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植生透水混凝土基本性能影响研究

2024-08-23 62 上传者：管理员

摘要：不同水灰比、胶凝材料用量、骨料粒径以及普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例对植生透水混凝土的碱度、孔隙率、强度和透水率的有着不同的影响。试验结果表明，植生透水混凝土的抗压强度随骨料粒径的不断增加而减小，随胶凝材料用量的增加而增加，同时抗压强度随着水灰比的减小而升高。胶凝材料用量是影响孔隙率的主要因素，骨料粒径的影响次之，而水灰比和普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例对孔隙率的影响不大。骨料粒径和普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例对碱度影响较大，而水灰比和胶凝材料用量对碱度的影响非常有限。骨料粒径和胶凝材料用量的变化对透水率的影响较大，而普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例和水灰比对植生透水混凝土的透水率影响不大。

关键词：
孔隙率
植生
混凝土
生态环境
碱度
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植生透水生态混凝土是一种与自然生态系统协调共生的混凝土，对减少生态环境的负荷，构造人类的舒适环境能起到非常大的作用。将植生透水生态混凝土用于河道护岸，不仅具有传统混凝土护岸坚固、抗冲刷的特点，同时植生透水生态混凝土能够容纳绿色植物的生长，改善周围大气的环境，又保持绿色自然景观[1]。植生透水生态混凝土中丰富的孔隙为各种生物提供了栖息的环境，既保证了生物的多样性，又对河川、湖泊的水质间接地起到净化的作用。植生透水生态混凝土可将建筑垃圾作为再生骨料来使用，既消纳了建筑垃圾，又节省了天然骨料，减少了对环境的破坏[2]。基于植生透水混凝土的良好生态功能，科研人员成功制备出能够适应植物生长需要的多孔混凝土材料后，这一成果受到了多国广泛关注[3]。我国也进行了植生透水混凝土的相关性能研究，并在吉林、上海等地区进行了应用推广。

植生透水混凝土作为透水混凝土的一种，不同于普通混凝土，没有细骨料的加入，因此其配合比的计算与普通混凝土配合比的计算不相同[4]。对于植生透水混凝土而言，其物理力学性能和植生性能需要考虑众多因素的影响，而非单一因素[5]。抗压强度、连续孔隙率、透水率以及p H值是评价植生透水混凝土物理力学性能的重要指标[6]。在实际工程中，植生透水混凝土不仅需要有一定的承载力，还需要为植物生长提供适宜的环境，即混凝土自身需要一定的透气透水性能和较低的碱性[7]。因此，通过正交试验的设计来分析不同水灰比、胶凝材料用量、骨料粒径以及普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例对植生透水混凝土的碱度、孔隙率、强度以及透水率的影响比较适合[8]。其中，由于硫铝酸盐水泥在降碱以及耐久性方面有着优异的性能，对于植生混凝土有着较大的优势，但是其成本相比于普通硅酸盐水泥较高，因此考虑复掺以综合其成本。

图1正交试验试验点分布

目前我国在植生透水混凝土孔隙水环境降碱技术、达到目标孔隙率条件下的力学及耐久性、不同地域环境下的植物及营养基选择等方面仍有许多不足，缺乏具体的施工技术规范，严重制约了植生透水混凝土在我国相关领域中的应用。我国在植生透水混凝土方面的研究还处于初级阶段，仍有许多问题亟待解决。

1、原材料与试验方案

1.1原材料

试验使用三种粗骨料均为碎石，其中粒径分别为16～20mm、20～25 mm和25～30 mm；水泥采用42.5普通硅酸盐水泥（OPC）以及42.5硫铝酸盐水泥（SAC），具体参数见表2。

表1水泥化学成分（%）

1.2试验方案

试验采用四因素三水平设计，四个因素为水灰比、胶凝材料用量、骨料粒径以及普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例。三水平分别为：水灰比：0.28、0.30、0.32；胶凝材料用量250、300、350；骨料粒径16～20、20～25、26～30；普通硅酸盐水泥（OPC）与硫铝酸盐水泥（SAC）的复掺比例为3:7、4:6、5:5。正交试验因素如表1所示。

表2正交试验设计因素

1.3性能测试

对植生透水混凝土试件的碱度、孔隙率、透水率及抗压强度的测试，其具体测试方法如下：1）碱度测试，利用碱度释放原理测定试件碱度；2）孔隙率测试，孔隙率的测定参照规范DB11/T775—2010《透水混凝土路面技术规程》进行；3）透水率测试，透水率的测定参照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》的测试方法进行；4）抗压强度测试，抗压强度按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求，对尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件进行。

2、试验结果分析

植生透水混凝土的碱度、孔隙率、透水率及抗压强度的试验结果如表3所示。

表3正交试验测试结果

2.1对抗压强度的影响

根据正交试验的结果，可以得出每一种因素在各个水平下对植生透水混凝土抗压强度的影响。植生透水混凝土的抗压强度随着骨料粒径的不断增加而减小。这主要是因为在植生透水混凝土内部骨料间的接触主要为点接触，这些点接触会在抗压强度测试时形成应力集中的现象，使得植生透水混凝土内部骨料间的点接触分裂，从而导致混凝土破坏。由这种破坏原理可知，当骨料粒径较大时，骨料之间的接触点变少，从而减小了受力面积，集中应力增大，植生透水混凝土强度降低。

植生透水混凝土的抗压强度随着胶凝材料用量的增加而增加。这主要是因为随着胶凝材料用量的增加，植生透水混凝土骨料的包裹性会越来越好，而且胶凝材料还充当了填充料，增加了植生透水混凝土骨料之间的接触面积，从而植生透水混凝土的抗压强度会随着胶凝材料用量的增加而增加。

植生透水混凝土的抗压强度会随着水灰比的增大而降低。这主要是因为在胶凝材料用量一定时，水灰比只与用水量有关，而植生透水混凝土凝结硬化的过程就是水泥和水水化反应的全过程。植生透水混凝土凝结硬化后的水泥石是由为水泥石提供强度的晶体、凝胶体、未完全水化的颗粒和会使其强度降低的游离水及气孔等组成的不均质体，因此水灰比的增大就是增加混凝土的用水量，这些增加的用水量会增加植生透水混凝土中的游离水，从而降低植生透水混凝土的抗压强度。

2.2对连通孔隙率的影响

植生透水混凝土内部的孔隙是由封闭空隙、半封闭空隙以及连通孔隙共同组成的，其中连通孔隙的大小是影响植被根系生长的关键因素。通过对孔隙率与连通孔隙率的拟合分析，可以得出孔隙率与连通孔隙率存在着线性相关的关系，因此可以通过测植生透水混凝土的孔隙率大小来表示连通孔隙率的大小。根据正交试验结果，可以得出胶凝材料用量是影响孔隙率大小的最大因素，骨料粒径对孔隙率大小的影响次之，水灰比和普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例对孔隙率大小的影响不大。植生透水混凝土的孔隙率会随着骨料粒径的增大而增大，随着胶凝材料用量的增加而减小。这是由于随着植生透水混凝土骨料粒径的减小，其骨料之间的接触面会随之显著增大，从而降低了孔隙率，也就降低了连通孔隙率。植生透水混凝土的孔隙率会随着胶凝材料用量的增加而减小，这是由于部分胶凝材料填充在骨料间的孔隙中，胶凝材料用量的增加必然导致孔隙率的减小。

2.3对碱度的影响

根据正交试验结果，可以得出对植生透水混凝土内部孔隙水碱度影响较大的因素是骨料粒径和普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例，而水灰比和胶凝材料用量对碱度的影响不大。植生透水混凝土的碱度会随着骨料粒径的减小而增加，这是由于在相同的胶凝材料用量下，不同粒径的骨料需要包裹不同的水泥浆体，而植生透水混凝土内部影响植物生长的碱度主要来自其孔隙内部水化后的水泥浆体，随着骨料粒径的减小水泥浆体包裹骨料的性能也就越好，从而植生透水混凝土内部空隙水的碱度也就越大。

植生透水混凝土内部孔隙水碱度随着普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例的增加而增加，这是由于普通硅酸盐水泥的水化产物主要是Ca(OH)2，而硫铝酸盐水泥主要的水化产物不是碱性物质。因此，普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复掺比例的增加会使植生透水混凝土内部孔隙水碱度增大。

2.4对透水率的影响

根据正交试验结果，可以得出对植生透水混凝土透水率影响较大的因素是骨料粒径和胶凝材料用量。植生透水混凝土透水率随着骨料粒径的增大而不断增加，这是由于随着骨料粒径的增大，骨料之间的接触会减少，使得植生透水混凝土内部孔径变大。胶凝材料用量对植生透水混凝土透水率影响也较大，随着胶凝材料用量的增加，其透水率不断减小，这是因为胶凝材料不仅起到了黏结骨料的作用，而且对植生透水混凝土内部的孔隙也起到了填充作用。而普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复掺比例和水灰比对植生透水混凝土的透水率影响不大。

3、结论

1）植生透水混凝土的抗压强度随着骨料粒径的不断增加而减小，随着胶凝材料用量的增加而增加。植生透水混凝土的抗压强度随着水灰比的减小而提高。

2）胶凝材料用量是影响孔隙率大小的最大因素，骨料粒径对孔隙率大小的影响次之，水灰比和普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例对孔隙率大小的影响不大。连通孔隙率会随着骨料粒径的增大而增大，随着胶凝材料用量的增加而减小。

3）对植生透水混凝土内部孔隙水碱度影响较大的因素是骨料粒径和普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的复掺比例，而水灰比和胶凝材料用量对碱度的影响不大。碱度会随着骨料粒径的减小而增加，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加而减小。

4）骨料粒径和胶凝材料用量的变化对透水率影响较大，而普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复掺比例和水灰比对植生透水混凝土的透水率影响不大。透水率随着骨料粒径的增大而不断增加，而随着胶凝材料的增加，其透水率不断减小。

参考文献:

[1]崔征,陈国新,祝烨然,等.外加剂对护坡型植生混凝土影响的研究进展[J].混凝土,2019(2):124-127.

[2]应俊辉.低碱度植生混凝土与植物的相容性研究[J].混凝土,2018(12):67-71+80.

[3]邓绍云.国内植生混凝土研究现状与展望[J].材料导报,2018,32(S2):457-459.

[4]何光明.植生型混凝土孔结构改造与内部碱环境调节[J].混凝土与水泥制品,2018(7):28-31.

[7]李晓东,李可,翁殊斐.多孔混凝土植被砖植生实验与降碱､降盐研究[J].新型建筑材料,2017(1):49-51+56.

[8]王桂玲,王龙志,张海霞,等.多孔种植混凝土孔隙碱度改造方法的研究[J].中国包装科技博览:混凝土技术,2012(12):29-33.