新型再生生态混凝土的制备技术研究

前言

城镇化进程的加快、建筑业不断发展，建筑垃圾的产生量明显增多，传统混凝土生产工艺过度消耗自然资源，给生态环境带来很大压力。再生生态混凝土以再生骨料为主，既有良好的力学性能，又有较好的环保特性，能促进建筑废弃物的资源化利用，减少对天然骨料的需求，在边坡治理、水土保持、生态修复等领域有着很好的应用前景。基于此，本文从配合比改良设计、植物根系与混凝土基体协同效应机理、工程实际应用等方面，对新型再生生态混凝土的制备技术进行全方位探究。

1 新型再生生态混凝土的原材料

1.1 再生骨料

再生骨料主要来自废弃混凝土的破碎和筛分工艺流程，在处理时，废弃混凝土通过颚式破碎机进行初步破碎后，再用圆锥破碎机实施精细加工，最后经过振动筛执行粒径划分，从而得到不同规格的再生骨料[1]。同天然骨料相比，再生骨料表面粗糙度更大，孔隙率也更高，吸水率一般要比天然骨料高 3～5 倍。

1.2 辅助胶凝材料

常使用粉煤灰、矿渣粉充当辅助胶凝材料，通常来说，粉煤灰的推荐掺量为水泥质量的 10%～30% ，矿渣粉的最佳掺量应该控制在 20%～40% 之间。

1.3 外加剂

减水剂通过改良混凝土配合比设计，明显缩减单位用水量，并提升流动性能，聚羧酸系高效减水剂的减水率通常可达 20%～30% 。引气剂凭借形成微小气泡，切实改进混凝土的抗冻融性能与长久耐久性，松香热聚物类引气剂可使混凝土含气量稳定维持在 3%～6% 。

2 新型再生生态混凝土制备技术要点

2.1 再生骨料预处理

为优化再生骨料的整体性能，采取强化技术方案，如机械研磨工艺，可以清除表面松散夹层，而且还能缩减孔隙体积；或者用化学改性方法，利用氢氧化钙溶液处理，让再生骨料表面形成 C-S-H 凝胶结构，进而极大改善它同水泥基体之间的界面黏结效果。预处理之后，再生骨料压碎值比原先平均下降 10%～20% 。

2.2 配合比设计

新型再生生态混凝土配合比设计时，要全面考量原材料特性、施工工艺参数以及力学性能、耐久性等关键指标。按照绝对体积法基本原理，其核心公式可表示为：

V_C+V_a+V_S+V_W+V_air=1000

式中： V_c V_a V_s V_W 分别表示水泥、骨料、细集料（砂）、水、空气的体积（单位：cm3）。

在实际设计中，首先要确定水胶比，再凭借经验数据或者试验手段来优化砂率，通过多次迭代调整各个组分配比，以此保证混凝土性能达到预期要求。

2.3 搅拌与成型工艺

采用强制式搅拌设备的时候，把再生骨料、细集料（砂）、水泥以及辅助胶凝材料先干拌 1～2 分钟，做到初步混合之后，再加入拌和水和外加剂，湿拌 3～5 分钟，让浆体具有流动性与均质性。在成型环节，要按照构件的几何形状和尺寸参数选取恰当的模具，用振动台或者插入式振捣棒来排除内部的气泡，这样可以优化混凝土的密实度和整体品质。

2.4 性能分析

2.4.1 力学性能

对不同配合比的新型再生生态混凝土进行力学性能测试，结果如表1 所示：

表1 力学性能

根据表1 的数据统计可知，随着再生骨料替代比例的增加，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度有明显的下降趋势。通过合理增加辅助胶凝材料的掺量，可以有效的改善其力学性能，在一定程度上可以缓解强度下降的现象。

2.4.2 耐久性

通过抗冻性、抗渗性能测试，考察混凝土的耐久性特性。在抗冻性能试验里，采取慢冻法，并且按照混凝土可以承受的最大冻融循环次数来判定其抗冻等级，抗渗性能则是通过渗水高度法来进行分析。随着再生骨料掺量的增加，混凝土的抗冻性明显下降，但合理添加辅助胶凝材料能改善混凝土的抗冻性 [2]。水胶比是影响混凝土抗渗性能的重要因素，水胶比越小，渗水高度越低，抗渗性能越高。

3 植物与再生生态混凝土骨架的适生相容性

3.1 植生性能试验

在混凝土降碱实验中，每组试验箱内放置三块 28 天标准养护的100mm×100mm×100mm 再生生态混凝土试件，并全部浸入水中，每天早晚各喷洒一次复合降碱剂，并使用pH 计随时记录孔隙液pH 值的变化，直到孔隙液 pH 值稳定在 7.5～8.5 之间。

平铺土壤及植生基材的施工工艺流程是：在试验箱内铺上 5cm 厚的自然土壤，然后进行平整和压实；把经过降碱处理的混凝土板放上去；采用倒灌的方式，将植生基材均匀地倒在混凝土板上，用压实、敲打和震动等方法，使植生基材填充到孔隙中；在植生基材上覆盖一层由4cm 厚的天然土壤和植生基材混合而成的介质层。

如图1 所示，为种植盆布置图。种植盆下部设置带孔隙的分离板，侧下方钻孔以实现透水透气。把预制好的适应性材料混凝土试块放进容器里，容器内剩余的空间要均匀填满同样的材料，并且要充分地压紧，让它的表面和试块保持在同一水平线上，在最上面再覆盖一层大约 0.5～1cm 厚的自然土壤。

3.2 降雨冲刷试验

如图2 所示，为降雨模拟装置。模拟降雨设施由支撑结构和供水系统两大部分组成，支撑架构使用PVC 管材拼接而成，底部呈正方形，边长设置为1m，总高控制在 2 ～ 3m 之间，高度可通过多级连通接口进行调节，供水系统包含水管、喷嘴、压力传感器、泵体以及流量调节阀等部件，水管安置在支架顶端，进水口装有压力表和流量控制器，可以精确把控水流参数，单次降雨可覆盖 0～2m2 ，集水装置设于边坡模型下方，利用塑料布引导雨水流入集水槽实施收集。

降雨强度选取 3.2L/min 、 4.8L/min 、 6.4L/min 三种典型降雨强度，将实验时间均设为 60min_⨀ 。试验坡度分别为 1：1、1：1.5、1：2，铺筑厚度分别为 6、10、15cm，碎石粒径分别为 5～10mm 、 10～20mm 、 20～40mm ，降雨强度分别为 3.2、4.8、6.4L/min。

植生养护3 个月，确保植物生长良好、覆盖率达标且坡面基本成坪后进行试验；开启进水阀，以设计降雨强度冲刷 60 分钟；记录坡面径流产生时间、冲刷沟深度与数量，径流平稳后采用 KMnO4 溶液测定水流表面流速；将雨水混合物导入集水盒，称量后静置12 小时，清除上层清水并烘干泥沙，称重获得径流侵蚀量。

研究结果显示，随着降雨强度的增加，径流侵蚀量有明显的增加趋势，在其他变量保持不变的情况下，坡度小、铺设层厚可以减少径流侵蚀的发生。

图2 降雨模拟装置