尹 健， 彭 華

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)研究*

尹 健*， 彭 華

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

為同時滿足綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度及植生要求，提出綠色生態(tài)混凝土的目標(biāo)空隙率(25%左右)和28 d目標(biāo)強(qiáng)度(5～10 MPa)；根據(jù)綠色生態(tài)混凝土組成材料(碎石、水泥、粉煤灰等)性能試驗(yàn)結(jié)果及擬定的目標(biāo)值，提出了一種新的綠色生態(tài)混凝土配比設(shè)計的方法，設(shè)計了綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)配合比，根據(jù)所提出的配制技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究；利用綠色生態(tài)混凝土的強(qiáng)度和空隙率試驗(yàn)結(jié)果建立強(qiáng)度與空隙率的數(shù)學(xué)模型，并對配比進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化的配合比進(jìn)行了生態(tài)混凝土配制試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：提出的配合比設(shè)計方法行之有效，根據(jù)該方法配制出來的生態(tài)混凝土強(qiáng)度和空隙率能夠滿足既定要求，植草能夠很好地生長，完全滿足工程實(shí)踐要求，能夠較好地指導(dǎo)工程實(shí)踐.

綠色生態(tài)混凝土；配合比設(shè)計；強(qiáng)度；空隙率

20世紀(jì)90年代初，日本最早提出了生態(tài)混凝土的概念[1]，即生態(tài)混凝土是一種有特殊的結(jié)構(gòu)與表面特性，能夠減少環(huán)境負(fù)荷的特種混凝土.隨后，日本將綠色生態(tài)混凝土用于道路護(hù)坡等工程示范中[2].美國及歐洲發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)末也相繼開展了生態(tài)混凝土的研發(fā)[3,4].韓國自然與環(huán)境株式會社研制了一種生態(tài)混凝土磚，其實(shí)質(zhì)就是隨機(jī)多孔型綠化混凝土[5].國內(nèi)在90年代初開始對綠色生態(tài)混凝土進(jìn)行研究，許多科研單位和院校開始對綠色生態(tài)混凝土進(jìn)行研究.東南大學(xué)[6]開發(fā)了一種環(huán)境友好型植物生長多孔混凝土；江蘇大學(xué)[7]提出了護(hù)堤植生型生態(tài)混凝土的概念；上海大學(xué)的羅仁安、樊建超[8]等研究成一種性能介于普通混凝土和耕植土之間的新型輕質(zhì)綠化混凝土材料；湖北工業(yè)大學(xué)[9]采用“構(gòu)造多孔混凝土”設(shè)計理論對構(gòu)造型多孔植被混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究；福建建筑科學(xué)研究院的張蔚[10]對植生混凝土種植構(gòu)造及其營養(yǎng)土的配置進(jìn)行了研究；中建八局王桂玲[11,12]等對植生混凝土制備技術(shù)進(jìn)行了初步研究.國內(nèi)雖然對于綠色生態(tài)混凝土方面的研究也較多，但是目前對于綠色生態(tài)混凝土的配合比設(shè)計方法還沒有統(tǒng)一的定論，且目前也沒有實(shí)際的工程應(yīng)用.為了將綠色生態(tài)混凝土更好地應(yīng)用于道路護(hù)坡等工程實(shí)踐中，本文對綠色生態(tài)混凝土配置技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了一種新的專門針對綠色生態(tài)混凝土的配合比設(shè)計理念，然后根據(jù)這種理念進(jìn)行了綠色生態(tài)混凝土的配合比設(shè)計，同時進(jìn)行了綠色生態(tài)混凝土的試配試驗(yàn)，基于強(qiáng)度和空隙率試驗(yàn)結(jié)果提出了優(yōu)化后的綠色生態(tài)混凝土配合比，并對優(yōu)化后的配合比進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料及性能

水泥：本試驗(yàn)所用水泥為湖南平塘水泥廠所生產(chǎn)的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，該水泥的物理力學(xué)性能及化學(xué)組成見表1、表2.

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 水泥的化學(xué)成分

摻和料：實(shí)驗(yàn)所用礦渣微粉、粉煤灰分別滿足GBl8046-2000《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》、GB/T1596-2005《水泥和混凝土中的粉煤灰》的相關(guān)要求.其基本性能指標(biāo)見表3.

表3 礦物摻和料物理性能

骨料:為保證所配制綠色生態(tài)混凝土的目標(biāo)孔隙率(25%左右)，混凝土配比中未使用細(xì)骨料，粗骨料選用的是湖南當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的玄武巖碎石，碎石均經(jīng)過篩分后分粒徑堆放備用，在篩分過程中，去掉大顆的針片狀碎石.篩分好的粗骨料參照行標(biāo)JGF52-2006 (普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn))對其基本性能進(jìn)行測試.測試結(jié)果如表4所示.

表4 骨料基本性能試驗(yàn)指標(biāo)

由骨料顆粒堆積理論知，等粒徑球體如果按照簡單的立方體排列方式堆積時，每個球粒與其相鄰的6個球粒相接觸，骨料空隙率為47.64%[13].由于實(shí)際的骨料并不是真正意義上的等粒徑球體，故不可能完全排列整齊，所以實(shí)際測得的孔隙率會稍稍大于理論值.通過表4可以看出，骨料粒徑越小，其排列相對會更加整齊，所以測得的空隙率也更接近理論值.

1.2 試驗(yàn)方法

空隙率測試：將成型的綠色生態(tài)混凝土150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊置于恒溫恒濕的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，然后搬出靜置瀝干直至表面無水，將試塊放入底部密封的塑料試模(試模尺寸為150 mm×150 mm×150 mm)中，置于電子天平上稱取試模加試塊的重量(G1)，用最小刻度為毫升的容器往試模中注水，直至水面與試模表面齊平且不再下沉，讀取天平上的讀數(shù)G2，則孔隙率計算公式如下所示：

△V=(G2一G1)/1 000，

(1)

式中：G1為試塊加試模的重量，kg；G2為試塊加試模加空隙中水的重量，kg；△V為混凝土試塊中空隙所占的體積，m3.

Rvoid=△V/V試塊.

(2)

強(qiáng)度測試：將測試過空隙率的生態(tài)混凝土靜置干燥，干燥后借用普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法對綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行測試.

植草試驗(yàn)：將養(yǎng)護(hù)好的混凝土試件經(jīng)過降堿處理后，放置于室外，上面鋪一層薄薄的土(土取自山上地面表層，富含腐殖質(zhì)，無需添加營養(yǎng)劑)，將草種均勻?yàn)⒉ピ诒⊥翆由?，觀測植物生長情況試驗(yàn)，試驗(yàn)所用草種為百喜草和狗牙根.

2 綠色生態(tài)混凝土配制試驗(yàn)

綠色生態(tài)混凝土具有特殊的骨架空隙結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行綠色生態(tài)混凝土配合比設(shè)計時，不僅要考慮強(qiáng)度，還要考慮空隙率，故用于普通混凝土配合比設(shè)計的保羅米公式已經(jīng)不再適用.為同時滿足道路護(hù)坡的強(qiáng)度要求及植生要求，擬定綠色生態(tài)混凝土的目標(biāo)空隙率為25%左右，28 d抗壓強(qiáng)度為5～10 MPa.

2.1 綠色生態(tài)混凝土配合比設(shè)計原理

粗骨料用量：為保證綠色生態(tài)混凝土的目標(biāo)空隙率，借用體積法的思想進(jìn)行配合比設(shè)計.即假定成型后的混凝土試塊體積為一個單位，而混凝土試塊的體積即為粗骨料堆積體積，則通過對骨料進(jìn)行篩分，并測試其單一粒徑骨料物理性能可以得到粗骨料的堆積密度，該堆積密度即為單位體積粗骨料用量.

單位體積膠凝材料用量：根據(jù)粗骨料篩分試驗(yàn)即可以通過粗骨料堆積密度及表觀密度計算得到粗骨料的堆積空隙率，由于假定混凝土單位體積是由粗骨料堆積體積給出，粗骨料堆積體積是由堆積粗骨料顆粒體積累加再加上堆積空隙體積構(gòu)成，故單位體積的堆積空隙率即可以看作是單位體積內(nèi)粗骨料之間的空隙體積.給定一個目標(biāo)空隙率，然后假設(shè)剩下的空隙都由膠凝材料漿體填充，則單位體積綠色生態(tài)混凝土膠凝材料漿體的體積即可以通過單位體積粗骨料堆積空隙體積減去目標(biāo)空隙體積求得，

VJ=VRg-Vvoid，

(3)

式中VJ為單位體積透水混凝土膠結(jié)漿體體積，m3；VRg為單位體積單一粒徑骨料的堆積空隙，m3；Vvoid為單位體積目標(biāo)孔隙所占體積，m3.

VJ=WC/ρC+WW/ρW，

(4)

WW=W/C*Wc.

(5)

通過式(4)、(5)可以計算出水泥的理論用量值.

Wc=VJρCρw/(ρw+ρC*W/C)，

(6)

式中：WC為單位體積透水混凝土水泥用量，kg/m3；WW為單位體積透水混凝土拌合水用量，kg/m3；W/C為水灰比；ρC為水泥堆積密度，本文中取1 400kg/m3；ρW為水密度，本文中取1 000kg/m3.

注：水泥堆積密度參照文獻(xiàn)[14]給出的理論計算方法可以求得試驗(yàn)試驗(yàn)所用水泥的空隙率，再根據(jù)給定的水泥密度即可算出水泥的堆積密度.

從式(4)可以看出：

(1) 當(dāng)粗骨料粒徑確定，混凝土目標(biāo)空隙率確定，則理論上單位體積透水混凝土膠結(jié)漿體體積也是確定的，這時影響單位體積水泥用量的就只有水灰比這一個因素.且水泥用量與水灰比呈反比，即水灰比越大，水泥用量越少；水灰比越小，水泥用量越大.故由此可以推斷在一定范圍內(nèi)，水灰比越大，綠色生態(tài)混凝土的強(qiáng)度也越大.

(2) 粗骨料粒徑一定，若綠色生態(tài)混凝土水灰比相同，則水泥用量的多少由單位體積內(nèi)膠凝材料漿體體積決定，而漿體體積由骨料的堆積空隙率和混凝土目標(biāo)空隙率決定，而粗骨料粒徑一定時，骨料的堆積空隙率一定，則水泥用量的多少取決于綠色生態(tài)混凝土目標(biāo)空隙率，當(dāng)目標(biāo)空隙率越大，則水泥用量越少，反之，目標(biāo)空隙率越小，則水泥用量越多.由此可以推斷，目標(biāo)空隙率的大小與綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度之間應(yīng)該是存在一個反比的關(guān)系的.

2.2 綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)配合比計算

基于上述理念，對各不同水灰比不同骨料粒徑情況下配置的綠色生態(tài)混凝土理論水泥用量進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表5.

表5 水泥用量計算值

表6 綠色生態(tài)混凝土試配配合比

上述理論計算可以看出，對于各種粒徑的粗骨料來說，當(dāng)水灰比在0.32～0.38之間時，假定目標(biāo)空隙率為25%時，其水泥用量均在210～250 kg/m3之間，且水灰比越大，水泥用量越少.為了在保證綠色生態(tài)混凝土空隙率的前提下也保證所配制綠色生態(tài)混凝土的強(qiáng)度，以期找到合適的實(shí)際水泥用量以及合適的骨料粒徑，先選用固定的水灰比，即0.35.

通過調(diào)整水泥用量和石頭粒徑對綠色生態(tài)混凝土進(jìn)行了試配試驗(yàn)，試驗(yàn)所用配合比如表6所示.

2.3 綠色生態(tài)混凝土施工工藝

根據(jù)上述5組配合比進(jìn)行綠色生態(tài)混凝土的試配試驗(yàn)，每組配比配制150×150×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件各一組，100×100×100 mm的試件各一組(用于植草試驗(yàn))，每組三個.因每組配制的混凝土量比較少，全部采用人工拌制，具體拌制過程如下：粗骨料稱好放置在事先已經(jīng)潤濕的鐵板上，先加三分之一總水量的水，人工攪拌均勻再加入二分之一總水泥量的水泥，同時加入三分之一總水量的水，待人工攪拌均勻后再加入剩下的水量，攪拌均勻后將剩下的二分之一的水泥加入拌合物中，攪拌均勻.

為了保證目標(biāo)空隙率必須避免過分振搗，故采用人工振搗的形式.具體過程如下：先裝入一半混凝土輕輕的人工振搗至混凝土面齊平，然后再裝入剩下的混凝土，繼續(xù)人工均勻振搗至表面下沉量穩(wěn)定后將表面抹平，剔除多余的突出的粗骨料.

3 綠色生態(tài)混凝土試配試驗(yàn)結(jié)果分析及配比優(yōu)化

3.1 結(jié)果分析

上述試配試驗(yàn)所測得的綠色生態(tài)混凝土空隙率及強(qiáng)度結(jié)果如表7所示.

通過上述試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 水灰比一定的情況下，當(dāng)粗骨料粒徑相同時，水泥用量越多，所測得的綠色生態(tài)混凝土空隙率越小，這一結(jié)論和前面的配合比設(shè)計理論相一致；在骨灰比一定的情況下，不同粒徑骨料配置的綠色生態(tài)混凝土孔隙率變化不大，但強(qiáng)度的變化值相對來說要更大一點(diǎn).

(2) 水灰比一定的情況下，在水泥用量相同時，粗骨料粒徑越小，所測得的綠色生態(tài)混凝土空隙率越小，這和前面所測得的單粒徑粗骨料堆積空隙率一致.

(3) 實(shí)際測得的綠色生態(tài)混凝土空隙率稍大于理論計算值，經(jīng)分析后認(rèn)為，原因有三：一是在實(shí)際拌制過程中，會損失掉一部分水泥和水，且水泥用量越多，相對損失也越大；二是由于綠色生態(tài)混凝土也具有普通混凝土的共性，即普通硅酸鹽水泥在早期硬化時會產(chǎn)生自縮現(xiàn)象；三是在空隙率測試的實(shí)際操作過程中會存在誤差.上述三種原因綜合起來，就導(dǎo)致通過空隙率實(shí)驗(yàn)所得出的空隙率要稍大于空隙率的理論計算值.另外，在裝模過程中，因?yàn)椴捎萌斯ふ駬v，不能保證完全振搗均勻，所以不能保證骨料完全排列整齊，故實(shí)際密實(shí)度低于理論密實(shí)度，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度.為了保證實(shí)測空隙率接近于目標(biāo)空隙率，可以適當(dāng)增加水泥用量以彌補(bǔ)配置過程中水泥的損失量.

表7 綠色生態(tài)混凝土空隙率及抗壓強(qiáng)度值

(4) 綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度和骨料粒徑以及水泥用量都有關(guān)，即骨料粒徑越大，水泥用量越小，綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度相對較低，反之則綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度越高.這是因?yàn)榇止橇狭皆叫。橇吓c骨料之間空隙尺寸越小，混凝土內(nèi)部排列越整齊，密實(shí)度越好，從而強(qiáng)度也越高；反之，粗骨料粒徑越大，骨料與骨料之間空隙尺寸越大，混凝土內(nèi)部密實(shí)度相對要低，強(qiáng)度也就越低.選用4.95～9.5 mm之間的骨料配制的混凝土雖然強(qiáng)度能夠滿足要求，但是其空隙率相對較低，無法滿足植物生長要求；而粒徑在16.5～19.5 mm之間的骨料配置的混凝土則剛好相反，空隙率較大，但是強(qiáng)度無法滿足要求；而粒徑在9.5～16.5 mm之間的骨料配置的混凝土則既能滿足空隙率要求，又能滿足強(qiáng)度要求.

5) 通過對綠色生態(tài)混凝土空隙率和強(qiáng)度之間關(guān)系進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，空隙率和強(qiáng)度之前是存在一個反比的關(guān)系，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，即使粗骨料粒徑不一樣，所用水泥用量不一樣，但是空隙率和強(qiáng)度之間還是存在一定的比例關(guān)系(圖3)，其關(guān)系式如下：y=0.060x-3.84，相關(guān)系數(shù)R2= 0.95.

根據(jù)上面擬合的空隙率和強(qiáng)度關(guān)系，可以算出當(dāng)實(shí)際空隙率在25%時，綠色生態(tài)混凝土計算強(qiáng)度為12.3 MPa，完全能夠滿足要求，故為了保證實(shí)際空隙率在25%，對水泥用量進(jìn)行調(diào)整.假設(shè)所損失的水泥漿體體積通過下面的式子得出：損失的水泥漿體體積=實(shí)際測得空隙率-理論空隙率，則可以算出應(yīng)該增加的水泥用量.

3.2 優(yōu)化的綠色生態(tài)混凝土配合比及配制

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，為了同時滿足孔隙率和混凝土強(qiáng)度，對綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)配合比進(jìn)行了優(yōu)化，水灰比為0.35時，確定粗骨料粒徑選用9.5～16 mm，考慮到拌制過程水泥漿體的損失(由表7可假定水泥漿體體積損失率約為6%)，最后可以確定最合適的膠凝材料用量.

表8 優(yōu)化后的綠色生態(tài)混凝土配比

按照表8的優(yōu)化后的綠色生態(tài)混凝土配合比配置綠色生態(tài)混凝土兩組，每組三個，一組放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)27 d后用于強(qiáng)度和空隙率測試，一組在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d后通過降堿措施用于植生試驗(yàn).空隙率和強(qiáng)度測試結(jié)果見表9.

表9 綠色生態(tài)混凝土空隙率及抗壓強(qiáng)度值

2周之后植物生長情況如圖4所示.

4 結(jié) 論

從優(yōu)化后配置出的綠色生態(tài)混凝土試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1) 本試驗(yàn)過程所建立的綠色生態(tài)混凝土配合比設(shè)計理念及配合比優(yōu)化設(shè)計過程是一種行之有效的方法，能夠有效指導(dǎo)工程應(yīng)用實(shí)踐.

(2) 優(yōu)化后的綠色生態(tài)混凝土強(qiáng)度和空隙率均能夠滿足設(shè)計及實(shí)踐要求，且植草能夠很好的生長，可以有效用于道路護(hù)坡、停車場等工程實(shí)踐中.

(3) 建立了綠色生態(tài)混凝土空隙率與強(qiáng)度的關(guān)系模型y=0.060x-3.84，實(shí)驗(yàn)證明該數(shù)學(xué)模型能較好地詮釋綠色生態(tài)混凝土空隙率與強(qiáng)度之間的關(guān)系.

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責(zé)任編輯：龍順潮

Experimental Study on the Ecology and Green Concrete

YINJian*，PENGHua

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004 China)

To satisfy both green vegetation requirements and structural requirements of ecological concrete, the target void fraction (about 25%) and the target strength (28 d, 5～10 MPa) of green ecological concrete were put forwarded；the performance of consistent materials (gravel, cement, fly ash, etc.) were studied, and according to the composition of the material test results, based on the volume method of common concrete mixture ratio design , a new concept of green ecological concrete proportioning design was proposed, then the mix proportion and the construction technology were designed; and the eco-concrete was prepared, and according to the results of strength and porosity test, the mix proportion was selected, a whole eco-concrete preparation technology was proposed, and the relationship between the strength and the porosity was established. The experimental results show: the proposed preparation technology is valued, the eco-concrete which prepared can meet both strength requirement and porosity requirement, the plant can grow well, can meet the requirements of practice, so the study results can guide the engineering practice better.

ecological concrete; mix proportion design; strength; porosity

2014-09-27

湖南省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2013FJ2002); 湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2013B352)

尹健(1970— )，男，湖南 洞口人，教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:csuyj700930@csu.edu.cn

U418.9

A

1000-5900(2015)01-0037-06