基于生态水工混凝土的试验研究

2024-04-03孔宪忠

黑龙江水利科技 2024年3期

孔宪忠

(海城市水利事务中心,辽宁海城 114200)

传统的浆砌块石或混凝土硬质护岸具有较强的抗冲刷和耐久性,可以发挥较好的防汛排涝和维护岸坡稳定作用,但硬质挡墙、浆砌石边坡覆盖整个河岸表面,阻断了浅层地下水与河流之间交换,河流自然过滤与渗透功能丧失使得水质更加浑浊。河流的生命孕育功能被破坏,以往绿意青翠的自然景观消失,对河流生态功能造成一定破坏[1-3]。

为增加河岸绿化范围和减少不透水岸坡面积,生态水工混凝土作为一种透气性好、孔隙率高的植生型材料得到广泛应用。通过后期注浆覆土,可以实现植被的生长,达到景观绿化和功能使用的效果。然而,该材料在施工工艺、性能控制和配合比设计方面缺乏统一的标准规范。因此,为了确保植物根系能够穿过生态混凝土内部孔隙进入土壤,文章选择使用卵石作为粗骨料,通过掺入适量的尾矿粉取代部分水泥来降低孔隙中的碱环境,为植被生长提供良好条件[5-6]。在保证孔隙率的情况下,通过正交试验设计配合比最大程度地增强混凝土强度,结合pH值、孔隙率和抗压强度值提出优化的生态混凝土配合比,以期为生态混凝土在堤防护坡、河岸生态治理等工程中的应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用胶材大连小野田P·O 42.5级水泥、瓦房店诚远厂提供半加密硅粉和加工研磨制成的锂辉石尾矿粉。外加剂选用苏博特聚羧酸减水剂和植生型混凝土增强剂,其主要参数指标如表1所示。

表1 增强剂主要参数

1.2 配合比设计

一般生态混凝土的孔隙率不宜超过20%～30%,故设计25%、27%、30%三种孔隙率。水胶比对生态混凝土起着至关重要的作用,选择合适的水胶比可以确保拌合物具有适当的流动性,以便能够充分包裹骨料。过小的水胶比会导致拌合物过于黏稠,难以完全包裹骨料,从而影响孔隙率;而过大的水胶比则会使拌合物流动性过大,导致浆体稀薄且出现沉底现象,使浆体变薄或堵塞下部孔隙,进而影响透水性和整体强度。因此,本研究选择了3种不同的水胶比(0.22、0.28和0.30)进行试验,并根据试验目的设计硅灰掺量为8%。将增强剂添加到生态混凝土中可以与水泥反应生成水化合物。因此,试验中选择了3种不同的增强剂掺量(0%、5%、10%),以研究其对生态混凝土性能的影响。为了降低混凝土碱性研究选用锂辉石尾矿粉替代水泥,替代量选取0%、10%、20%。

综上分析,本研究共包含4个变量的3个水平,采用全面试验法具有较长的周期和较大的工作量,需要制备27组试件。为全面准确地反映各因素水平的影响考虑选用正交试验法,制备7组试件即可满足试验要求,正交试验设计如表2所示。

表2 正交试验设计

本研究采用体积法和正交试验,参照《水工混凝土配合比设计规程》中的流程进行生态混凝土配合比设计,如表3所示。

表3 试验配合比

1.3 有效孔隙率测试

有效孔隙率利用排水法进行测量,其主要流程为:将标养28d的试件取出后,将其置于室内自然风干,直至表面无水;然后准备一个漏桶,向其中倒入适量的水,使水面与漏桶出水口平齐,并在漏桶出水口正下方放置一个用于收集溢出水的量杯;将带有铁丝框的试件缓慢地放入漏桶中,直至完全浸没,轻轻摇晃铁丝框完全排出内部的空气;最后,观察并等待一段时间,直到不再有气泡释放为止,称取溢出到量杯中的水,记录其体积,通过体积换算,可以计算出试块的有效孔隙率V0,计算公式为:

V0=1-V水/V

(1)

式中:V、V水为试件表观体积和收集的水体积,m3。

1.4 测试pH值

通过测定水的pH值来了解混凝土中的碱度,其主要流程为:在水桶中浸泡试块,并在一定时间间隔(24h)测定水的pH值,直到pH值稳定不变为止,结合测试数据评估pH值对植被生长的影响[7]。

2 试验结果与配比优化

2.1 正交试验结果

采用正交试验测定生态混凝土的pH值、28d抗压强度和实测孔隙率如表4所示,极差分析实测有效孔隙率和28d抗压强度如表5所示。

表5 极差分析植

其中,K1、K2、K3表示3个水平下尾矿粉与增强剂掺量、水胶比、孔隙率四个因素的抗压强度之和,k1、k2、k3代表K1、K2、K3的均值,极差R代表k1、k2、k3中最大与最小值之差。极差R越大代表计算结果受该因素的影响越高,该因素越重要,反之则越不重要。

依据极差R计算结果,从低到高各个因素对生态混凝土28d抗压强度影响程度排序为锂辉石尾矿粉掺量<增强剂掺量<水胶比<设计孔隙率,

生态混凝土实测孔隙率和最高pH值受各因素影响的程度存在一定差异,各因素的影响程度从低到高排序为增强剂<矿粉<水胶比<设计孔隙率。此外,通过绘制k1、k2、k3与最高pH值和28d强度的关系图来研究不同因素的影响作用,如图1所示。

图1 不同参数效应图

从图1(a)可以看出随设计孔隙率的增大生态混凝土的强度和pH值均逐渐减小。较小设计孔隙率条件下,胶材体积或用量越大水泥水化胶结骨料所形成的强度贡献就越高,适当配合比时水泥用量越大则强度越高[8]。另外,水泥用量越大则水化形成的可溶性碱含量就越高,将其浸没于水中测定的pH值就越大。

从图1(b)可以看出,,增大水胶比会降低pH值和强度,过小的水胶比会降低流动性增大浆体稠度,对骨料包裹具有不利作用;而过大的水胶比易出现沉浆,浆体变稀对骨料的包裹变薄,会使得强度下降[9]。另外,随着水胶比的增大,水泥浆体及其内部的可溶性碱含量逐渐减少,从而降低了pH值。

从图1(c)可以看出,随增强剂掺量的增大生态混凝土强度逐渐增大,pH值则呈先下降趋势,究其原因是加入增强剂有利于激发水泥水化,从而提高强度。另外,水化越完全越会降低可溶性碱含量,将其浸没于水中测定的pH值就越小。

从图1(d)可以看出,随锂辉石尾矿粉掺量的增大生态混凝土强度和pH值均逐渐增大,这是因为掺入尾矿粉会降低拌合物流动性,浆体干硬有利于提升强度。此外,尾矿粉的掺入会减少水泥用量,这相当于降低了水的pH值。

2.2 配比优化

根据正交试验结果分析生态混凝土实测孔隙率、最高pH值和抗压强度受四个因素的影响作用,在此基础上选定4个变量、三个水平的最优组合,以达到混凝土整体性能最优。随设计孔隙率的增加生态混凝土的强度和pH值均逐渐下降,而实测孔隙率则呈现出增大趋势,因此研究选取27%最佳孔隙率[10-11]。抗压强度随水胶比增加表现出先增加后减小的变化特征,而pH值呈现出下降趋势,为保证强度研究选取0.28最佳水胶比。随增强剂掺量的增大生态混凝土强度呈显著上升趋势,而pH值则表现出下降趋势,孔隙率呈现出先上升后下降的趋势,故研究选取10%最佳增强剂掺量;虽然尾矿粉有利于降低内部碱性,但对有效孔隙率和抗压强度发展具有不利影响,故选取10%最佳尾矿粉掺量[12]。

结合生态混凝土孔隙率、pH值和强度分析结果确定最优组合如图6所示,试验测定最优组合混凝土性能如表6所示。结果显示,经优化设计配制的生态混凝土最高pH值为9.1,28d强度达到10.41,实测孔隙率28.65,其各项性能相较于正交试验组整体最优。