植生混凝土的透水性能研究

摘要:通過拌制粒徑分別為5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm、20～25 mm及25～32 mm的5組多孔混凝土試件, 測定其在制作成植生混凝土各階段的滲透系數, 探求其變化規(guī)律。結果表明: 在適生材料灌注前, 骨料粒徑越大, 多孔混凝土試件的滲透系數越大, 其值在3156～32178 cm / s間;在灌注后情況恰恰相反, 滲透系數在0111～0185 cm / s間, 表明灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低, 但仍屬強透水材料之列; 在植物生長初期, 根系生長作用可提高植生混凝土的透水能力, 但2～3月后趨于穩(wěn)定; 兼顧植物生長、強度及透水性能, 單粒級植生混凝土骨料粒徑宜在20～25 mm之間。

關鍵詞:　多孔混凝土; 植生混凝土; 透水性能; 滲透系數

中圖分類號: TV431　　　　

文獻標識碼: B　　　　

文章編號: 100020860 (2006) 0920001204

　  傳統(tǒng)砌石、混凝土等護砌方式因隔斷了堤內土體與水體間的交換和循環(huán), 阻止了河道與河畔植被的水氣循環(huán), 降低了河水的自凈能力, 使水、陸生物喪失了生存、棲生和避難場所等原因, 近年來一直為人們所詬病[ 1 ] , 有關生態(tài)型堤岸的研究已成為環(huán)境、水利等多學科共關注的焦點之一, 其中護岸材料或結構的透水性直接影響其滯洪補枯功能的實現, 也是生態(tài)型堤岸的關鍵指標之一[ 2 ] 。植生混凝土( p lanting concrete ) 以多孔混凝土(porous concrete)為骨架, 通過混凝土內空隙堿性改造、適生材料灌注、植物播種及后期養(yǎng)護等步驟制得, 最早由日本大成建設技術研究所于1993 年開發(fā)成功[ 3 ] 。作為新型護岸材料, 植生混凝土有結構穩(wěn)固、生態(tài)環(huán)境與景觀美化功能強等優(yōu)點, 目前在日本、韓國等國已有應用于河道護岸工程的實例[ 4 ] ?？偟膩碇v, 多孔混凝土的研究較多, 包括強度、空隙率、滲透系數等[ 5, 6 ]內容, 但植生混凝土的研究還相當缺乏, 用來表征堤岸滯洪補枯能力的植生混凝土的透水性能研究, 目前還未見相關報道。本文通過測定植生混凝土在制作的各階段的滲透系數, 摸索其變化規(guī)律, 以期為開發(fā)植生混凝土護岸技術奠定基礎。

1 　試驗方法

1.1　植生混凝土的制作

      為保證多孔混凝土內較大連續(xù)空隙及孔徑供植物根系生長, 一般選用較大的單粒級骨料。本試驗通過不同孔徑方孔篩分選出不同粒級的碎石, 按水灰比0.3, 灰骨比1 ∶8比例用42.5普通硅酸鹽水泥人工拌制成多孔混凝土試件。其外模用<160 ×4 mm的PVC管制得, 管長30 cm, 多孔混凝土試件為圓柱狀, 厚度15 cm, 每種規(guī)格5塊。對多孔混凝土養(yǎng)護、降堿處理后, 利用自制裝置將塘泥、泥炭土、緩釋肥、保水劑等適生材料灌注到各試件中, 播種百喜草( Pas2palum notatum Flugge)種后, 一周左右后種子開始發(fā)芽, 植物生長伴隨根系延伸并最終穿透部分試件, 二者契合成為植生混凝土試件。為方便起見, 本試驗中5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm、20～25 mm及25～32 mm單粒級多孔混凝土試件編號分別為A、B、C、D及E。

112　空隙率測定

      使用如圖1所示左側裝置采用排水法可測定多孔或植生混凝土的空隙率。先在定位水桶2中加水, 水深較H1 略大, 待通過溢水管4溢流水深達H1 平衡后, 緩慢放入帶PVC外模的多孔或植生混凝土, 溢流出水用量筒5計量, 記作V。由于多孔或植生混凝土骨料較大, 表面凹凸不平, 為減少其厚度誤差, 以定位水桶溢流口水平面作為上表面, 該平面比多孔或植生混凝土上表面低約2～3 cm。由實測的V、H1 及已知的PVC外模內徑d, 多孔或植生混凝土空隙率P可用下式表示

P =

4V

πd2 H1

×100%

每種多孔或植生混凝土的空隙率結果是以5塊試件測試最終取平均值為準, 此法測定結果實為有效空隙率。

1.3　透水系數及其測定方法

使用如圖1 所示右側裝置, 方法見參考文獻

[ 7 ] , 本次試驗中水溫均為25 ℃。

2 　結　果

2.1　多孔混凝土的空隙率與透水系數

      在各組多孔混凝土灌注及養(yǎng)護28 d后進行了空隙率及透水系數的測試, 其結果如圖2所示。可見,各組多孔混凝土空隙率在35.28%～39.45%間, 從A到E隨骨料粒徑逐漸增大, 空隙率隨之依次增大,但增幅不明顯, 如從骨料粒徑5～10 mm的A到25～32 mm的E, 空隙率僅增1.18% , 表明單粒級多孔混凝土骨料粒徑對其的空隙率影響不大。隨骨料粒徑逐漸增大, 透水系數也表現出依次增大現象, 但增幅顯著, 如A的透水系數為3.56 cm / s, E的透水系數為32.78 cm / s, 增加了8.2倍, 表明單粒級多孔混凝土的骨料粒徑對其透水系數影響顯著。

212　灌注處理后多孔混凝土的滲透系數

      上述試驗及對多孔混凝土試件內部空隙降堿改造、適生材料填充及陰干處理后進行了空隙率及滲透系數測試, 其結果如圖3所示。灌注處理后各組多孔混凝土構件空隙率在9.7% ～31.7%間, 但排序與灌注前相反, 從A到E隨骨料粒徑逐漸增大, 灌注處理后空隙率隨之依次減小, 從C到D降幅尤為明顯,從23.7%降為10.2%; D～E則差別不大。滲透系數情況也與之類似, 隨骨料粒徑逐漸增大, 透水系數也表現出依次減小的現象, 從C 到D 降幅最大, 從0.55 cm / s降至0.15 cm / s; A～C, D～E間降幅不明顯。

      灌注前后比較, 各多孔混凝土構件在灌注后空隙率及透水系數均有一定程度下降, 其值在灌注后的排序與灌注前恰恰相反: 骨料粒徑、空隙率及透水系數最小的A, 在灌注后變成最大; 而骨料粒徑、空隙率及透水系數最大的E, 在灌注后成為最小。前后變化最大的E, 空隙率和滲透系數由39.45%、32.78 cm / s分別降為9.7%和0.11 cm / s, 前者差約3倍, 后者則差297倍。變化最小的A, 空隙率和滲透系數由35.28%、3.56 cm / s分別降為3.17%和0.85 cm / s,前者差約0.11倍, 后者則差2.42倍。表明灌注處理對單粒級多孔混凝土的空隙率及透水系數影響明顯,骨料粒徑越大, 受之影響越大。

213　植生混凝土滲透系數變化

      上述試驗后, 在多孔混凝土構件表層播種、養(yǎng)護, 植物種子萌發(fā)、生長成為植生混凝土構件。試驗發(fā)現, 經過同樣處理, 植株高度、生物量及長勢以D、E最好, 在60 d時, 已有大量根系穿透植生混凝土構件; C次之, 根系大量穿透現象出現在90 d左右; A、B最差, 生長稀疏, 除多孔混凝土與PVC外模間空隙外, 其他部位幾乎沒有根系穿透。在120 d試驗期里, 每隔30 d測定1 次滲透系數, 其結果如圖4所示。在植物生長初期, 各植生混凝土構件的滲透系數均有一定程度上升, 但總的來講A、B前后差異不大, C在第60～90 d內滲透系數有增幅較明顯, D、E則出現在30～60 d內, 這與大量根系穿透混凝土時間大約一致。

3 　討　論

      多孔混凝土采用開級配, 粗骨料較多, 靠彼此之間較大的內摩阻力形成強度, 不用或少用細集料從而形成較大的空隙率, 屬于骨架空隙結構[ 8 ] 。理想的多孔混凝土是粗集料受壓后在排列中互相嵌擠又不互相干涉, 相互之間有較大的摩擦力, 形成排列緊密的多級空間骨架結構。據朱航征實測[ 9 ] , 骨料粒徑13～20 cm時多孔混凝土平均空隙直徑為3.5mm; 5～13mm時為1.8 mm; 2.5～5 mm時為0.7 mm。結合上述試驗結果, 不同粒徑的單粒級多孔混凝土, 雖然空隙率相近, 但平均空隙直徑差異顯著。由于滲透速度主要受介質的平均空隙直徑和空隙率影響[ 9 ] , 因此, 較大平均空隙直徑的多孔混凝土試件E, 滲透系數較A要大得多。適生材料灌注時加水調成了糊狀, 由于適生材料中有大量粒徑介于2 ～3 mm 的土壤及緩釋肥顆粒,因此, 即使在填充裝置里有0.3～0.5 MPa的驅動壓力, 對于部分平均空隙直徑較小的多孔混凝土試件,適生材料不能有效填充到其內部而形成較大空腔, 造成整體空隙率較高。因此, 出現了灌注前有效空隙率較低的A、B 及C組, 在灌注后變成相對較高; 而D、E因為較大的平均空隙直徑, 在外壓下適生材料能有效填充到內部空隙, 因此, 填充后有效空隙率大幅降低至10%左右的現象?？障堵手苯佑绊懙蕉嗫谆蛑采炷镣杆阅? 因此, 灌注后內部空腔較多A、B及C組比整體密實度較高的D、E組, 滲透系數明顯要高。適生材料是植物生長的物質基礎, 灌注效果直接影響到植物的生長; 同時, 本次試驗選定的百喜草,正常生長時根須直徑可達1～2 cm, 過小的平均空隙直徑, 勢必對其生長產生脅迫。灌注效果較差的A、B組, 加上平均空隙過小的原因導致植物生長較差甚至部分最終死亡; 反之, D、E因灌注效果好、平均空隙直徑大, 植物生長較好。植物生長在土壤中時, 其根系能夠增加水穩(wěn)性團聚體含量, 降低土壤容重, 增加非毛管孔隙度,進而增強土壤疏松性和透水性[ 10 ] 。本次試驗中發(fā)現, 植生混凝土試件中適生材料的情況與土壤中類似, 根系作用導致植生混凝土構件滲透系數有不同程度升高, 并且最終隨大量根系的穿透而最終保持穩(wěn)定。前文述及多孔混凝土構件在適生材料灌注后滲透系數急劇減小至0.11～0.85 cm / s間, 這一范圍與普通礫石滲透系數相當[ 9 ] , 因此, 還屬于強透水性材料之列, 而且隨植物生長, 其滲透系數還有不同程度增大; 同比之下, 普通混凝土多在1.0 ×10- 7 cm / s以下[ 11 ] , 與粘土相當[ 9 ] , 二者相差極為懸殊。因此,若用植生混凝土護砌, 可獲得普通混凝土無法比擬的透水性能: 為當洪水來臨時, 河岸能迅速消納一部分河水; 而在枯水季節(jié), 兩岸潛水可以對河水進行補給, 實現滯洪補枯功能。整個試驗中D、E在適生材料灌注后, 滲透系數及空隙率值都比較接近, 植物生長情況也相當。楊靜等[ 12 ]研究表明, 對于單粒級骨料多孔混凝土, 隨骨料粒徑增大強度有降低的現象, 主要原因在于單位體積骨料的接點數也隨之急劇減少, 由此可知D 比E強度要高, 兼顧強度, D應比E更優(yōu)。因此, 單粒級植生混凝土的骨料粒徑宜在20～25 mm間。

4 　結　論

      由以上的試驗結果及分析, 在研究條件下可以得到以下幾點結論: (1)在適生材料灌注前, 骨料粒徑越大, 多孔混凝土試件的滲透系數越大, 其值在3.56～32.78 cm / s間; (2)在適生材料灌注后情況恰恰相反, 滲透系數在0.11～0.85 cm / s間, 表明灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低, 但屬強透水材料之列; (3)在植物生長初期, 根系生長作用可提高植生混凝土的透水能力, 但2～3月后趨于穩(wěn)定; ( 4)兼顧植物生長、強度及透水性能, 單粒級植生混凝土,骨料粒徑宜在20～25 mm之間。

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