碎石掺量对过湿植被混凝土护坡效果的影响

作者:纪慧宇 王毅 冯伟风 李治 董浩
单位:天津市建筑科学研究院有限公司
摘要:在对边坡进行植被混凝土护坡时, 施工过程中经常出现降雨造成种植土含水率过高, 使得混合料中颗粒团聚增大, 黏度增加, 出现堵管现象, 影响施工正常进行。分析了颗粒团聚及堵管的原因, 并通过掺入碎石, 研究了碎石掺量对过湿植被混凝土性能的影响, 研究结果表明, 碎石掺量对不同含水率土壤混合成的植被混凝土的影响机理不同, 土壤含水率较低时, 碎石掺入后能较好解决颗粒团聚和堵管现象, 且对植被混凝土性能影响不大, 当土壤含水率过高时, 能够降低堵管发生的次数。
关键词:边坡 混凝土 护坡 团聚 试验
作者简介:作者简介: 纪慧宇, 高级工程师, E-mail:13821848898@163.com;
基金:基金: 科技型中小企业与产业发展计划可持续发展行动项目 (14ZCCFSF00134);

 

随着我国越来越重视生态绿化, 在道路桥梁建设中也开始十分重视开挖边坡的生态绿化工程, 边坡的生态绿化已经成为一个新的亮点。传统的客土喷播是适用于低矮缓坡的边坡绿化方式, 但并不适宜高陡边坡治理, 易出现滑落、垮塌现象。CBS植被混凝土是一种由水泥和土壤为主要原料, 掺入绿色添加剂配制而成的适宜植被生长而且具有一定冲刷能力的材料。经干喷后, 较强地附着在高陡边坡岩体上, 由作为主体的植被与其载体的被面、被床、床絮和床基等有机结合而成。该植被生态修复技术手段机械化程度高, 生产能力大, 采用干式喷锚机喷播, 喷射距离远, 喷射层有一定强度且不易产生龟裂, 抗冲刷能力强, 特别适用于陡峭岩石边坡。但是在对边坡进行干喷作业时, 由于受到降雨等因素的影响, 土壤的湿度、黏度大, 原料混合后造成植被混凝土混合料过湿, 团聚粘壁现象严重, 喷播过程中经常堵管, 严重制约干喷施工的正常进行, 不仅耽误工期、浪费原料, 而且严重影响喷播质量和边坡绿化情况。因此, 对干喷工艺中防堵机制及措施的研究有助于干喷作业的顺利进行。

1 干喷工艺及堵塞原因分析

干喷工艺主要是将水泥、土壤、绿色添加剂、腐殖质等一系列原料添加入搅拌机, 混合搅拌后, 经由常规的喷锚设备 (喷播机) 注入高压空气, 采用干式喷浆法喷射到岩体表面, 形成厚度不低于8cm的覆盖层。水泥使得植被混凝土具有一定强度的防护层, 土壤和营养成分则能够维持植被的正常环境。施工工艺如图1所示。

图1 植被混凝土干喷工艺流程Fig.1 The dry sprayed vegetation-growing concrete process

图1 植被混凝土干喷工艺流程Fig.1 The dry sprayed vegetation-growing concrete process

 

从图1可以看出, 原料经过混合后进入滚筒式搅拌机进行搅拌。当土壤较为潮湿时, 在搅拌中颗粒会粘壁, 并出现颗粒的团聚现象, 形成大量大于喷播机孔径的颗粒, 造成原料浪费。而且混合料进入喷播机后, 在高压作用下, 进入喷射管道向坡面喷施的过程中, 往往会出现大量颗粒黏附在管壁上并逐渐聚集堆厚, 从而堵塞管道, 影响喷施正常进行。在施工中对不同含水率的种植土形成的植被混凝土进行废料率和喷播中堵管次数的测定, 如图2所示。

图2 废料率和堵管次数测定Fig.2 The scrap rate and frequency of pipeline jamming

图2 废料率和堵管次数测定Fig.2 The scrap rate and frequency of pipeline jamming

 

从图2a中可以看出, 随着种植土含水率的升高, 搅拌形成的植被混凝土废料率逐渐升高。且当土壤含水率<15%时, 废料率随着土壤含水率缓慢增加;当含水率>15%时;废料率增加变化, 当土壤含水率>30%时, 废料率急剧上升。从图2b中可以看出, 随着种植土含水率的升高, 在喷施过程中出现的堵管次数增加, 当含水率>30%时, 堵管次数达到6次以上, 严重影响了施工的正常进行。这说明水分含量严重影响物料颗粒之间的团聚和黏附作用, 这与焦红光[2]等人的研究结论一致。当物料表面水分较少时, 颗粒之间的黏聚不明显, 但是当水分进一步增加后, 物料表面水分含量增加, 水分子和物料颗粒表面的亲水性官能团以氢键或者吸附的形式结合, 使颗粒之间的黏聚作用得以加强。这主要是因为当含有表面水分的颗粒在相互接触时, 由于液面发生合并后会减少气液表面的表面积, 从而降低了系统的自由能, 因而是一个自发的过程。湿颗粒正在通过这种自发地吸引作用而产生团聚现象。因此, 由于表面水分引起的作用力———液桥力是土壤湿颗粒产生团聚现象的主要原因。

为了降低团聚和黏附效应, 就要尽快削弱颗粒间及颗粒同接触物体间的液桥力, 缩短液桥的断裂距 (即缩小液桥力的作用半径) , 并破坏颗粒之间的黏聚作用。本文通过掺入碎石, 利用颗粒间摩擦和冲击力来强制破坏颗粒间的黏附力, 提高施工效率, 并据此研究碎石掺量对植被混凝土护坡效果的影响, 分析其应用的可行性。

2 试验材料及方法

2.1 原材料

1) 碎石

采用机械破碎的碎石颗粒, 碎石颗粒不大于喷播机要求的过筛尺寸, 即本文采用的碎石颗粒尺寸要求介于2~20mm。因要求碎石起到破碎效果, 因此碎石尽量选择较大颗粒, 故根据方孔筛筛分孔径, 筛分获得尺寸介于16~19mm的碎石颗粒。

2) 普通硅酸盐水泥

海螺水泥有限公司。

3) 植被混凝土绿植添加剂

自制。

4) 种植土

含水率分别为5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%的潮湿土壤, 一般当原土含水率>40%时, 原土已经无法有效地过筛形成符合要求的种植土颗粒, 所以不予考虑。

2.2 设备

采用LG912装载机, PZ-6混凝土喷浆机, 长距离喷射50m, JZC400滚筒式搅拌机, 139SCY螺旋式空气压缩机。

2.3 试验方案

1) 将原料加入搅拌机混合出料。

2) 将碎石按比例2%, 4%, 6%, 8%, 10%掺入土壤含水率为5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%的混合原料内, 加入搅拌机搅拌均匀后出料。

1) , 2) 组试验样品测试标准如表1所示。

表1 测试指数及标准Table 1 Index and standards of testing   

表1 测试指数及标准Table 1 Index and standards of testing

注: (1) 废料率为颗粒大于喷浆机允许最大尺寸的团聚颗粒; (2) 堵管次数为1个工作日内, 发生堵塞管道的次数, 表示喷播进行的顺利程度

3 试验结果与分析

试验过程中分别将相同掺量的碎石掺入土壤含水量为5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%的原料中, 测试喷播过程中产生的废料率、堵管次数、抗剪强度、植物发芽率等数据如图3所示。

从图3a中可以看出, 当碎石掺量一定时, 植被混凝土的废料率随着土壤含水率的增加而增加, 其中当土壤含水率<20%、碎石掺量≥8%时, 废料率达到最低值约为0.5%。当土壤含水率一定时, 整体上废料率随着碎石掺量的增加而降低。然而当土壤含水率>30%时, 废料率随着碎石掺量的增加出现先增后降的趋势, 这主要是因为当石子颗粒掺量较少时, 其作用类似于凝结核, 降低了新相形成的难度, 即颗粒形成团聚体的难度, 因此土壤颗粒会在石子表面附着并逐渐形成团聚体, 增加了大颗粒的尺寸和数量, 使得废料率有所上升 (在试验过程中也发现大量废料中包裹着碎石颗粒) 。但是随着碎石颗粒掺量的增加, 碎石颗粒对土壤团聚体的破碎程度占据主导地位, 废料率也逐渐降低。

从图3b中可以看出, 随着碎石掺量的增加, 堵管次数逐渐降低。其中, 土壤含水率为5%时, 碎石掺量达到4%不再堵管;土壤含水率为10%时, 碎石掺量达到6%不再堵管;土壤含水率为15%~20%时, 碎石掺量达到10%不再发生堵管现象。当土壤含水率>20%, 碎石掺量达到10%依然存在堵管现象。这说明碎石掺入后能够依靠自身冲击力对黏附颗粒形成破碎, 但是当含水率较高、种植土黏聚力较高时, 碎石冲击力对颗粒黏附性的破碎作用变得有限, 在施工过程中就表现为堵管现象依然存在。

从图3c中可以看出, 当碎石掺量一定时, 土壤含水率越高, 抗剪强度越低。这主要是因为土壤含水率增加, 原料混合后形成的团聚颗粒较多, 使得水泥与土壤混合不均匀, 影响了植被混凝土混合料的均质性, 降低了植被混凝土在坡面上的抗剪强度。当土壤含水率一定时, 植被混凝土抗剪强度随着碎石掺量的变化不太一致。当土壤含水率<5%时, 植被混凝土抗剪强度随着碎石掺量的增加而降低, 主要是因为碎石掺入后成为一种杂质, 增大了植被混凝土结构缺陷, 降低了抗剪强度。当土壤含水率介于10%~25%, 植被混凝土抗剪强度随着碎石掺量先增后降。其中土壤含水率为10%, 15%时, 植被混凝土强度在碎石掺量为2%时达到最大值, 分别为0.41MPa和0.40MPa。土壤含水率为20%, 25%时, 植被混凝土强度在碎石掺量为4%时达到最大值, 分别为0.39MPa和0.38MPa。这主要是因为碎石掺量<4%时, 碎石的破碎作用占主导地位, 随着碎石掺量的增加, 碎石对混合料团聚颗粒的破碎作用逐渐增加, 提高了混合料均质性, 使得最终强度有所上升。当碎石掺量过高时, 则成为一种杂质, 影响了植被混凝土强度。当土壤含水率>25%, 抗剪强度随着碎石掺量的增加先降低后增高, 原因与废料率提高的原因一致, 因为碎石掺量较少时, 其作用类似于凝结核, 降低了颗粒形成团聚体的难度, 因此土壤颗粒会在石子表面附着并逐渐形成团聚体, 降低了混合料均质性, 从而使得植被混凝土抗剪强度降低。其中碎石掺量为2%时, 土壤含水率为30%, 35%的植被混凝土强度最低, 分别为0.33MPa和0.32MPa。碎石掺量为4%时, 土壤含水率为40%的植被混凝土强度最低为0.29MPa, 已经不符合植被混凝土抗剪强度最低技术指标, 对比图3c也可以看出, 在相应掺量时, 混料时产生的废料率也出现上升。当碎石掺量进一步提高, 碎石的破碎作用加强, 提高了混合料的均质性, 使得植被混凝土强度提高。其中碎石掺量为6%时, 土壤含水率为30%, 35%的植被混凝土强度最高, 分别为0.34MPa和0.33MPa。碎石掺量为8%时, 土壤含水率为40%的植被混凝土强度最高, 为3.15MPa。当碎石掺量继续增加, 碎石产生的裹挟、破碎、杂质作用共存, 最终使得植被混凝土强度降低, 这也说明碎石的掺入对植被混凝土强度的提高有限。

图3 试验数据Fig.3 Testing data

图3 试验数据Fig.3 Testing data

 

从图3d中可以看出, 随着碎石掺量的增加, 植物的发芽率逐渐升高。主要是因为碎石掺入后, 对植被混凝土颗粒起到破碎作用, 增加了植被混凝土的透气性, 促进了植被的发芽。但从整体上看, 在不同条件下, 植被的发芽率均高于85%, 达到了施工要求, 能够保证坡面的绿化效果。

降雨量100mm/h时, 降雨3h, 土壤含水率不同的植被混凝土表面冲刷造成的流失情况如表2所示。

表2 不同碎石掺量抗冲刷性能及土壤流失率Table 2 The soil wastage rate and the anti-erosion properties   

表2 不同碎石掺量抗冲刷性能及土壤流失率Table 2 The soil wastage rate and the anti-erosion properties

从表2中可以看出, 当土壤含水率为≥30%, 碎石掺量达到10%时, 出现表层植被混凝土流失的情况, 土壤损失率极小。当土壤含水率为40%, 碎石掺量达到4%时, 土壤出现流失情况, 流失率为0.21%。从表3数据中可以看出, 在大部分情况下掺入碎石虽然会一定程度上降低植被混凝土的抗剪切强度, 但是依然能够满足抗冲刷性能的要求。

4 结语

1) 掺入碎石后, 大大地降低了过湿植被混凝土混料过程中废料率的产生, 而且减少了堵管次数, 达到了节约时间、保证施工顺利进行的目的。然而, 碎石掺入后对植被混凝土废料率和堵管次数的降低有限, 当土壤含水率<20%, 碎石掺量≥8%时, 废料率能够降至最低值0.5%, 也能保证不发生严重频发的堵管现象。但是当土壤含水率>20%, 废料率虽然随着碎石掺量的增加而降低, 但掺量达到10%时, 仍然无法使废料率降至最低, 而且也存在一定的堵管现象, 使得施工的正常进行受到影响。但是碎石过高的掺量已经影响到植被混凝土的技术指标要求, 说明单纯的掺入碎石在土壤含水率较低的情况下是可行的, 但是土壤含水率过高时, 效果有限。

2) 碎石掺入后对不同湿度的土壤混合成的植被混凝土的影响机理不同。当土壤含水率较低时, 较少的碎石掺量就可以对混合料团聚颗粒进行物理破碎作用, 但是当土壤含水率过高时, 碎石掺量过少则会起到类似凝结核的作用, 促使物料团聚, 不仅增加了废料率, 影响喷播正常进行而且影响喷施的植被混凝土的性能。只有在碎石掺量提高时才能对物料起到破碎效果。

 

Influence of Gravel Content for the Slope Protection Efficiency with Super-humid Vegetation Growing Concrete
Ji Huiyu Wang Yi Feng Weifeng Li Zhi Dong Hao
(Tianjin Research Institute of Building Science Co., Ltd.)
Abstract: During the slope greening, the rains often cause the moisture content of soil elevated. It makes the size and viscosity of agglomerated particle increasing, and the pipeline jamming. It has affected the normal construction. The article analyzed the reasons of agglomerated particle and pipeline jamming, then researched deeply the influence of gravel content for the slope protection efficiency with super-humid vegetation growing concrete by joining the rubble. The results showed that gravel content on the influence of different moisture content of vegetation concrete is different. When the moisture content is low, the gravel can solve the agglomerated particle and pipeline jamming, and don 't affect the strength of vegetation concrete. When the moisture content is high, the gravel can reduce the number of pipeline jamming.
Keywords: side slope; concrete; slope protection; agglomeration; testing;
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