无砂大孔混凝土技术在护坡工程中的应用.pdf

第 4 6卷第 7期 2 0 1 0年 7月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga ns u W a t e r Co ns e r v a n c y a n d Hy d r o po we r Te c hno l o g y Vo 1 4 6 No 7 J u t ， 2 0 1 0 设计 与研 究 无砂大孔混凝土技术在护坡工程中的应用 陈泰苗 ( 福建省水利水电工程局有限公司， 福建 泉州3 6 2 0 0 0 ) 摘要 ： 通过无砂 大孔混凝 土护坡技 术在 广州蕉 东闸桥 工程 中的应 用实例 分析 ， 探讨 了这种绿 色环保 、 造价低 廉的护 坡技 术在护坡工程 中的应用。 关键词 ： 无砂 大孔混凝土 ； 护坡技 术； 生态保护； 绿 色环保 中图分类号 ： T V 5 4 4 9 2 文献标识码 ： B 1 引言 自混凝土问世以来， 给人类带来了方便和财富 ， 同时也 给人类和环境带来负面的影 响。随着社会的进步 ， 人们对环 境的要求起来越高， 提出了人与自然环境和谐相处的科学发 展 观 。 混凝土做为人类社会使用量最大的建筑材料， 在其生产 过程中对山林和河道造成破坏， 加重环境负荷 ， 破坏生态平 衡。 因此， 研究并推广使用生态、 环保型的混凝土材料具有极 为重要的社会意义和广阔的发展前景。在此背景下 ， 无砂混 凝土 以其独特 的性能 ，逐步进入人们 的视野并得到推广 ， 它 不仅拥有传统混凝土的材料的性能，更赋予其新的特性 ， 是 一 种能保护环境， 使人类与自然和谐发展的新型混凝土。 2 无砂混凝土的特点及其一般应 用 无砂大孔混凝土就是不含砂的混凝土， 它与普通? 昆 凝土 的最大区别在于其无细骨料， 仅由水泥、 粗骨料和水拌制而 成。 其粗骨料可以是碎石、 卵石， 也可以是人造轻骨料。由于 没有细骨料，所以在混凝土内部存在着大量较大的孔隙， 水 可以在硬化 的混凝土孔 隙 中流动 。正是 由于这些孔 隙的存 在，使得无砂混凝土具有与其它种类混凝土所不同的特点： 容重小， 通常在 1 5 0 0 9 0 0 k m ； 水泥用量少 由于大 孔混凝土不用砂， 故水泥用量较低， 每立方米混凝土仅用水 泥 1 5 0 2 0 0 k g ； 强度较低 ， 无砂大孔混凝土是颗粒较均匀 的粗骨料被水泥浆包裹其表面， 水泥浆不起填充作用， 仅将 粗骨料胶结在一起成为一种多孔 性材料 ， 因此强度 比一般混 凝土低得较多， 一般为 3 5 1 0 0 MP a ； 水的毛细现象不显 著； 透水性能好； 吸音性能好； 导热系数小， 保温性能 好； 线膨胀系数小， 一般较普通混凝土小 3 0 一 5 0 ， 抗冻 性好。 无砂混凝土在房建上的应用， 由于容重小、 适当的强度、 良好的吸音性能和保温性能， 使得无砂混凝土成为一种较好 的墙体材料， 适用于制做墙体小型空心砌块、 砖和各种板材， 也可用于现浇墙体。这种墙体具有节能低耗、 自重轻、 保温、 透气等优点。无砂混凝土具有 良好的透水性、 过滤性和稳定 性 ， 由于无砂混凝土具有自身的稳定性 ， 用作反滤结构时不 需要设置多层 ， 还可以起到支撑作用， 替代部分沟壁、 井壁和 挡墙等结构， 可用于公路、 铁路、 水工建筑物中作反滤层。而 无砂混凝土管则常应用在堤坝集渗工程和基坑排水工程中。 良好的透水性 ， 较小的毛细作用， 使得元砂混凝土成为一种 很好的地坪材料， 可以用它浇筑停车场、 网球场和城市广场 等地面的垫层等。 无砂大孔混凝土作为一种新型半刚性基层 材料对改善公路隧道内路面板下地下水破坏状况、 延长路面 使用年限有着重要作用。当用于做透水路面时， 通常会改用 较好级配的粗骨料 ， 并加入少量的沙 ， 以增强材料的强度， 但 相应的透水性能降低。 随着社会 的发展 ， 人们对生 态环境 日益 重视 ， 作为人类 最大量使用的建设材料 ， 混凝土今后的发展方向必然是既要 满足现代人的要求， 又要考虑环境的因素， 减轻对地球的负 荷， 有利于资源、 能源的节省和生态平衡。 生态环境友好型混 凝土应运而生。 生态环境友好型混凝土是指既能减少对地球 环境的负荷 ， 同时又能与自然生态系统协调共生， 为人类构 造舒适环境的混凝土材料。 而无砂大孔混凝土正好能满足这 一 要求。许多研究者在传统无砂大孔混凝土基础上进行研 究， 开拓其在生态环境保护、 生态改善或生态修复方面的应 用， 并取得可喜的成就。 ( 1 )无砂混凝土在噪音防治上的应用。据统计， 机动车 交通产生的噪音大约占噪音来源的 1 ， 3 ，尤其是高速道路交 通流量大 ， 车速快 ， 且夜 间交通量 日趋增大 ， 对 道路 两侧 的居 民构成极大的困扰。 为了防止噪音 ， 一般从抑制噪音源、 噪音 传递路径、 隔音及吸音等几个方面寻求对策。如果采用普通 的、 比较致密的混凝土做隔音壁， 根据重量法则， 墙壁的面密 度越大， 声波越不容易透过， 隔音效果越好。 但是致密性的混 凝土对声波反射率较大 ， 虽然对道路外侧降低噪音效果显 著， 但进一步增大道路内侧噪音。 而元沙混凝土具有连续、 多 孔的内部结构 ， 具有较大的内表面积 ， 可与普通的密实混凝 土组成复合构造。多孔的无沙混凝土直接暴露面对噪音源 ， 入射的声波一部分被反射， 大部分则通过连通孔隙被吸收到 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 5 3 1 作者简介： 陈泰苗( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 海南五指山人， 工程师， 学士， 主要从事水利水电工程施工。 2 5 2 0 1 0年第 7期 甘肃水利水电技术 第 4 6 卷 混凝土内部， 其中有一小部分声波由于混凝土内部的摩擦作 用转换成热能 ， 而大部分声波透过多孑 L 混凝土层 ， 到达多孔 混凝土背后的空气层和密实混凝土板表面再被反射 ， 而这部 分被反射的声波从反方向再次通过多孔混凝土向外部发散。 在此过程中， 与入射的声波具有一定的相位差， 由于干涉作 用互相抵消一部分， 对减小噪音效果明显。 ( 2 )应用于透水性路面。 目前城市表面 8 0 以上的面积 被建筑物和混凝土路面覆盖， 这种密实性混凝土缺乏透气性 和透水性， 调节空气的温度、 湿度的能力差 ， 使市区的温度比 郊 区和乡村高 2 3， 产 生所谓的“ 热 岛现象 ” 。雨水长期不 能渗人地下， 使城市地下水位下降， 影响地表植物的生长， 城 市绿化 面积减少 ， 结果造成城市生态 系统失调。无沙混凝土 内部存在着大量较大的连通孔隙，具有透气性和透水性 ， 当 用于做透水性路面时 ， 通常会改用较好级配的粒径较小的粗 骨料， 甚至加人少量的沙， 以增强材料的强度， 但相应的透水 性会降低。 为了区别于一般的无沙混凝土 ， 并强调其透水性 ， 称其为透水性混凝土， 将这种混凝土用于铺筑道路 、 广场、 人 行道路等， 能够扩大城市的透水、 透气面积， 增加行人、 行车 的舒适性和安全性， 减少交通噪音 ， 对调节城市空气的温度 和湿度 ， 补充地下水 ， 减轻城市 的防洪排涝压力 ， 改善城市树 木生长的土壤环境 和调整生态平衡具有重要作用。 3 无砂大孔混凝土在护坡工程 中的应用实例 随着人们对生态环境的日益重视 ，传统利用混凝土、 浆 砌石等圬工护坡 因其不生态而深受批评 ， 为了兼顾强度和生 态 ， 人们提 出绿化混凝土的概念 。 根据文献 ， 绿化混凝土可定 义为： 能够适应植物生长、 可进行植被作业的混凝土及其制 品； 具有保护环境、 改善生态条件、 基本保持原有防护作用三 个功能。 绿化混凝土是指能够适应绿色植物生长的多孔混凝 土。 混凝土内部存在许多连续的空隙， 使其具有良好的透水、 透气特性， 施工时， 只要在混凝土块的孑 L 隙中充填腐植土、 种 子、 缓释肥料、 保水剂等混合材料， 草籽就可生根、 发芽， 并穿 透到土壤中生长， 从而可以大大改善周围大气的环境。 同时， 利用其多孔 ， 透水透气性， 不仅可使微生物及小动物在其凹 凸不平的表面或连续空隙内生息，保持了生物的多样性 ， 具 有显著的生态效应； 还可成功地解决常规硬化路面存在的散 热少、 无呼吸、 雨水聚积成涝等问题 可以减轻市政排水设施 负担， 使地下水得到及时补充， 避免造成地下水位明显下降 等严重问题。 此外， 绿化型多孔混凝土具有较好的力学性能， 若加入特殊的合成纤维 ， 其抗压强度可达到 1 5 1 8 MP a 。因 此无砂混凝土在一些水利工程中的护坡也得 到了应用。 对于利用无砂大孔混凝土进行护坡的核 心科学问题是 ： 如何控制大孑 L 隙率和连通孔隙； 如何有效地的降低孔溶液的 碱度 。 孑 L 隙率主要决定植物根系的可生长空间。 无砂混凝土孑 L 隙间相互的贯通程度， 决定着植物根系的发育扩展及获得养 分补给的能力 ， 而贯通性取决于水灰比及灰骨比。灰骨比大 时， 贯通性较差； 而水灰比大会造成下层淤堵。等效孔径对直 根系花卉有直接影响。 根据实验观察， 等效孔径不宜小于 1 O m m。为了使植草能够在混凝土孔隙间生根发芽并穿透至土 层 ， 要合理选择骨料粒径， 保证有一定的孔隙率 、 表 面空隙率。 福建 省水 利水 电工程局 有限公 司于 2 0 0 5至 2 0 0 7年在 广州南沙区蕉东闸桥工程中内涌河道护坡采用无砂大孔混 凝土护 坡技术 。采 用预 留孔洞 的无砂 混凝 土护坡 ( 厚 2 0 e m) ，预留孔洞是 为了植草和方便 水生动物的栖息 和繁殖 。 内河涌护坡对强度要求不高 ， 为了保证有较大的孔隙， 对护 坡无砂混凝土配合比的设计如表 1 所列。 表 1 无砂混凝土配合 比 注： 水泥： P 0 4 2 5 级； 粉煤灰： F 类 级； S R 一 3 ： 生态混凝土外加剂， 掺量为胶凝材的 1 5 ， 具有降碱、 早强、 提高界面强度等特性； A B c ： 不 同骨料粒径的配合比； 1 2 3 ： 不同水胶比的配合比。 根据表 1 试验数据可知， 在粒径相同时， 透水混凝的 强度与 p H值随胶凝材用量的增加而提高 ， 透水系数与空隙 率随着胶凝材用量的增加而降低 ； 粒径不同时， 强度随粒径 的增大有所增加， 但增幅不是太大， 说明粒径增大时， 骨料的 比表面积减少， 单位面积浆量增多， 界面强度有所增加， 空隙 率和透水系数随粒径 的增大增加 明显 。 2 6 为能给植被提供足够的养分与水分，生态混凝土成型 后， 需要灌注营养液( 主要由有机缓释肥、 有机营养材料、 纤 维类材料、 土壤、 土壤安定剂、 种子、 水按一定比例调和而 成 ) 。 经试验 ， 灌注处理后空隙率和透水系数随粒径的增大逐 渐减小 ， 且变化幅度随粒径的增大越来越大， 但最小透水系 数都达到 0 3 5 e m s ， 已超过植被生长所需的( 下转第 2 9页) 第 7期 朱娴 等 ： 汉江王甫洲主河床土石坝监测 及分析 第 4 6卷 上下波动呈周期性变化 ； 土体固结， 渗透压力减小， 有效应 力增大； 渗压计测值大小主要随下游水位的涨落而增减。 蓄水初期 ， 侧向土压力呈受压状态 ； 运行期测值反映的 受压不再增加且趋势稳定。F _ A - 一 5在 1 9 9 8年 l 1 月已坏 ， E 4 4 、 E 4 6测值 范 围分 别在 0 0 1 l 3 MP a 、 0 0 0 7 3 MP a ； 渗 压计 P 4 5 8 、 P 4 5 9 、 P 4 6 o三 支 仪 器测 值 分 别 在 0 0 1 1 6 M P a 、 0 0 0 6 8 MP a 、 0 0 0 1 8 MP a之间变 化 ；从 图 中可看 出 ： E 4 4有效压应 力主要受下 游水 位 的影响 ， E 4 6有效 压 应力主要受该处混凝土温度的影响； 两支仪器有效应力分别 在 0 0 0 2 6 MP a 、 0 0 0 6 8 MP a 之间变化 。 0 2 0 O 1 2 芝 O 0 4 - o o 4 - 0 1 2 -0 2 0 皇 倒 出 一 E 4 - 6 一温度 I I 3 L 辘 一 l l 。 3 O 2 5 2 0基 1 5 赠 l O 5 l 9 9 9 埘 2 0 0 稍 2 0 D i 埘 2 Q 0 2 -2 0 0 0 -4 18 2 0 0 4 埘 2 0 0 5 埘 2 0 0 6 - 2 0 0 7 -0 8 姗 2 0 0 9 埘 时问 图 3 泄水闸右侧 连接段土压力计与该测 点温 度过 程线 O 2 O O 1 2 0 0 4 -0 o 4 - 0 1 2 -0 2 0 一 E 4 _ 4 一下游水位 I 1 1 、 J 0 L I L L 。 L r 一 一 一 、 一 8 8 8 4 吕 8 0丑 7 6 长 7 2 6 8 l 9 9 9 埘 2 0 0 0 8 2 0 0 l 嘏 2 0 0 2 4 18 砌墙 2 0 0 4 4 18 2 0 0 5 埘 2 0 0 6 - 0 8 2 0 0 7 埘 2 0 憾-0 8 2 0 0 9 埘 时间 图 4 泄水 闸右侧连接段土压力计与下游水位过程线 ( 2 )坝顶 竖向位移变形 从图 5 竖向位移过程线中可看出： 测点沉陷量在坝蓄水 期至运行初期最大 ， 中期沉陷量逐渐减小， 说明随着时间的 推移坝体已逐渐固结密实。该测点蓄水期 2 0 0 0年沉陷量为 3 4 4 2 m m， 初期 2 0 0 1 年 1 月 至 2 0 0 5年 1 2月沉 陷量 为 1 9 5 7 l 蠢 L P l O 竖 向位移 ， 0 一 - ， 时间 图 5 竖向位移过程线 m m 运行期 2 0 0 6 年至 2 0 0 8 年 1 O月沉陷量为 3 4 3 m m， 2 0 0 9 年沉 陷量 为 6 3 2 m m，相应 的沉 陷率分 别为 ： 0 1 9 5 ， 0 1 1 1 ， 0 0 1 9 和 0 0 3 6 。 ( 3 )结合部渗流 该段面共布设 4支测压管 ： 坝基测压管有 G Y 9 1 、 G Y 9 3 、 G Y 9 4 ，其中， G Y 9 1 埋设在防渗墙前， G Y 9 3和 G Y 9 4 埋设在防渗墙后。防渗墙后坝体测压管有 G Y 9 2 ， 埋在黏土 心墙内。防渗墙前坝体测压管 G Y 9 1 水位与上游的基本一 致。测压管 G Y 9 3 、 G Y 9 4水位主要受下游水位的影响， 同 步升降， 其水位一般在 7 8 1 6 7 9 9 4 In之间波动 ， 最高达到 8 5 7 8 m。墙后坝体测压管 G Y 9 2无水， 说明防渗墙和黏土 心墙的防渗效果良好。 4 结语 ( 1 )主河床的 3 个断面的测压管测值表明， 坝体测压管 常年无水 ， 坝基测压管防渗墙后渗压水位为7 8 0 8 0 5 m， 防 渗墙削减水头约 6 m， 防渗效果明显。 ( 2 )坝顶竖向位移累计沉陷量： 主河床 1 为 1 5 8 4 m i l l ， 主河床 2为 l 3 2 3 m l n ， L P 一 1 0为 6 3 7 5 m i l l 。年沉 陷率分别 为： 0 0 0 8 、 0 0 1 5 、 0 0 3 6 ，从沉陷率来看主河床 1 、 2已稳 定 。 L P 一 1 0还未稳定 。 ( 3 )分层竖向位移、 分层水平位移各测点巳稳定。 ( 4 )泄水闸与主河床连接侧向土压力呈受压状态， E 4 4 有效应力主要受下游水位影响，范围在 0 0 0 2 6 MP a 之间 变化， E 4 6有效应力主要受该处混凝土温度的影响， 范围在 0 0 0 6 8 MP a 之间变化。 ( 上接第2 6页) 最低 O 1 e m s ， 完全满足植被生长需要。 4结语 由于无砂混凝土的生态性较好， 造价较低， 施工方便等 优点， 成功地实现了经济效益、 生态效益和社会效益的统一。 这几年利用无砂混凝 土进行生态护 坡在广州 的河涌整 治工 程中得到广泛应用， 取得了良好的效果 ， 值得推广应用。 参考文献 ： 1 奚新国， 许仲梓， 陈建华 生态环境友好型混凝土的研究现状与 展望 J 混凝土， 2 0 0 2 ， ( 0 8 ) 2 吴中伟 绿色高性能混凝土与科技创新 j 建筑材料学报 ， 1 9 9 8 。 ( 0 1 ) 3 吴中伟 高性能混凝土绿色混凝土 J 水泥工程， 2 0 0 0 ， ( 0 2 ) 4 杨静，冯乃谦 2 1 世纪的混凝土材料环保型混凝土 J 混凝土与水泥制品， 1 9 9 9 ， ( 0 2 ) 5 黄士元 应用大孔混凝土作为墙材的经验 J 哈尔滨工业大学 学报 。 1 9 5 7 ， ( o 4 ) 6 付贵海 。 张林洪 ， 王苏达， 等 无砂混凝土作反滤层的试验研究 J 中南公路工程， 2 0 0 5 ， ( 0 2 ) 7 董建伟， 裴宇波 ， 王丽秋 环保型绿化混凝土护砌材料的研究与 实践 J 】 中国水利， 2 0 0 2 ， ( 0 2 ) 8 董建伟， 肖新民， 石贵余， 等 多孔连续型绿化混凝土主要特性 研究 J 中国水利， 2 o Q 3 ， ( 1 1 ) 9 董建伟 随机多孔型绿化混凝土孔隙内盐碱性水环境及改造 【 J 吉林水利， 2 0 0 3 ， ( 1 O ) 2 9