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植生混凝土在城市河道中的研究与应用

发布时间:2018-08-30  来源:  点击率:

◆ 湖北益通建设股份有限公司 张 玲

目前,多数河道出于防洪安全的需要,两岸的堤防都修建得笔直高大,且水面单调划一,水流速度慢,河道现状面临的根本问题就是生态环境问题,只有从生态的角度修复和重建生态系统,才能为供水、水环境、水生态、水景观等其他功能奠定基础。

1.技术背景

混凝土的大量生产和使用给人类提供了便捷的生活设施,也给地球环境和生态平衡造成了很严重的影响。因此,突破传统建筑材料的范围,寻求与自然的和谐与发展,成为混凝土发展方向之一。生态环境友好型混凝土,作为一种新型的环保建筑材料应运而生。

植生型多孔混凝土是一种植物可以直接在其中生长的生态友好型混凝土,同时也是一种将植物引入到混凝土结构中的技术。这种混凝土多使用于市政工程坡面结构以及河道两岸的绿化与保护。

2.植生混凝土原材料的选择

2.1水泥

不同品种的水泥,其性能不同,如强度、耐久性等在相当大的程度上影响着混凝土的性能。对于植生混凝土,必须控制游离石灰的溶出,使之不对动植物造成影响,且不会降低耐久性。因此,最好是使用C3S含量少的水泥或掺入了火山灰材料的水泥。在实际工程中,为了取材的经济、方便,选用普通硅酸盐水泥就可以满足条件。

2.2骨料

粗骨料的品质是植生混凝土力学性能的主要影响因素之一, 与普通混凝土工作性要求相反,植生混凝土强度要求粗骨料表面粗糙,从而可以增大与水泥浆体的粘结力。对有耐磨要求的坡面用植生混凝土,水泥浆体的强度和粗骨料与浆体间的粘结力比粗骨料的硬度更为重要。粗骨料的表面粗糙程度、弹性模量及其最大粒径都能影响粗骨料与水泥浆体的机械粘结力,从而影响植生混凝土的强度。因此良好的植生混凝土粗骨料应具备适当的粗糙度、较高的弹性模量及较小粒径。另外,骨料中掺入的有机杂质、粘土等会阻碍水化反应,削弱水泥浆的粘结力,所以要使用清洁的骨料配制植生混凝土。

为了保证植生混凝土有良好的孔隙率和透水性,植生混凝土的配合比中不掺加细骨料。

2.3 专用添加剂

GCF-2添加剂是由北京东方建科科技有限公司开发研制的一种生态混凝土外加剂,密度为1.044g/mL。它是一种以碳酸钙、硅石粉为主要成分的橘黄色无机质悬浮液,它的作用是使生态混凝土实现所需的各项物理性能(孔隙率、透水性等)、力学性能(抗压强度、耐久性等)指标。另外GCF-2添加剂还有另外一项重要作用,就是可以为混凝土做脱碱处理。

3.植生混凝土配合比

3.1配合比的初步确定

具有植生功能的多孔性生态混凝土的组成设计应同时满足孔隙率、酸碱性及强度等几方面的要求。配合比设计的原则是水泥砂浆能够将粗骨料颗粒互相粘结起来,形成一个整体,具有一定的强度,而且不需要将骨料之间的孔隙填充密实。lm3 多孔混凝土的质量应为紧密堆积的骨料和水泥用量及用水量之和,大约在1600~2100kg的范围内。根据这个原则,可以初步确定多孔混凝土的配合比。下表是生态护坡中所使用的多孔混凝土的配合比。

m3砼各材料用量(kg)

水泥

碎石

添加剂

62.5

398.2

1527.5

11.75

质量比例

0.16

1

3.84

0.03


3.2 水灰比的确定

水灰比的设计是植生混凝土制作过程中需要重点考虑的一个因素,因为它既影响到混凝土的强度,也影响到混凝土的孔隙率和透水性。一般情况下,对于某一给定的骨料,具有一个最佳水灰比。当水灰比小于这一最佳值时,水泥砂浆难以包裹所有的骨料颗粒,混凝土因坍落度过小而导致不易搅拌均匀,也达不到适宜的密实度,不利于强度的形成。反之,如果水灰比过大,水泥砂浆可能把孔隙部分全部堵死,使得孔隙率降低,不利于透水、透气,影响植物的生长。一般需要设计正交试验来调整水灰比,使其达到强度和孔隙率所要求的最佳配合比。植生混凝土的水灰比一般介于0.1-0.3之间。

3.3 抗压强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求,制作试件尺寸为150mm*150mm*150mm的标准试块,成型后24h拆模,在标准养护条件下分别养护7天和28天进行抗压强度试验。

3.4孔隙率

当水进入植生混凝土时,则水把气相排除,水完全替代气相所占的空间。水填充空隙时,植生混凝土的质量则会发生改变,由原来多孔混凝土的质量,变为水和多孔混凝土的质量,质量差则为多孔混凝土孔隙部分的体积填充水的质量,则通过质量密度体积换算即可测得多孔混凝土材料的孔隙率。

3.5 酸碱度

本项目采用取出固液萃取的方法来制备溶液测定多孔混凝土的pH值。具体步骤如下:将植生混凝土试块破碎,充分研磨,过筛(用0.08mm方孔筛),称取10g,然后加入l0倍重量的蒸馏水中,用橡皮塞塞紧以防碳化,每隔约5min震动摇匀一次,2h后过滤,使用滤液来测定混凝土的pH值。

3.6试验结果与分析

对植生混凝土强度、PH值、孔隙率、透水性试验结果汇总如下:

编号

抗压强度(MPa)

PH

孔隙率(%

透水系数(mm/s)

S-1

10.89

10.2

25.3

7.81

S-2

14.22

10.5

26.3

9.47

S-3

19.30

10.7

28.2

8.69

(1)抗压强度结果分析

根据上表数据分析,植生混凝土养护7天的标准立方体试块的抗压强度在10~20MPa之间,在多孔性植生混凝土的配方中加入GCF-2无机质混合材料可以加快水泥的水化反应,相当于早强剂的作用。因此此种混凝土可以称得上是一种早强混凝土,养护28天后其强度能够达到20MPa以上,完全可以满足防护边坡的要求。

(2)pH值的测定结果分析

从pH值测定结果可以得到,多孔性植生混凝土的pH值维持在10左右,这样低碱性有利于植物和水中生物的生长,普通混凝土由于其组成材料之一的水泥在水化时,将产生占水泥石体积20%-~30%的Ca(OH)2 使得混凝土呈强碱性,pH值高达12~13同,这种碱性对于钢筋混凝土结构来说是有利的,能够保护钢筋不被腐蚀。但是对于植生混凝土来说,这种强碱性不利于植物和水中生物的生长。但是在植生混凝土的配合比中加入GCF-2无机质混合材料,除了起到增强混凝土强度的作用外,还同时减少水泥的用量。单位体积的混凝土中水泥用量的减少,对降低生态混凝土的pH值是有利的。另外,随着时间的推移,空气中的CO2 进一步中和水泥砂浆中的Ca(OH)2 ,pH值进一步的降低,更加接近中性,从而达到植物和水中生物生长的要求。

(3)孔隙率的测定结果分析

孔隙率对植生混凝土的力学性能影响很大,为了满足植物生长的需要,植生混凝土必须增加其孔隙率和孔隙直径,这样必然造成其强度的降低,但是由于植生混凝土中未掺加细骨料,同时又添加了GCF-2无机质混合材料,使其内部孔隙较多,在强度满足了边坡防护的基本要求的同时,孔隙率可以达到25%以上,能够使植物根系在混凝土中生长茂盛。

4.植生混凝土的施工

4.1 准备工作

清除坡面杂物,平整坡面。在平整后的坡面上,铺厚50~75mm表土,轻轻压实;在坡顶、坡底挖沿水流方向的截水沟,深30cm,宽15cm。顺水流方向,在坡面上每隔约9m,挖深30cm,宽15cm的排水沟。

4.2  浇筑框格梁

本项目框格梁将护坡坡面分割成2*2.5m的独立单元体,采用C20普通混凝土进行浇筑,浇筑混凝土前,先排干基坑内的积水,并清除垃圾和杂物。对于模板的缝隙和孔洞要预先封堵。  

4.3 浇筑植生混凝土

植生混凝土由于坍落度小,只能采用现场搅拌方式。为了保证搅拌质量,我们采用强制式搅拌机进行拌制,严格按照试配好的配合比进行施工。

混凝土浇筑完,在种植草之前,使多孔植生混凝土表面中性化,然后在多孔混凝土中填入保水性好的土质,对植物生长必须的养分可加入多孔混凝土表面的覆土中,其覆土厚度不大于20mm。

5. 植生混凝土的养护

植生护坡在管养当中一般采用普通化肥,对于植物前期生长有促进作用,而在坡体经雨水冲刷后会出现土壤贫瘠导致植物生长不良。针对这一问题我们采用了一种营养型无纺布铺设在植生混凝土下面,待植物根系伸进混凝土孔隙之后,可以获得长效营养及达到反滤功能,这种营养型无纺布试件体具有一定的强度和韧性,既利于植物根系生长又能为植物生长提供长期所必需的养分和存储空间,用于边坡工程可防止在坡面形成稳定健康的植物群落之前出现养分耗尽的现象。

6.主要技术创新点

1、植生混凝土技术改善了城市河道目前面临的“灰色化”和“平面化”的问题,让植物根系生长于多孔混凝土下层土壤中,运用生态工程技术,充分发挥护坡植被的“美化”、“多样化”的景观效果。

2、植生混凝土是一种孔隙率为25~30%的蜂窝状新型混凝土,其自身的强度也可以对坡体形成保护作用。

3、面层的植物通过植生混凝土下面铺设的营养型无纺布获得长效营养及反滤功能,植物的生长对坡面起到了第二重保护,同时可以净化水质及防止水土流失。

7. 社会效益

植生型混凝土作为生态混凝土的一个分支类型,是一种植物能直接在其中生长的生态混凝土,同时也是一种将植物引入到混凝土结构中的技术。将这项技术应用于河堤护坡、护岸有着良好的前景。植生型混凝土具有与土壤类似的孔隙率且强度高,抗侵蚀能力强,由于其内部存在连续的孔隙,从而具有良好的透水性和透气性,能使一定根系的植物在其中生长。将其应用于河道整治不仅有利于水土保持,同时还对水质净化、环境保护和维持生态多样性等方面起到有益的作用。

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