水膠比對再生植生混凝土基本性能的影響研究

陳宇 劉威勤 范森勇 覃江濤

摘要：為探究不同水膠比對再生植生混凝土基本性能的影響，文章通過開展混凝土7 d和28 d抗壓強度測試、孔隙率測試試驗及孔隙環境pH值測試，分析水膠比對再生植被混凝土力學性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規律。結果表明：水膠比從0.24～0.32變化時，混凝土抗壓強度先提升后降低，總孔隙率和連通孔隙率不斷降低，孔隙環境pH值不斷下降，但變化速率卻逐漸減小；當水膠比為0.28時，混凝土7 d抗壓強度為34.7 MPa，28 d抗壓強度為36 MPa，力學性能為最優，總孔隙率達到22.6%，連通孔隙率達到21.1%，強度和孔隙率滿足有關規范要求，28 d孔隙環境pH值為9.2，大于規范要求的≤9。

關鍵詞：水膠比；再生植生混凝土；抗壓強度；孔隙率；孔溶液pH值

中圖分類號：U416.03? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4974（2024）04-0040-03

0 引言

在交通強國時代背景下，西部陸海新通道處于高速發展時期，基礎設施工程項目量不斷增加。在道路工程、鐵路工程等項目施工中，產生了大量的路基開挖、邊坡回填等，裸露巖質邊坡和貧瘠邊坡越來越多。然而，由于巖質貧瘠邊坡缺少土、水、肥等植物生存的基本條件，邊坡植被難以存活，加大了山洪、滑坡、泥石流等嚴重自然災害發生的幾率［1］，植生混凝土生態防護是目前綠化修復的有效方法之一。植生混凝土不僅能保留水土，防止因水土流失發生的自然災害，而且能美化工程環境，滿足邊坡綠化的需求［2-3］。因此，在工程項目中，巖質貧瘠邊坡處治的主要手段是在邊坡上澆筑植生混凝土。

水膠比是影響植生混凝土基本性能的重要因素之一，近年來成為了國內外學者研究的熱點［4-5］。紀連杰等［6］針對不同水膠比對植生混凝土性能的影響規律開展了相關研究，發現隨著水膠比的增加，混凝土抗壓強度呈現先增加后降低的趨勢，其孔隙率先降低后增加再降低，當水膠比為0.28時，混凝土抗壓強度最大，水膠比為0.31時孔隙率最優。譚燕等［7］研究了不同因素對透水混凝土強度的影響變化規律，發現隨水膠比升高，混凝土力學性能呈先升高后降低的趨勢，當水膠比處于0.33時，力學性能為最優。李林等［8］通過開展不同水膠比植生混凝土的凈漿流動度試驗、抗壓強度試驗和pH值測試試驗，對混凝土漿體流動度、抗壓強度和pH值變化規律開展研究。然而，上述學者所得到的研究結果各不相同，明晰水膠比對植生混凝土力學性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規律，是植生混凝土在邊坡處治領域廣泛應用的關鍵。

因此，本研究制備了5種不同水膠比（0.24、0.26、0.28、0.30、0.32）再生植生混凝土，通過開展混凝土7 d和28 d抗壓強度測試、孔隙率測試試驗及孔隙環境pH值測試，研究不同水膠比對再生植生混凝土力學性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規律，為再生植生混凝土在巖質貧瘠邊坡處治的應用提供理論依據和實踐指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：本次試驗采用潤豐牌P·O 42.5級水泥，水泥的基本物理性能如表1所示。

骨料：本次試驗采用粒徑為20～30 mm的再生石灰巖骨料，原材料為水泥混凝土公路路面，性能指標如表2所示。

外加劑：聚羧酸減水劑。

1.2 配合比設計

本研究采用填充理論及絕對體積法進行植生混凝土配合比設計，設定孔隙率為28%，利用配合比設計方案計算四組不同水膠比制備混凝土的原材料用量，具體的配合比設計如表3所示。

1.3 試驗方法

按照配合比設計稱量4種原材料，用濕毛巾潤濕攪拌機內壁，再生粗骨料潤濕10 min，將再生骨料和30%拌和水加入攪拌機，攪拌20 s后，投放50%水泥、50%減水劑和30%拌和水，再攪拌60 s，投入剩下的拌和水、水泥和減水劑，繼續攪拌100 s，出料成型。將新拌混凝土分三層倒入模具中，每層使用搗棒按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗20～30次，最后剔除高于模具表面的混凝土并用抹刀抹平即可，其中裝模過程須≤10 min，混凝土模具尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

參照國家規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）相關要求，開展7 d和28 d抗壓強度試驗；參照《透水混凝土及其應用技術》，開展混凝土總孔隙率和連續孔隙率測試試驗；利用混凝土多孔基體浸泡法，測試養護齡期為3 d、7 d和28 d的混凝土孔隙環境pH值。

2 結果與分析

2.1 植生混凝土抗壓強度

圖1為不同水膠比對植生混凝土7 d和28 d抗壓強度的影響。由圖可知，水膠比在0.24～0.32，7 d抗壓強度與28 d抗壓強度均呈現先上升后下降的變化趨勢，說明植生混凝土的力學性能先提升后減弱，且兩個齡期力學性能發展的走勢相差不大，規律性一致。當水膠比為0.24時，植生混凝土抗壓強度為全組中最低，7 d抗壓強度為7.8 MPa，28 d抗壓強度為9.1 MPa；隨著水膠比增大至0.28，植生混凝土的抗壓強度達到最大，7 d抗壓強度9.3 MPa，28 d抗壓強度為10.8 MPa；當水膠比持續增大到0.3和0.32時，相比于水膠比為0.28的植生混凝土，抗壓強度呈現降低趨勢，水膠比為0.3時，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別降低了5.38%和6.48%，水膠比為0.32時7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別降低了7.53%和9.26%。當水膠比為0.28和0.3時，植生混凝土7 d抗壓強度≥5 MPa，28 d抗壓強度≥10 MPa，能滿足《植生混凝土》（JC/T 2557）的規定要求。

當水膠比較低時（0.24和0.26），由于化學反應所需的結合水不足導致水泥水化無法充分反應，膠凝材料生成的水化產物較少從而不足以均勻包裹再生骨料，造成水泥顆粒之間的空隙和裂縫仍較為疏松，骨料、水泥顆粒和水化產物之間無法互相粘附，水泥石結構密實度較差導致植生混凝土抗壓強度較低［9］。隨著水膠比增大至0.3，水泥水化反應得以充分進行，C-S-H凝膠等水化產物較為穩定和密實，能對混凝土整體強度起到決定作用［10］，因此水膠比為0.28時植生混凝土的抗壓強度最高。然而，隨著水膠比持續增大（0.3和0.323），水膠比的負向效應隨之出現。當拌和水大于水泥水化反應和提供適宜工作性能所需的水之和時，多余的水會隨著混凝土養護齡期增大在結構表面和內部形成密集小孔，結構內部孔隙率增大，因此強度呈現不斷降低的趨勢。

2.2 植生混凝土孔隙率

圖2為不同水膠比對植生混凝土總孔隙率和連續孔隙率的影響規律。從圖2可以看出，隨著水膠比的增大，植生混凝土的總孔隙率和連續孔隙率呈現不斷降低的趨勢。當水膠比為最小時（0.24），植生混凝土的孔隙率為最大，總孔隙率達到0.22%，連續孔隙率達到0.18%。隨著水膠比的增大，提升了植生混凝土膠凝漿體的流動性，導致再生骨料顆粒未能均勻包裹，漿體均集中在骨料下表面，導致占據了再生骨料之間的空隙，因此當水膠比達到0.28時，相比于0.24水膠比的植生混凝土，總孔隙率降低了18.51%，連續孔隙率降低了20%。當水膠比持續增大至0.32，漿體會沿著骨料之間的孔隙向底部沉積，導致底部沉漿，堵塞孔隙，植生混凝土孔隙率急劇降低［11］，因此0.32水膠比的植生混凝土孔隙率最低，總孔隙率僅為0.18%，連續孔隙僅為0.18%。當水膠比過大時，不利于植被在植生混凝土中的生長和發育，適當的水膠比既能有效保證混凝土力學性能，又能給植被生長提供足夠的空間。綜上，當水膠比為0.24～0.28時，植生混凝土連續孔隙率滿足《植生混凝土》（JC/T 2557）中＞20%的要求。

2.3 植生混凝土孔隙環境pH值

由圖3可以看出，在養護齡期3 d、7 d和28 d時，隨著水膠比的增大，植生混凝土的孔隙環境pH值呈現不斷下降的趨勢，下降程度不大，且變化速率逐漸減小。當水膠比為0.24時，3 d、7 d和28 d植生混凝土孔隙環境pH值分別為12.01、11.68和10.15。隨著水膠比增大至0.28，植生混凝土孔隙環境pH值呈現降低的趨勢，但變化不大，相比于0.24水膠比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙環境pH值降低了2.74%、4.88%和9.06%。當水膠比持續增大至0.30，植生混凝土孔隙環境pH值最低，相比于0.24水膠比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙環境pH值降低了3%、5.05%和9.36%。當水膠比為最大（0.32）時，相比于0.3水膠比的植生混凝土，3 d孔隙環境pH值略微降低，降低了0.52%。而養護齡期達到7 d和28 d時，孔隙環境pH值提高，7 d孔隙環境pH值增大了0.36%，28 d孔隙環境pH值增大了2.28%。當植生混凝土水膠比增大，膠凝材料中降堿成分充分發揮效應，混凝土中有足夠拌和水持續發生水化反應生成C-S-H等水化產物，降低孔隙環境中OH-濃度，pH值呈現下降趨勢。當水膠比增大至0.28～0.32，孔隙環境pH值變化不大，這是由于水泥中降堿成分在水分足夠的情況下，水化反應已經充分進行，混凝土中的水對pH值的影響程度減弱，僅因水膠比增大總的膠凝材料用量減少導致pH值略微降低，然而孔隙環境中OH-濃度變化程度不大［12］。綜上可知，水膠比能對植生混凝土孔隙堿環境起到調節作用，但不能從根本上降低堿性。

3 結語

本文通過開展不同水膠比再生植生混凝土7 d和28 d抗壓強度測試、孔隙率測試試驗及孔隙環境pH值測試，評價了水膠比對植生混凝土的力學性能、孔隙率及孔溶液pH值的影響規律，得到以下結論：

（1）隨著水膠比的增大，7 d抗壓強度與28 d抗壓強度均呈現先上升后下降的變化趨勢，植生混凝土的力學性能先提升后減弱，當水膠比為0.28時，植生混凝土的抗壓強度達到最大，7 d抗壓強度9.3 MPa，28 d抗壓強度為10.8 MPa。

（2）植生混凝土總孔隙率和連續孔隙率隨著水膠比增大呈現不斷降低的趨勢，當水膠比為0.24時，植生混凝土的孔隙率為最大，總孔隙率達到0.22%，連續孔隙率達到0.18%。當水膠比達到0.28，相比于0.24水膠比的植生混凝土，總孔隙率降低了18.51%，為0.22%，連續孔隙率降低了20%，為0.2%。

（3）孔隙環境pH值隨著水膠比的增大呈現不斷下降的趨勢，下降程度不大，當水膠比為0.24時，3 d、7 d和28 d植生混凝土孔隙環境pH值分別為12.01、11.68和10.15。隨著水膠比增大至0.28，混凝土孔隙環境pH值呈現降低的趨勢，但變化不大，相比于0.24水膠比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙環境pH值降低了2.74%、4.88%和9.06%。

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基金項目：廣西重點研發計劃項目“高陡邊坡生態防護升級及穩定性監控技術研究”（編號：桂科AB21220069）

作者簡介：陳 宇（1979—），高級工程師，主要從事高速公路建設管理及科研工作。