摘要：多孔有機(jī)顆粒富含養(yǎng)料，可通過自身孔隙持續(xù)釋放肥料，用其制備的植生混凝土具有較高的孔隙率，能為扎根于空隙中的植物的生長持續(xù)提供養(yǎng)分。文章采用控制變量法，分析水泥顆粒直徑及摻量、水灰比、砂漿膠、聚丙烯纖維摻量等因素對植生混凝土物理力學(xué)性能及孔隙率的影響及其變化規(guī)律，研究膠黏劑在不對多孔有機(jī)顆粒完全包裹的前提下，將其黏結(jié)并整體制備成磚或板材的方法。結(jié)果表明：水灰比對植生混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度影響較大，砂漿膠、聚丙烯纖維的加入在一定程度上增強(qiáng)了膠黏劑的黏彈性及凝聚力，提高了植生混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度；當(dāng)水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為60%～65%、砂漿膠摻量為1%、聚丙烯纖維摻量為0.13%時，植生混凝土28ｄ抗壓強(qiáng)度達(dá)3.73 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)1.95 MPa，有效孔隙率為29.12%，適用于護(hù)坡工程。

關(guān)鍵詞：多孔有機(jī)顆粒；植生混凝土；孔隙率；物理力學(xué)性能；生態(tài)護(hù)坡

中圖分類號：TU528"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）01-0086-05

0 引言

在大規(guī)模工程建設(shè)、礦產(chǎn)開挖的影響下，以及在大自然的作用下，巖土邊坡植被遭受破壞且無法恢復(fù)。傳統(tǒng)的邊坡加固形式大多為砌石和噴射混凝土，雖然具有硬質(zhì)密實、抗沖刷、抗凍融、強(qiáng)度高等優(yōu)點，但是護(hù)岸表面灰暗且無植物生長，破壞了生態(tài)環(huán)境，不符合當(dāng)下國家和社會大力提倡的綠色發(fā)展觀。植生混凝土作為新型的護(hù)坡材料，相較于傳統(tǒng)的護(hù)坡材料具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，其內(nèi)部大量的連通空隙可為新生植物生成龐大的地下根系提供條件，植物根系可起到深根錨固、淺根加筋的作用，在一定程度上可以固結(jié)土壤、支撐坡體。前人對植生混凝土的研究成果較多，例如伍松云等［1］采用正交試驗對植生混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)水灰比、膠凝材料用量及骨料粒徑對試塊28 d抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，對孔隙率的影響顯著，水灰比為0.3、膠凝材料用量為260 kg/m3時，生態(tài)多孔混凝土可獲得最佳配合比；彭蘭［2］采用正交試驗法探究水灰比等對植生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、pH值等的影響，試驗結(jié)果表明，當(dāng)水灰比從0.26增至0.3時，植生混凝土強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)水灰比大于0.3時，植生混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢；陳耀等［3］通過調(diào)整不同摻量增黏劑研究混凝土拌合物的性能，發(fā)現(xiàn)加入增黏劑的混凝土增稠保水能力得到增強(qiáng)、和易性良好，泌水離析問題得到改善，增黏劑摻量為4%時，拌合物效果達(dá)到最佳，混凝土可自密實成型，混凝土試塊56 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到54.3 MPa。本研究用到的多孔有機(jī)顆粒具有一定的強(qiáng)度，在潮濕環(huán)境下不泥化且攜帶有機(jī)養(yǎng)分，可通過自身孔隙釋放肥料為植物生長提供能量。針對多孔有機(jī)顆粒的特點，本文通過調(diào)整水灰比、增黏劑和聚丙烯纖維等組成材料的配合比，改變水泥漿體的固有形態(tài)，對水泥漿體進(jìn)行“造粒”，使膠黏劑在不對多孔有機(jī)顆粒完全包裹的前提下，將多孔有機(jī)顆粒整體制備成磚或板材；通過探究外加劑摻量、膠凝顆粒大小、膠凝顆粒摻量對植生混凝土物理力學(xué)性能及有效孔隙率的影響，使多孔有機(jī)顆粒制備植生混凝土滿足生態(tài)護(hù)坡工程要求。

1 試驗材料及配合比設(shè)計

1.1 試驗材料

水泥選用湖北軍峰建材有限公司生產(chǎn)的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分和物理力學(xué)性能指標(biāo)分別見表1和表2；砂漿膠實驗選用廣東德西尼建材有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)力砂漿膠，為無色或微黃色粉末，在水泥砂漿中添加一定量的砂漿膠，可提高水泥漿的黏性及保水性；纖維選用長沙檸詳建材有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維（長20 mm、直徑為1.5 mm）；實驗用水為普通自來水；多孔有機(jī)顆粒選用瑞派爾（宜昌）科技集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的有機(jī)顆粒，富含有機(jī)肥料、在水中不泥化，可通過自身孔洞釋放肥料。

1.2 配合比計算方法

根據(jù)初步試驗，水灰比分別選取0.25、0.26、0.27、0.28，在不同水灰比的基礎(chǔ)上分別選取40%～45%、50%～55%、60%～65%、70%～75%的水泥顆粒摻量和10 mm、15 mm、20 mm的水泥顆粒直徑進(jìn)行最佳配合比研究。通過試驗獲得適宜的水灰比、水泥顆粒直徑及水泥顆粒摻量，在此基礎(chǔ)上確定砂漿膠摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%，聚丙烯纖維摻量為0.07%、0.1%、0.13%、0.16%時，研究添加不同外加劑對植生混凝土相關(guān)性能的影響。根據(jù)多孔有機(jī)顆粒制備植生混凝土的結(jié)構(gòu)特點，本試驗采用絕對體積法進(jìn)行設(shè)計，表達(dá)式為

[Mgρg+Msρs+Mcρc+Mfρf+Mwρw+Rvoid=1]"""" （1）

其中：Mg為混凝土粗骨料用量（kg/m3）；Ms為混凝土細(xì)骨料用量（kg/m3）；Mc為混凝土水泥用量（kg/m3）；Mf為混凝土礦物摻和物用量（kg/m3）；Mw為混凝土用水量（kg/m3）；ρg為粗骨料的表觀密度（kg/m3）；ρs為細(xì)骨料的表觀密度（kg/m3）；ρc為水泥密度（kg/m3）；ρf為礦物摻和物密度（kg/m3）；ρw為水的密度（kg/m3），可取1 000 kg/m3；Rviod為設(shè)計孔隙率（%）［4］。

2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述配合比計算方法得出48組不同水灰比、水泥顆粒直徑、水泥顆粒摻量的組配以及4組不同砂漿膠摻量、4組不同聚丙烯纖維摻量的配合比共計56組，通過試驗得到試塊28 d抗壓、抗折強(qiáng)度及孔隙率測量結(jié)果。

2.1 水灰比對植生混凝土試塊物理力學(xué)性能的影響

水灰比會對植生混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生直接的影響，水泥水化生成的晶體，如C-S-H和Ca（OH）2，包裹在水泥顆粒表面，當(dāng)水灰比較大時，混凝土拌合物中的水泥顆粒相對較少，顆粒間的距離增大，使水泥漿濃度降低，易產(chǎn)生離析、泌水現(xiàn)象，導(dǎo)致植生混凝土強(qiáng)度較低；而當(dāng)水灰比較小時，水泥水化不充分，導(dǎo)致植生混凝土黏結(jié)力下降。合適的水灰比使水化反應(yīng)更充分，水化產(chǎn)物中對強(qiáng)度起決定作用的 C-S-H 凝膠更致密和穩(wěn)定［5］，植生混凝土的強(qiáng)度因此得到提高。以水泥顆粒直徑為10 mm的試塊為例，改變水泥顆粒摻量（40%～75%），不同水灰比下植生混凝土試塊的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)水泥顆粒摻量為 40%～55%時，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度隨水灰比的增大而增大。當(dāng)水泥顆粒摻量從 40%～45%增至70%～75%時，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度隨水灰比的增大依次增大；當(dāng)水灰比為0.28 時，試塊強(qiáng)度增加明顯，同時當(dāng)水泥顆粒摻量大于60% 時，水灰比為0.27的試塊抗壓強(qiáng)度變化的幅度增大。

在保證水泥顆粒直徑不變的情況下，研究水灰比（0.25～0.28）、水泥顆粒摻量（40%～75%）對植生混凝土試塊強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度隨水灰比的增大而增大。在實際工程應(yīng)用中，植生混凝土?xí)艿接行Э紫堵实挠绊懀?dāng)水灰比為0.27時，植生混凝土的整體性能最佳。

2.2 水泥顆粒直徑及水泥顆粒摻量對植生混凝土試塊物理力學(xué)性能的影響

當(dāng)水灰比為 0.27 時，通過改變水泥顆粒摻量（40%～75%），不同水泥顆粒直徑的植生混凝土試塊的28 d抗壓、 抗折強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。當(dāng)水泥顆粒直徑D從10 mm 增至20 mm 時，不同水泥顆粒摻量下試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度依次降低，試塊抗壓強(qiáng)度的最大值和最小值之差為1 MPa 左右，水泥顆粒直徑為10 mm 時，試塊的力學(xué)性能較好。這是因為水泥顆粒直徑的大小對顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度有很大的影響（見圖3）。顆粒間的比表面積隨水泥顆粒的增大而減小，而黏結(jié)點隨比表面積及水泥顆粒摻量的減小而減?。?］，顆粒之間的黏結(jié)力減小，顆粒面之間的結(jié)合強(qiáng)度降低，試塊的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出隨水泥顆粒直徑的增大及水泥顆粒摻量的增加而降低的變化規(guī)律。

從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，試塊抗壓、抗折強(qiáng)度隨著水泥顆粒摻量的增大而增大。當(dāng)水泥顆粒摻量為70%～75%時，試塊的抗折強(qiáng)度比水泥顆粒摻量為60%～65%的試塊小，可能是由于試驗過程中試塊制作及養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的誤差造成。當(dāng)水泥顆粒直徑為15 mm時，試塊的抗壓 、抗折強(qiáng)度隨水泥顆粒摻量的增加而增大；當(dāng)水泥顆粒直徑為20 mm 時，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的增長，但增幅較小。

綜上所述，在保證水灰比不變的情況下，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度隨水泥顆粒直徑的增大而減小，隨水泥顆粒摻量的增大而增大。通過試驗發(fā)現(xiàn)，水泥顆粒摻量為 60%～65%和70%～75%時，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度相差不大，而水泥顆粒摻量為60%～65%時，植生混凝土的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最佳，因此選用水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為 60%～65%的植生混凝土配合比進(jìn)行下一步的試驗研究。

2.3 增黏劑對植生混凝土試塊物理力學(xué)性能的影響

本試驗在水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為60%～65%的基礎(chǔ)上，研究摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%的砂漿膠對立方體試塊力學(xué)性能的影響（見圖4）。試塊抗壓、抗折強(qiáng)度隨砂漿膠摻量的增大而增大，當(dāng)砂漿膠的摻量為1%時，立方體試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度分別為3.5 MPa、1.6 MPa；當(dāng)砂漿膠摻量＞2%時，試塊抗壓強(qiáng)度的變化并不大，這是因為砂漿膠作為增稠劑，其粒徑比水泥的小，少量摻入可優(yōu)化膠凝材料的細(xì)粒級配，減少使膠凝顆粒硬化的有害孔及漿料的離析，有利于保持水分，延長混凝土內(nèi)部的養(yǎng)護(hù)時間，并能在一定程度上改善水泥漿體的凝聚力，使水泥漿具有一定的黏彈性［7］。

2.4 聚丙烯纖維對植生混凝土試塊物理力學(xué)性能的影響

本試驗在水灰比為0.27、水泥顆粒直徑為10 mm、水泥顆粒摻量為60%～65%、砂漿膠摻量為1%的基礎(chǔ)上，研究聚丙烯纖維摻量分別為0.07%、0.10%、0.13%、0.16%時對植生混凝土力學(xué)性能的影響（見圖5）。植生混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量的增加而緩慢增大，在聚丙烯纖維摻量為0.13%時效果達(dá)到最佳，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度分別為3.73 MPa、 1.95 MPa。之后，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部具有一定的橋聯(lián)力，在一定程度上抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，使混凝土具有較高的韌性。加入適量的聚丙烯纖維制成水泥基復(fù)合材料可改善水泥漿體的和易性，增強(qiáng)混凝土的抗裂性及黏聚性［8］。聚丙烯纖維摻量較大時，水泥基體界面增多，和易性降低，水泥顆粒外表面的黏性降低，進(jìn)而削弱了水泥顆粒與多孔有機(jī)顆粒的黏結(jié)強(qiáng)度，因此混凝土的強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而逐漸降低［9-10］。

2.5 三因素對植生混凝土有效孔隙率的影響

三因素（水灰比、砂漿膠摻量、聚丙烯纖維摻量）對植生混凝土有效孔隙率的影響效應(yīng)圖見圖6。從圖6可以看出，隨著水灰比的增大，有效孔隙率變化曲線先緩慢上升再快速下降，水灰比為0.26時，有效孔隙率最大，為28.12%；水灰比為0.28時有效孔隙率最小，為21.38%。這是因為水泥顆粒承擔(dān)著膠結(jié)多孔有機(jī)顆粒的作用，水泥顆粒在擠壓變形的過程中起到填充顆粒間孔隙的作用，所以隨著水灰比的增大，水泥顆粒在擠壓過程中的變形增大，試塊的有效孔隙率降低。在植生混凝土的實際應(yīng)用中，21.38%的有效孔隙率無法滿足植物生長所需的空間。砂漿膠的加入使試塊的孔隙率增大，當(dāng)砂漿膠摻量為1%時，試塊的有效孔隙率達(dá)到峰值28.01%，之后出現(xiàn)下降的趨勢；這是因為適量砂漿膠的加入，減少了水泥漿內(nèi)的自由水，水泥顆粒的密實性增強(qiáng)，植生混凝土成型過程中減小了水泥顆粒的變形，當(dāng)砂漿膠的摻量較大時，水泥顆粒的黏彈性增大，塑性降低，在擠壓過程中變形較大，導(dǎo)致植生混凝土的有效孔隙率降低。當(dāng)聚丙烯纖維摻量從0增至0.16%時，植生混凝土的有效孔隙率隨之逐漸增大，在聚丙烯纖維摻量為0.16%時，有效孔隙率達(dá)到最大，為30.85%。適量聚丙烯纖維的加入增大了植生混凝土的有效孔隙率，隨著其摻量的增加，水泥漿體流變性降低，水泥顆粒的穩(wěn)定性增強(qiáng)，植生混凝土試塊整體穩(wěn)定性得到提高，故試塊的有效孔隙率隨聚丙烯纖維摻量的增加而增大。植生混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度在聚丙烯纖維摻量為0.13%時達(dá)到最高，之后隨著纖維含量的增加，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸減小。

3 結(jié)論

本文采用控制變量法研究水灰比、水泥顆粒直徑、水泥顆粒摻量、外加劑等對植生混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果如下。

（1）試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著水灰比及水泥顆粒摻量的增大而增大，水泥顆粒直徑對試塊抗壓、抗折強(qiáng)度的影響較?。粨饺脒m量的砂漿膠可提高試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度增大到峰值時，砂漿膠摻量的增加對試塊抗壓、抗折強(qiáng)度的影響不大；當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為0.13%時，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后隨著聚丙烯纖維含量的增加，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度減小。

（2）通過探究不同水灰比和不同砂漿膠、聚丙烯纖維摻量對試塊有效孔隙率的影響發(fā)現(xiàn)：水灰比對試塊有效孔隙率的影響較大，水灰比為0.26時，試塊的有效孔隙率達(dá)最大值28.12%，之后有效孔隙率隨水灰比的增大而減?。辉噳K的有效孔隙率隨砂漿膠摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，砂漿膠的摻量為1%時，試塊的有效孔隙率達(dá)最大值，即28.01%；聚丙烯纖維的摻量與有效孔隙率的大小成正相關(guān)，聚丙烯纖維的摻量為0.16%時，試塊的有效孔隙率達(dá)到最大值，即30.85%。

（3）通過抗壓、抗折強(qiáng)度及有效孔隙率試驗發(fā)現(xiàn)，水灰比為0.27、砂漿膠摻量為1%，聚丙烯纖維摻量為0.13%時，多孔有機(jī)顆粒制備的植生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為3.73 MPa，抗折強(qiáng)度為1.95 MPa，有效孔隙率為29.12%，適用于植生混凝土護(hù)坡工程。

4 參考文獻(xiàn)

［1］伍松云，桑正輝，梁巧，等.基于正交試驗方法的生態(tài)多孔混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，18（1）：78-82.

［2］彭蘭.植生混凝土施工工藝及構(gòu)件設(shè)計研究［D］.廣州：廣州大學(xué)，2020.

［3］陳耀，裴志勇，許亮，等.增粘劑在蘇州地鐵無砟軌道結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.混凝土世界，2023（11）：64-67.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2019［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

［5］譚思琪，焦楚杰.基于正交試驗法的植生混凝土強(qiáng)度與堿性研究［J］.混凝土，2020（10）：146-150.

［6］TAYLOR"M，JAY"S，Ming"X.Method of enhancing interlayer bond strength in construction scale 3D printing with mortar by effective bond area amplification［J］.Materials amp; Design，2019，169.

［7］汪源，汪蘇平，張亞利，等.混凝土增粘劑的制備及應(yīng)用性能研究［J］.材料導(dǎo)報，2019，33（S2）：283-287.

［8］ABDULRAHMAN"P"I，BZENI"D"K.Bond strength evaluation of polymer modified cement mortar incorporated with polypropylene fibers ［J］.Case Studies in Construction Materials，2022，17.

［9］AHMAD J，BURDUHOSNERGIS D D，ARBILI M M，et al.A Review on Failure Modes and Cracking Behaviors of Polypropylene Fibers Reinforced Concrete［J］.Buildings，2022，12（11）：1951.

［10］唐百曉.聚丙烯纖維混凝土纖維增強(qiáng)作用機(jī)理研究［J］.粘接，2023，50（2）：78-82.

*湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（2022CFA011）。

【作者簡介】陳玲玲，女，河南周口人，在讀碩士研究生，研究方向：植生混凝土物理力學(xué)性能；劉肖凡，男，湖北武漢人，副教授，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用、混凝土結(jié)構(gòu)與新材料、混凝土結(jié)構(gòu)檢測等；金磊，男，湖北枝江人，工程師，研究方向：生態(tài)混凝土材料；陳號雨，男，湖北荊門人，助理工程師，研究方向：新型建筑結(jié)構(gòu)材料。

【引用本文】陳玲玲，劉肖凡，金磊，等.一種多孔有機(jī)顆粒制備植生混凝土物理力學(xué)性能研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（1）：86-90.