植草护坡混凝土最优配合比设计研究

冯姝丽

（法库县应急管理局，辽宁 法库 110400）

植草混凝土能否发挥其植生效能的关键在于植物根系能否穿过孔隙并扎根于里层土壤，孔隙率过小则无法满足植物生长需求，过大则其耐雨水冲刷能力较差难以保证生长[1]。因此，仍需进一步研究适于不同工程、植物、地区的植草混凝土孔隙率，并且要考虑到对强度以及植生性能的影响平衡。另外，在实际应用中植草混凝土必须符合草本植物的生长环境要求，所以降碱处理也是一项重要研究内容，而现有的降碱技术会在不同程度上影响其力学性能。

我国许多学者广泛研究了孔隙率、降碱工艺和制备工艺等相关内容，如全洪珠等通过设置27%、30%、33%目标孔隙率和3种水胶比以及单一骨料粒径10~25mm变量，计算确定了各目标孔隙率和水胶比下的强度标准差，结果发现植草混凝土强度受水胶比的影响随目标孔隙率的增大而减小，33%孔隙率下的28d强度标准差为0.48，并且植草混凝土28d强度受目标孔隙率的影响高于水胶比；谢非等设计100%、70%、50%、30%、0%天然骨料替代率和20%、25%、30%不同孔隙率制备植草混凝土，结果发现孔隙率相同时试件的抗压强度随天然骨料替代率的增加逐渐增大，随孔隙率的增大逐渐减小；谢清华等按照1:1:1的比例用降碱溶液NH4HPO4、KH2PO4、NH3HCO3配制成3%、2%、1%、0.5%、0%的复合降碱溶液，结果表明随着复合降碱溶液的加入植草混凝土强度有所增大，增幅为6%~8%，这可能与降碱溶液与水化产物氢氧化钠反应生成难溶性的磷酸钙和碳酸钙填充内部孔隙，使得整体密实度提高有关；廖文宇等研究认为在不影响植草混凝土强度的情况下，掺入一定外加剂和快速碳化均可以具有较好的降碱效果，掺5%~6%外加剂时的增强效果最优，经快速碳化后表层混凝土pH接近于中性，并且碳化作用反而会使强度小幅提升；吴磊等对比分析了拌合工艺对植草混凝土强度的影响，结果发现两次拌合法可以在一定程度上提高抗压强度，但其增强效果低于水泥裹石法；蒋正武等对比了水泥裹石法和一次给料法两种搅拌工艺对植草混凝土的影响，结果发现水泥裹石法对于抗压强度的提升效果明显高于一次给料法[2-7]。鉴于此，文章结合相关研究成果初步探讨了植草混凝土制备原理，通过设计多种配合比方案探讨了各因素对植草混凝土抗折、抗压、抗冲刷强度以及孔隙率等性能的影响，并结合试验数据提出最优配合比，采用该配合比进行植生试验，验证在中小河流生态护坡治理中该配合比方案的可行性和有效性。

1 植草护坡混凝土试验方法

1.1 配合比设计

研究选用抗折、抗压、抗冲刷强度以及孔隙率等指标反映植草混凝土的工作性能，通过一系列试验分析优化设计植草混凝土的材料组成、植被工艺及其配合比设计[8]。孔隙率的增加会降低强度，文章结合各指标之间存在的彼此制约、相互影响关系，综合考虑多个因素进行配合比方案设计，如表1所示。

表1 植草护坡混凝土配合比

1.2 性能测试方法

植草混凝土主要是利用化学外加剂、矿物掺合料、砂石、水泥和水等材料，经均匀搅拌制成的一种能够满足防洪抗冲和植物生长所需养分的多孔混凝土，一般需要测试其力学性能和孔隙率。将胶凝材料、水砂石等原材料按照设计配合比均匀混合搅拌后倒出，采用300mm×100mm×100mm、120mm×120mm×120mm试模制备试件，标养28d后测定各组抗折、抗压、抗冲刷强度以及孔隙率。其中，孔隙率是反映植草混凝土透水性和植生性的主要参数，又可进一步细分成有效孔隙率N1和全孔隙率N2。

采用体积法测定有效孔隙率N1，先将标养28d的120mm×120mm×120mm植草混凝土体积标记成V0，在量筒中倒入一定体积的水记录为V1，然后在量筒中放入试块读取其数值记录体积V2，并采用下式计算有效孔隙率N1，即[9-10]：

采用称量法测定全孔隙率N2，在烘箱中放入试块恒温(60℃)烘干24h，在干燥器中自然冷却至室温称取试块质量M，采用下式计算权全孔隙率N2，即：

式中：V0、ρi代表试块的体积(cm2)和理论密度；M、N2代表试块的干重(g)和全孔隙率(%)。

2 试验结果与分析

2.1 胶凝浆体加入量的影响

试验测定植生混凝土孔隙率、28d抗折和抗压强度见表2，结果表明在目标孔隙率相同情况下，植草混凝土实测孔隙率随胶材浆体量的增大而减小。目标孔隙率为20%条件下，胶材浆体量为655.88kg、680.66kg、752.88kg时所对应的实测孔隙率分别为19.5%、18.8%、18.2%，相应的28d抗压强度分别为11.6MPa、12.7MPa、14.1MPa，符合生态护坡强度要求。目标孔隙率25%条件下，实测与目标孔隙率相差较小，但28d抗压强度明显下降，不满足生态护坡强度要求。

表2 植草护坡混凝土性能测试结果

2.2 含砂率对强度的影响

不同含砂率对强度的影响，如图1所示。

图1 不同含砂率对强度的影响

从图1可以看出，植草混凝土强度随含砂率的增加逐渐增大，究其原因是细骨料的加入可以在一定程度上提高拌合物维勃稠度，增大粗骨料之间的点、面接触点及其表面胶凝浆体膜厚度，从而提高植草混凝土整体强度，因此掺入一定细骨料可以提高试件强度，但细骨料加入量不宜过高，否则会增大基体密实度难以达到预期的滤水保土效果，结合工程实践经验和相关数据提出含砂率不宜超过12%~15%[11-12]。

2.3 实测孔隙率对强度的影响

实测孔隙率对强度的影响，如图2所示。

图2 实测孔隙率对强度的影响

从图2可以看出，增大实际孔隙率植草混凝土强度总体呈波动下降趋势，植草混凝土强度在实测孔隙率处于19.8%~24.1%范围时降幅较小，这是因为实际孔隙率的增加会在一定程度上减小胶凝浆体加入量，内部的骨料胶结面积也随之减小，从而使得整体强度有所下降。

2.4 确定最优配合比

根据以上配合比和试验数据分析结果，经适当调整研究提出植草混凝土最佳配合比，如表3所示。

表3 植草护坡混凝土最优配合比

2.5 植生性能分析

充分考虑植物生长和中小河流生态护坡对植草混凝土孔隙率及强度的要求[13-14]，研究选用表3中的最优配合比制备植草混凝土。为对比分析植草混凝土中不同草种的生长状况，试验选用马尼拉和高羊茅草种进行植生性能试验，种植材料选用天然土壤，适生材料选用草木灰与长效复合肥按一定比例混合而成的材料，不同生长天数的马尼拉和高羊茅茎叶长度测试结果如图3所示。

图3 不同含砂率对强度的影响

从图3可以看出，生长天数不超过30d时，植草混凝土厚度与播种草种的生长情况不存在直接关系，这表明环境因素对前期草种生长的影响较低，种子自身提供了其生长所需的养分和水分，随着试块厚度的增厚和生长天数的增加，马尼拉和高羊茅茎叶长度逐渐增大，这表明周围环境因素对后期植物生长的影响较显著，植草混凝土厚度越大就越有利于植物吸收土壤中的养分和水分，更好地满足植物生长需求。

3 结 论

文章结合植草护坡混凝土特点初步探讨了其各种性能测试和制备方法，通过分析各因素对植草混凝土抗折、抗压强度及孔隙率等性能的影响提出最优配合比，采用最优配合比和植生试验模拟河流生态护岸实际工程中的性能，主要结论如下：

1）目标孔隙率相同情况下，植草混凝土实测孔隙率随胶材浆体量的增大而减小，其强度随含砂率的增加逐渐增大，这是因为细骨料的加入可以在一定程度上增大拌合物维勃稠度、粗骨料之间的点面接触点以及表面胶凝浆体膜厚度，提高植草混凝土整体强度，但细骨料加入量不宜过高，结合工程实践经验和相关数据提出含砂率不宜超过12%~15%。

2）采用最优配合比配制的植草混凝土可以满足植物生长需求，通过内部孔隙植物根系能够扎根于里层土壤吸收养分和水分，实现了植草混凝土与植物根系的有机结合。植生试验表明，该配合比可以满足中小河流生态护坡有关要求，研究成果为中小河流生态治理中植草混凝土方案设计及其应用提供一定技术支持。