陈宇 刘威勤 范森勇 覃江涛
摘要：为探究不同水胶比对再生植生混凝土基本性能的影响，文章通过开展混凝土7 d和28 d抗压强度测试、孔隙率测试试验及孔隙环境pH值测试，分析水胶比对再生植被混凝土力学性能、孔隙率及孔溶液pH值的影响规律。结果表明：水胶比从0.24～0.32变化时，混凝土抗压强度先提升后降低，总孔隙率和连通孔隙率不断降低，孔隙环境pH值不断下降，但变化速率却逐渐减小；
当水胶比为0.28时，混凝土7 d抗压强度为34.7 MPa，28 d抗压强度为36 MPa，力学性能为最优，总孔隙率达到22.6%，连通孔隙率达到21.1%，强度和孔隙率满足有关规范要求，28 d孔隙环境pH值为9.2，大于规范要求的≤9。
关键词：水胶比；
再生植生混凝土；
抗压强度；
孔隙率；
孔溶液pH值
中图分类号：U416.03 文献标识码：A
文章编号：1673-4974（2024）04-0040-03
0 引言
在交通强国时代背景下，西部陆海新通道处于高速发展时期，基础设施工程项目量不断增加。在道路工程、铁路工程等项目施工中，产生了大量的路基开挖、边坡回填等，裸露岩质边坡和贫瘠边坡越来越多。然而，由于岩质贫瘠边坡缺少土、水、肥等植物生存的基本条件，边坡植被难以存活，加大了山洪、滑坡、泥石流等严重自然灾害发生的几率［1］，植生混凝土生态防护是目前绿化修复的有效方法之一。植生混凝土不仅能保留水土，防止因水土流失发生的自然灾害，而且能美化工程环境，满足边坡绿化的需求［2-3］。因此，在工程项目中，岩质贫瘠边坡处治的主要手段是在边坡上浇筑植生混凝土。
水胶比是影响植生混凝土基本性能的重要因素之一，近年来成为了国内外学者研究的热点［4-5］。纪连杰等［6］针对不同水胶比对植生混凝土性能的影响规律开展了相关研究，发现随着水胶比的增加，混凝土抗压强度呈现先增加后降低的趋势，其孔隙率先降低后增加再降低，当水胶比为0.28时，混凝土抗压强度最大，水胶比为0.31时孔隙率最优。谭燕等［7］研究了不同因素对透水混凝土强度的影响变化规律，发现随水胶比升高，混凝土力学性能呈先升高后降低的趋势，当水胶比处于0.33时，力学性能为最优。李林等［8］通过开展不同水胶比植生混凝土的净浆流动度试验、抗压强度试验和pH值测试试验，对混凝土浆体流动度、抗压强度和pH值变化规律开展研究。然而，上述学者所得到的研究结果各不相同，明晰水胶比对植生混凝土力学性能、孔隙率及孔溶液pH值的影响规律，是植生混凝土在边坡处治领域广泛应用的关键。
因此，本研究制备了5种不同水胶比（0.24、0.26、0.28、0.30、0.32）再生植生混凝土，通过开展混凝土7 d和28 d抗压强度测试、孔隙率测试试验及孔隙环境pH值测试，研究不同水胶比对再生植生混凝土力学性能、孔隙率及孔溶液pH值的影响规律，为再生植生混凝土在岩质贫瘠边坡处治的应用提供理论依据和实践指导。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥：本次试验采用润丰牌P·O 42.5级水泥，水泥的基本物理性能如表1所示。
骨料：本次试验采用粒径为20～30 mm的再生石灰岩骨料，原材料为水泥混凝土公路路面，性能指标如表2所示。
外加剂：聚羧酸减水剂。
1.2 配合比设计
本研究采用填充理论及绝对体积法进行植生混凝土配合比设计，设定孔隙率为28%，利用配合比设计方案计算四组不同水胶比制备混凝土的原材料用量，具体的配合比设计如表3所示。
1.3 试验方法
按照配合比设计称量4种原材料，用湿毛巾润湿搅拌机内壁，再生粗骨料润湿10 min，将再生骨料和30%拌和水加入搅拌机，搅拌20 s后，投放50%水泥、50%减水剂和30%拌和水，再搅拌60 s，投入剩下的拌和水、水泥和减水剂，继续搅拌100 s，出料成型。将新拌混凝土分三层倒入模具中，每层使用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣20～30次，最后剔除高于模具表面的混凝土并用抹刀抹平即可，其中装模过程须≤10 min，混凝土模具尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。
参照国家规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）相关要求，开展7 d和28 d抗压强度试验；
参照《透水混凝土及其应用技术》，开展混凝土总孔隙率和连续孔隙率测试试验；
利用混凝土多孔基体浸泡法，测试养护龄期为3 d、7 d和28 d的混凝土孔隙环境pH值。
2 结果与分析
2.1 植生混凝土抗压强度
图1为不同水胶比对植生混凝土7 d和28 d抗压强度的影响。由图可知，水胶比在0.24～0.32，7 d抗压强度与28 d抗压强度均呈现先上升后下降的变化趋势，说明植生混凝土的力学性能先提升后减弱，且两个龄期力学性能发展的走势相差不大，规律性一致。当水胶比为0.24时，植生混凝土抗压强度为全组中最低，7 d抗压强度为7.8 MPa，28 d抗压强度为9.1 MPa；
随着水胶比增大至0.28，植生混凝土的抗压强度达到最大，7 d抗压强度9.3 MPa，28 d抗压强度为10.8 MPa；
当水胶比持续增大到0.3和0.32时，相比于水胶比为0.28的植生混凝土，抗压强度呈现降低趋势，水胶比为0.3时，7 d抗压强度和28 d抗压强度分别降低了5.38%和6.48%，水胶比为0.32时7 d抗压强度和28 d抗压强度分别降低了7.53%和9.26%。当水胶比为0.28和0.3时，植生混凝土7 d抗压强度≥5 MPa，28 d抗压强度≥10 MPa，能满足《植生混凝土》（JC/T 2557）的规定要求。
当水胶比较低时（0.24和0.26），由于化学反应所需的结合水不足导致水泥水化无法充分反应，胶凝材料生成的水化产物较少从而不足以均匀包裹再生骨料，造成水泥颗粒之间的空隙和裂缝仍较为疏松，骨料、水泥颗粒和水化产物之间无法互相粘附，水泥石结构密实度较差导致植生混凝土抗压强度较低［9］。随着水胶比增大至0.3，水泥水化反应得以充分进行，C-S-H凝胶等水化产物较为稳定和密实，能对混凝土整体强度起到决定作用［10］，因此水胶比为0.28时植生混凝土的抗压强度最高。然而，随着水胶比持续增大（0.3和0.323），水胶比的负向效应随之出现。当拌和水大于水泥水化反应和提供适宜工作性能所需的水之和时，多余的水会随着混凝土养护龄期增大在结构表面和内部形成密集小孔，结构内部孔隙率增大，因此强度呈现不断降低的趋势。
2.2 植生混凝土孔隙率
图2为不同水胶比对植生混凝土总孔隙率和连续孔隙率的影响规律。从图2可以看出，随着水胶比的增大，植生混凝土的总孔隙率和连续孔隙率呈现不断降低的趋势。当水胶比为最小时（0.24），植生混凝土的孔隙率为最大，总孔隙率达到0.22%，连续孔隙率达到0.18%。随着水胶比的增大，提升了植生混凝土胶凝浆体的流动性，导致再生骨料颗粒未能均匀包裹，浆体均集中在骨料下表面，导致占据了再生骨料之间的空隙，因此当水胶比达到0.28时，相比于0.24水胶比的植生混凝土，总孔隙率降低了18.51%，连续孔隙率降低了20%。当水胶比持续增大至0.32，浆体会沿着骨料之间的孔隙向底部沉积，导致底部沉浆，堵塞孔隙，植生混凝土孔隙率急剧降低［11］，因此0.32水胶比的植生混凝土孔隙率最低，总孔隙率仅为0.18%，连续孔隙仅为0.18%。当水胶比过大时，不利于植被在植生混凝土中的生长和发育，适当的水胶比既能有效保证混凝土力学性能，又能给植被生长提供足够的空间。综上，当水胶比为0.24～0.28时，植生混凝土连续孔隙率满足《植生混凝土》（JC/T 2557）中＞20%的要求。
2.3 植生混凝土孔隙环境pH值
由图3可以看出，在养护龄期3 d、7 d和28 d时，随着水胶比的增大，植生混凝土的孔隙环境pH值呈现不断下降的趋势，下降程度不大，且变化速率逐渐减小。当水胶比为0.24时，3 d、7 d和28 d植生混凝土孔隙环境pH值分别为12.01、11.68和10.15。随着水胶比增大至0.28，植生混凝土孔隙环境pH值呈现降低的趋势，但变化不大，相比于0.24水胶比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙环境pH值降低了2.74%、4.88%和9.06%。当水胶比持续增大至0.30，植生混凝土孔隙环境pH值最低，相比于0.24水胶比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙环境pH值降低了3%、5.05%和9.36%。当水胶比为最大（0.32）时，相比于0.3水胶比的植生混凝土，3 d孔隙环境pH值略微降低，降低了0.52%。而养护龄期达到7 d和28 d时，孔隙环境pH值提高，7 d孔隙环境pH值增大了0.36%，28 d孔隙环境pH值增大了2.28%。当植生混凝土水胶比增大，胶凝材料中降碱成分充分发挥效应，混凝土中有足够拌和水持续发生水化反应生成C-S-H等水化产物，降低孔隙环境中OH-浓度，pH值呈现下降趋势。当水胶比增大至0.28～0.32，孔隙环境pH值变化不大，这是由于水泥中降碱成分在水分足够的情况下，水化反应已经充分进行，混凝土中的水对pH值的影响程度减弱，仅因水胶比增大总的胶凝材料用量减少导致pH值略微降低，然而孔隙环境中OH-浓度变化程度不大［12］。综上可知，水胶比能对植生混凝土孔隙碱环境起到调节作用，但不能从根本上降低碱性。
3 结语
本文通过开展不同水胶比再生植生混凝土7 d和28 d抗压强度测试、孔隙率测试试验及孔隙环境pH值测试，评价了水胶比对植生混凝土的力学性能、孔隙率及孔溶液pH值的影响规律，得到以下结论：
（1）随着水胶比的增大，7 d抗压强度与28 d抗压强度均呈现先上升后下降的变化趋势，植生混凝土的力学性能先提升后减弱，当水胶比为0.28时，植生混凝土的抗压强度达到最大，7 d抗压强度9.3 MPa，28 d抗压强度为10.8 MPa。
（2）植生混凝土总孔隙率和连续孔隙率随着水胶比增大呈现不断降低的趋势，当水胶比为0.24时，植生混凝土的孔隙率为最大，总孔隙率达到0.22%，连续孔隙率达到0.18%。当水胶比达到0.28，相比于0.24水胶比的植生混凝土，总孔隙率降低了18.51%，为0.22%，连续孔隙率降低了20%，为0.2%。
（3）孔隙环境pH值随着水胶比的增大呈现不断下降的趋势，下降程度不大，当水胶比为0.24时，3 d、7 d和28 d植生混凝土孔隙环境pH值分别为12.01、11.68和10.15。随着水胶比增大至0.28，混凝土孔隙环境pH值呈现降低的趋势，但变化不大，相比于0.24水胶比的植生混凝土，3 d、7 d和28 d孔隙环境pH值降低了2.74%、4.88%和9.06%。
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基金项目：广西重点研发计划项目“高陡边坡生态防护升级及稳定性监控技术研究”（编号：桂科AB21220069）
作者简介：陈 宇（1979—），高级工程师，主要从事高速公路建设管理及科研工作。
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