摘要:通过拌制粒径分别为5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm、20～25 mm及25～32 mm的5组多孔混凝土试件, 测定其在制作成植生混凝土各阶段的渗透系数, 探求其变化规律。结果表明: 在适生材料灌注前, 骨料粒径越大, 多孔混凝土试件的渗透系数越大, 其值在3156～32178 cm / s间;在灌注后情况恰恰相反, 渗透系数在0111～0185 cm / s间, 表明灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低, 但仍属强透水材料之列; 在植物生长初期, 根系生长作用可提高植生混凝土的透水能力, 但2～3月后趋于稳定; 兼顾植物生长、强度及透水性能, 单粒级植生混凝土骨料粒径宜在20～25 mm之间。
关键词: 多孔混凝土; 植生混凝土; 透水性能; 渗透系数
中图分类号: TV431
文献标识码: B
文章编号: 100020860 (2006) 0920001204
传统砌石、混凝土等护砌方式因隔断了堤内土体与水体间的交换和循环, 阻止了河道与河畔植被的水气循环, 降低了河水的自净能力, 使水、陆生物丧失了生存、栖生和避难场所等原因, 近年来一直为人们所诟病[ 1 ] , 有关生态型堤岸的研究已成为环境、水利等多学科共关注的焦点之一, 其中护岸材料或结构的透水性直接影响其滞洪补枯功能的实现, 也是生态型堤岸的关键指标之一[ 2 ] 。植生混凝土( p lanting concrete ) 以多孔混凝土(porous concrete)为骨架, 通过混凝土内空隙碱性改造、适生材料灌注、植物播种及后期养护等步骤制得, 最早由日本大成建设技术研究所于1993 年开发成功[ 3 ] 。作为新型护岸材料, 植生混凝土有结构稳固、生态环境与景观美化功能强等优点, 目前在日本、韩国等国已有应用于河道护岸工程的实例[ 4 ] 。总的来讲, 多孔混凝土的研究较多, 包括强度、空隙率、渗透系数等[ 5, 6 ]内容, 但植生混凝土的研究还相当缺乏, 用来表征堤岸滞洪补枯能力的植生混凝土的透水性能研究, 目前还未见相关报道。本文通过测定植生混凝土在制作的各阶段的渗透系数, 摸索其变化规律, 以期为开发植生混凝土护岸技术奠定基础。
1 试验方法
1.1 植生混凝土的制作
为保证多孔混凝土内较大连续空隙及孔径供植物根系生长, 一般选用较大的单粒级骨料。本试验通过不同孔径方孔筛分选出不同粒级的碎石, 按水灰比0.3, 灰骨比1 ∶8比例用42.5普通硅酸盐水泥人工拌制成多孔混凝土试件。其外模用<160 ×4 mm的PVC管制得, 管长30 cm, 多孔混凝土试件为圆柱状, 厚度15 cm, 每种规格5块。对多孔混凝土养护、降碱处理后, 利用自制装置将塘泥、泥炭土、缓释肥、保水剂等适生材料灌注到各试件中, 播种百喜草( Pas2palum notatum Flugge)种后, 一周左右后种子开始发芽, 植物生长伴随根系延伸并最终穿透部分试件, 二者契合成为植生混凝土试件。为方便起见, 本试验中5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm、20～25 mm及25～32 mm单粒级多孔混凝土试件编号分别为A、B、C、D及E。
112 空隙率测定
使用如图1所示左侧装置采用排水法可测定多孔或植生混凝土的空隙率。先在定位水桶2中加水, 水深较H1 略大, 待通过溢水管4溢流水深达H1 平衡后, 缓慢放入带PVC外模的多孔或植生混凝土, 溢流出水用量筒5计量, 记作V。由于多孔或植生混凝土骨料较大, 表面凹凸不平, 为减少其厚度误差, 以定位水桶溢流口水平面作为上表面, 该平面比多孔或植生混凝土上表面低约2～3 cm。由实测的V、H1 及已知的PVC外模内径d, 多孔或植生混凝土空隙率P可用下式表示
P =
4V
πd2 H1
×100%
每种多孔或植生混凝土的空隙率结果是以5块试件测试最终取平均值为准, 此法测定结果实为有效空隙率。
1.3 透水系数及其测定方法
使用如图1 所示右侧装置, 方法见参考文献
[ 7 ] , 本次试验中水温均为25 ℃。
2 结 果
2.1 多孔混凝土的空隙率与透水系数
在各组多孔混凝土灌注及养护28 d后进行了空隙率及透水系数的测试, 其结果如图2所示。可见,各组多孔混凝土空隙率在35.28%～39.45%间, 从A到E随骨料粒径逐渐增大, 空隙率随之依次增大,但增幅不明显, 如从骨料粒径5～10 mm的A到25～32 mm的E, 空隙率仅增1.18% , 表明单粒级多孔混凝土骨料粒径对其的空隙率影响不大。随骨料粒径逐渐增大, 透水系数也表现出依次增大现象, 但增幅显著, 如A的透水系数为3.56 cm / s, E的透水系数为32.78 cm / s, 增加了8.2倍, 表明单粒级多孔混凝土的骨料粒径对其透水系数影响显著。
212 灌注处理后多孔混凝土的渗透系数
上述试验及对多孔混凝土试件内部空隙降碱改造、适生材料填充及阴干处理后进行了空隙率及渗透系数测试, 其结果如图3所示。灌注处理后各组多孔混凝土构件空隙率在9.7% ～31.7%间, 但排序与灌注前相反, 从A到E随骨料粒径逐渐增大, 灌注处理后空隙率随之依次减小, 从C到D降幅尤为明显,从23.7%降为10.2%; D～E则差别不大。渗透系数情况也与之类似, 随骨料粒径逐渐增大, 透水系数也表现出依次减小的现象, 从C 到D 降幅最大, 从0.55 cm / s降至0.15 cm / s; A～C, D～E间降幅不明显。
灌注前后比较, 各多孔混凝土构件在灌注后空隙率及透水系数均有一定程度下降, 其值在灌注后的排序与灌注前恰恰相反: 骨料粒径、空隙率及透水系数最小的A, 在灌注后变成最大; 而骨料粒径、空隙率及透水系数最大的E, 在灌注后成为最小。前后变化最大的E, 空隙率和渗透系数由39.45%、32.78 cm / s分别降为9.7%和0.11 cm / s, 前者差约3倍, 后者则差297倍。变化最小的A, 空隙率和渗透系数由35.28%、3.56 cm / s分别降为3.17%和0.85 cm / s,前者差约0.11倍, 后者则差2.42倍。表明灌注处理对单粒级多孔混凝土的空隙率及透水系数影响明显,骨料粒径越大, 受之影响越大。
213 植生混凝土渗透系数变化
上述试验后, 在多孔混凝土构件表层播种、养护, 植物种子萌发、生长成为植生混凝土构件。试验发现, 经过同样处理, 植株高度、生物量及长势以D、E最好, 在60 d时, 已有大量根系穿透植生混凝土构件; C次之, 根系大量穿透现象出现在90 d左右; A、B最差, 生长稀疏, 除多孔混凝土与PVC外模间空隙外, 其他部位几乎没有根系穿透。在120 d试验期里, 每隔30 d测定1 次渗透系数, 其结果如图4所示。在植物生长初期, 各植生混凝土构件的渗透系数均有一定程度上升, 但总的来讲A、B前后差异不大, C在第60～90 d内渗透系数有增幅较明显, D、E则出现在30～60 d内, 这与大量根系穿透混凝土时间大约一致。
3 讨 论
多孔混凝土采用开级配, 粗骨料较多, 靠彼此之间较大的内摩阻力形成强度, 不用或少用细集料从而形成较大的空隙率, 属于骨架空隙结构[ 8 ] 。理想的多孔混凝土是粗集料受压后在排列中互相嵌挤又不互相干涉, 相互之间有较大的摩擦力, 形成排列紧密的多级空间骨架结构。据朱航征实测[ 9 ] , 骨料粒径13～20 cm时多孔混凝土平均空隙直径为3.5mm; 5～13mm时为1.8 mm; 2.5～5 mm时为0.7 mm。结合上述试验结果, 不同粒径的单粒级多孔混凝土, 虽然空隙率相近, 但平均空隙直径差异显著。由于渗透速度主要受介质的平均空隙直径和空隙率影响[ 9 ] , 因此, 较大平均空隙直径的多孔混凝土试件E, 渗透系数较A要大得多。适生材料灌注时加水调成了糊状, 由于适生材料中有大量粒径介于2 ～3 mm 的土壤及缓释肥颗粒,因此, 即使在填充装置里有0.3～0.5 MPa的驱动压力, 对于部分平均空隙直径较小的多孔混凝土试件,适生材料不能有效填充到其内部而形成较大空腔, 造成整体空隙率较高。因此, 出现了灌注前有效空隙率较低的A、B 及C组, 在灌注后变成相对较高; 而D、E因为较大的平均空隙直径, 在外压下适生材料能有效填充到内部空隙, 因此, 填充后有效空隙率大幅降低至10%左右的现象。空隙率直接影响到多孔或植生混凝土透水性能, 因此, 灌注后内部空腔较多A、B及C组比整体密实度较高的D、E组, 渗透系数明显要高。适生材料是植物生长的物质基础, 灌注效果直接影响到植物的生长; 同时, 本次试验选定的百喜草,正常生长时根须直径可达1～2 cm, 过小的平均空隙直径, 势必对其生长产生胁迫。灌注效果较差的A、B组, 加上平均空隙过小的原因导致植物生长较差甚至部分最终死亡; 反之, D、E因灌注效果好、平均空隙直径大, 植物生长较好。植物生长在土壤中时, 其根系能够增加水稳性团聚体含量, 降低土壤容重, 增加非毛管孔隙度,进而增强土壤疏松性和透水性[ 10 ] 。本次试验中发现, 植生混凝土试件中适生材料的情况与土壤中类似, 根系作用导致植生混凝土构件渗透系数有不同程度升高, 并且最终随大量根系的穿透而最终保持稳定。前文述及多孔混凝土构件在适生材料灌注后渗透系数急剧减小至0.11～0.85 cm / s间, 这一范围与普通砾石渗透系数相当[ 9 ] , 因此, 还属于强透水性材料之列, 而且随植物生长, 其渗透系数还有不同程度增大; 同比之下, 普通混凝土多在1.0 ×10- 7 cm / s以下[ 11 ] , 与粘土相当[ 9 ] , 二者相差极为悬殊。因此,若用植生混凝土护砌, 可获得普通混凝土无法比拟的透水性能: 为当洪水来临时, 河岸能迅速消纳一部分河水; 而在枯水季节, 两岸潜水可以对河水进行补给, 实现滞洪补枯功能。整个试验中D、E在适生材料灌注后, 渗透系数及空隙率值都比较接近, 植物生长情况也相当。杨静等[ 12 ]研究表明, 对于单粒级骨料多孔混凝土, 随骨料粒径增大强度有降低的现象, 主要原因在于单位体积骨料的接点数也随之急剧减少, 由此可知D 比E强度要高, 兼顾强度, D应比E更优。因此, 单粒级植生混凝土的骨料粒径宜在20～25 mm间。
4 结 论
由以上的试验结果及分析, 在研究条件下可以得到以下几点结论: (1)在适生材料灌注前, 骨料粒径越大, 多孔混凝土试件的渗透系数越大, 其值在3.56～32.78 cm / s间; (2)在适生材料灌注后情况恰恰相反, 渗透系数在0.11～0.85 cm / s间, 表明灌注后多孔混凝土透水性能大幅降低, 但属强透水材料之列; (3)在植物生长初期, 根系生长作用可提高植生混凝土的透水能力, 但2～3月后趋于稳定; ( 4)兼顾植物生长、强度及透水性能, 单粒级植生混凝土,骨料粒径宜在20～25 mm之间。
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