水泥的小，少量摻入可優化膠凝材料的細粒級配，減少使膠凝顆粒硬化的有害孔及漿料的離析，有利于保持水分，延長混凝土內部的養護時間，并能在一定程度上改善水泥漿體的凝聚力，使水泥漿具有一定的黏彈性［7］。

2.4 聚丙烯纖維對植生混凝土試塊物理力學性能的影響

本試驗在水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為60%～65%、砂漿膠摻量為1%的基礎上，研究聚丙烯纖維摻量分別為0.07%、0.10%、0.13%、0.16%時對植生混凝土力學性能的影響（見圖5）。植生混凝土的抗壓、抗折強度隨聚丙烯纖維摻量的增加而緩慢增大，在聚丙烯纖維摻量為0.13%時效果達到最佳，試塊的抗壓、抗折強度分別為3.73 MPa、 1.95 MPa。之后，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，試塊的抗壓、抗折強度呈現下降的趨勢。這是因為聚丙烯纖維在混凝土內部具有一定的橋聯力，在一定程度上抑制了混凝土裂縫的產生及發展，使混凝土具有較高的韌性。加入適量的聚丙烯纖維制成水泥基復合材料可改善水泥漿體的和易性，增強混凝土的抗裂性及黏聚性［8］。聚丙烯纖維摻量較大時，水泥基體界面增多，和易性降低，水泥顆粒外表面的黏性降低，進而削弱了水泥顆粒與多孔有機顆粒的黏結強度，因此混凝土的強度隨著纖維摻量的增加而逐漸降低［9-10］。

2.5 三因素對植生混凝土有效孔隙率的影響

三因素（水灰比、砂漿膠摻量、聚丙烯纖維摻量）對植生混凝土有效孔隙率的影響效應圖見圖6。從圖6可以看出，隨著水灰比的增大，有效孔隙率變化曲線先緩慢上升再快速下降，水灰比為0.26時，有效孔隙率最大，為28.12%；水灰比為0.28時有效孔隙率最小，為21.38%。這是因為水泥顆粒承擔著膠結多孔有機顆粒的作用，水泥顆粒在擠壓變形的過程中起到填充顆粒間孔隙的作用，所以隨著水灰比的增大，水泥顆粒在擠壓過程中的變形增大，試塊的有效孔隙率降低。在植生混凝土的實際應用中，21.38%的有效孔隙率無法滿足植物生長所需的空間。砂漿膠的加入使試塊的孔隙率增大，當砂漿膠摻量為1%時，試塊的有效孔隙率達到峰值28.01%，之后出現下降的趨勢；這是因為適量砂漿膠的加入，減少了水泥漿內的自由水，水泥顆粒的密實性增強，植生混凝土成型過程中減小了水泥顆粒的變形，當砂漿膠的摻量較大時，水泥顆粒的黏彈性增大，塑性降低，在擠壓過程中變形較大，導致植生混凝土的有效孔隙率降低。當聚丙烯纖維摻量從0增至0.16%時，植生混凝土的有效孔隙率隨之逐漸增大，在聚丙烯纖維摻量為0.16%時，有效孔隙率達到最大，為30.85%。適量聚丙烯纖維的加入增大了植生混凝土的有效孔隙率，隨著其摻量的增加，水泥漿體流變性降低，水泥顆粒的穩定性增強，植生混凝土試塊整體穩定性得到提高，故試塊的有效孔隙率隨聚丙烯纖維摻量的增加而增大。植生混凝土的抗壓、抗折強度在聚丙烯纖維摻量為0.13%時達到最高，之后隨著纖維含量的增加，抗壓、抗折強度逐漸減小。

3 結論

本文采用控制變量法研究水灰比、水泥顆粒直徑、水泥顆粒摻量、外加劑等對植生混凝土抗壓、抗折強度的影響，研究結果如下。

（1）試塊的抗壓、抗折強度隨著水灰比及水泥顆粒摻量的增大而增大，水泥顆粒直徑對試塊抗壓、抗折強度的影響較小；摻入適量的砂漿膠可提高試塊的抗壓、抗折強度，當強度增大到峰值時，砂漿膠摻量的增加對試塊抗壓、抗折強度的影響不大；當聚丙烯纖維的摻量為0.13%時，試塊的抗壓、抗折強度達到峰值，之后隨著聚丙烯纖維含量的增加，試塊的抗壓、抗折強度減小。

（2）通過探究不同水灰比和不同砂漿膠、聚丙烯纖維摻量對試塊有效孔隙率的影響發現：水灰比對試塊有效孔隙率的影響較大，水灰比為0.26時，試塊的有效孔隙率達最大值28.12%，之后有效孔隙率隨水灰比的增大而減小；試塊的有效孔隙率隨砂漿膠摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢，砂漿膠的摻量為1%時，試塊的有效孔隙率達最大值，即28.01%；聚丙烯纖維的摻量與有效孔隙率的大小成正相關，聚丙烯纖維的摻量為0.16%時，試塊的有效孔隙率達到最大值，即30.85%。

（3）通過抗壓、抗折強度及有效孔隙率試驗發現，水灰比為0.27、砂漿膠摻量為1%，聚丙烯纖維摻量為0.13%時，多孔有機顆粒制備的植生混凝土28 d抗壓強度為3.73 MPa，抗折強度為1.95 MPa，有效孔隙率為29.12%，適用于植生混凝土護坡工程。

4 參考文獻

［1］伍松云，桑正輝，梁巧，等.基于正交試驗方法的生態多孔混凝土配合比優化設計［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2018，18（1）：78-82.

［2］彭蘭.植生混凝土施工工藝及構件設計研究［D］.廣州：廣州大學，2020.

［3］陳耀，裴志勇，許亮，等.增粘劑在蘇州地鐵無砟軌道結構中的應用［J］.混凝土世界，2023（11）：64-67.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土物理力學性能試驗方法標準：GB/T 50081—2019［S］.北京：中國建筑工業出版社，2019.

［5］譚思琪，焦楚杰.基于正交試驗法的植生混凝土強度與堿性研究［J］.混凝土，2020（10）：146-150.

［6］TAYLOR"M，JAY"S，Ming"X.Method of enhancing interlayer bond strength in construction scale 3D printing with mortar by effective bond area amplification［J］.Materials amp; Design，2019，169.

［7］汪源，汪蘇平，張亞利，等.混凝土增粘劑的制備及應用性能研究［J］.材料導報，2019，33（S2）：283-287.

［8］ABDULRAHMAN"P"I，BZENI"D"K.Bond strength evaluation of polymer modified cement mortar incorporated with polypropylene fibers ［J］.Case Studies in Construction Materials，2022，17.

［9］AHMAD J，BURDUHOSNERGIS D D，ARBILI M M，et al.A Review on Failure Modes and Cracking Behaviors of Polypropylene Fibers Reinforced Concrete［J］.Buildings，2022，12（11）：1951.

［10］唐百曉.聚丙烯纖維混凝土纖維增強作用機理研究［J］.粘接，2023，50（2）：78-82.

*湖北省自然科學基金創新群體項目（2022CFA011）。

【作者簡介】陳玲玲，女，河南周口人，在讀碩士研究生，研究方向：植生混凝土物理力學性能；劉肖凡，男，湖北武漢人，副教授，研究方向：混凝土結構理論與應用、混凝土結構與新材料、混凝土結構檢測等；金磊，男，湖北枝江人，工程師，研究方向：生態混凝土材料；陳號雨，男，湖北荊門人，助理工程師，研究方向：新型建筑結構材料。

【引用本文】陳玲玲，劉肖凡，金磊，等.一種多孔有機顆粒制備植生混凝土物理力學性能研究［J］.企業科技與發展，2024（1）：86-90.