抗冻植被混凝土力学性能试验研究

郑敏敏

摘要：普通植被混凝土孔隙率较大，在受到冻融循环后，会发生断裂、粉碎等严重破坏，抗冻性能极差。以抗冻植被混凝土为研究对象，分析不同因素对其强度的影响，进而优化抗冻植被混凝土的力学性能，得出以下结论：采用聚合物乳液胶结剂的抗冻植物混凝土的力学性能较优。分析认为，抗冻植物混凝土养护过程中，其中的水泥会发生水化反应生产水化产物，而聚合物乳液可填充于其中的孔隙，与其发生络合反应，从而提高了试样的力学性能。

关键词：抗冻植被混凝土；抗压强度；正交实验

基金：甘肃省高等学校创新基金项目（2023B-397）

基金名称：抗冻植被混凝土在西北地区河道护坡中的研究与应用

0   引言

普通植被混凝土孔隙率较大，在不采取任何抗冻措施的条件下，植被混凝土会发生断裂、粉碎等破坏，抗冻性能极差。近年来，许多专家学者针对抗冻植被混凝土开展相关研究。

高文涛等人[1]以抗冻植被混凝土为研究对象，开展正交实验，对比分析掺入不同纤维对其力学性能的影响，结果表明，最优配合比的抗冻植被混凝土力学性能具有显著提升。陈毅等人[2]开展冻融循环试验，分析对比分析植物纤维对抗冻植被混凝土力学性能的影响，结果表明，掺入棕纤维的试样力学性能较优。王慧颖等人[3]开展无侧限抗压试验，分析水泥掺入量对植被混凝土承载力的影响规律，结果表明，当水泥掺入量为11%时，植物的生长情况及试样的承载力较优。周明涛等人[4]以植被混凝土为研究对象，分析不同生态基材对植被混凝土抗冻性能的提升效果，结果表明，符合抗冻剂可有效提高试样的抗冻性能。谢清华等人[5]以植被混凝土为研究对象，分析该混凝土的植生性能，并对其孔隙液的pH值进行优化，以提高植被混凝土的植生性能。

本研究以西北地区河道护坡为研究背景，以抗冻植被混凝土为研究对象，分析不同因素对其强度的影响，进而优化抗冻植被混凝土的力学性能。

1   工程概况

本研究以西北地区河道护坡为研究对象，填方边坡坡体为后期填土、粉质黏土、凝灰岩残积黏性土、全风化凝灰岩，为土质边坡，回填土自稳性差，挖方段边坡坡体以坡积成因粉质黏土及凝灰岩残积黏性土为主。该地区气候寒冷，冬季平均气温在-20℃以下，普通植被混凝土孔隙率较大，其孔隙内充满水时极易发生冻胀破坏。

在不采取任何抗冻措施的条件下，在受到20次冻融循环后，普通植被混凝土会出现断裂、粉碎等严重破坏，抗冻性能极差[6]。为解决以上问题，本研究以抗冻植被混凝土为研究对象，分析不同因素对其强度的影响，进而优化抗冻植被混凝土的力学性能。

2   正交试验设计方案

为分析不同胶结剂对抗冻植被混凝土力学性能的影响，采用压力试验机开展抗冻植被混凝土抗压、抗折试验，抗冻植被混凝土试样抗压强度如变化规律如图1所示。

2.1   不同胶结剂下试样抗压强度

由图1可知，聚合物乳液试样的抗压强度最大，当龄期为28d时，其抗压强度有最大值，其值为24.6MPa。007建筑胶粉试样的抗压强度最小，当龄期为28d时，其抗压强度仅为7.63MPa。抗冻植被混凝土试样的抗压强度与其养护龄期间呈正相关关系，随着龄期的增大，其抗压强度逐渐增大。

对比龄期为3d与28d的试样抗压强度可得，聚合物乳液试样的抗压强度增长最大，二者间的抗压强度差值为10.42MPa，007建筑胶粉试样的抗压强度增长最小，二者间的抗压强度差值为1.99MPa。

由此说明，养护过程能显著提升聚合物乳液试样的抗压强度，对于007建筑胶粉试样而言，其强度提升效果并不显著。

2.2   不同胶结剂下试样抗折强度

抗冻植被混凝土试样抗折强度如变化规律如图2所示。由图2可知，当龄期较小时，不同胶结剂试样间的抗折强度差距较小，除龄期为7d外，聚合物乳液试样的抗折强度均有最大值，当龄期为28d时，其抗折强度为8.95MPa。JK试样的抗折强度最小，当龄期为28d时，其抗折强度仅为5.97MPa。

综合以上分析可得，当养护龄期为28d时，聚合物乳液试样的力学性能较优。分析认为，抗冻植物混凝土养护过程中，其中的水泥会发生水化反应，生产水化产物，而聚合物乳液可填充于其中的孔隙，与其发生络合反应，从而提高试样的力学性能。因此，本研究以聚合物乳液为抗冻植物混凝土的胶结剂，以开展后续正交试验。

2.3   正交试验设计

为分析不同因素对抗冻植被混凝土力学性能的影响，以聚合物乳液为抗冻植物混凝土的胶结剂，开展正交试验，对其配合比进行优化，本研究的正交试验设计如表1所示。

3   实验结果分析

3.1  试验编号-抗压强度曲线分析

当养护龄期为28d时，抗冻植被混凝土试样的力学性能较优，因此本研究以28d为养护龄期，根据表1所示的试验方案，得出的试验编号-抗压强度曲线如图3所示。

由图3可知，各组试验得出的植被混凝土试样的抗压强度具有一定的差异性。其中，编号3试验得出的28d抗压强度最大，其值为18.3MPa。编号15试验得出的28d抗压强度最大，其值为4.17MPa。

由此說明，孔隙率、骨料含量系数、水胶比与胶结剂掺量，对抗冻植被混凝土的抗压强度存在一定的影响，不同组试验的试样抗压强度差距可达到4.5倍。对比编号3试验与编号15试验的以上参数可得，两组试验的差异主要体现在其骨料含量系数、胶结剂掺量及目标孔隙率。为分析不同因素对抗冻植被混凝土抗压强度的影响程度，需对其正交试验结果进行极差分析。

3.2   对正交试验结果进行极差分析

对以上正交试验结果进行极差分析，当极差分析的R值越大时，说明该因素对试样结果的影响程度较大。计算不同正交试验的R值可得：胶结剂掺量的R值最大，其值为5.75；其次为骨料含量系数，其值为4.86；再次为水胶比，其值为4.40；目标孔隙率的R值最小，其值为3.98。由此说明，膠结剂掺量对抗冻植被混凝土的抗压强度影响最大，目标孔隙率对抗冻植被混凝土的影响最小。

根据K值与Kavg值可确定抗冻植被混凝土的最优配合比，目标孔隙率对应的水平3的K值与Kavg值有最大值时，试样的目标孔隙率为0.26；骨料含量系数对应的水平1的K值与Kavg值有最大值时，试样的骨料含量系数为0.94；水胶比对应的水平1的K值与Kavg值有最大值时，试样的水胶比为0.28；胶结剂掺量对应的水平3有最大值时，试样的胶结剂掺量为4%。

3.3   抗压强度曲线分析

根据以上分析可得，胶结剂掺量与骨料含量系数对抗冻植物混凝土的影响较大，为分析以上两种因素变化对抗冻植被混凝土力学性能的影响，以28d抗冻植被混凝土为研究对象，得到骨料含量系数-抗压强度曲线、胶结剂掺量-抗压强度曲线如图4所示。

由图4a可知，骨料含量系数与试样的抗压强度呈正相关关系。分析认为，当试样的骨料含量较小时，其中的水泥含量较大，水泥与骨料的胶结作用会提升试样的抗压强度。由图4b可知，当胶结剂掺量为4%时，抗冻植被混凝土的力学性能最优。综合以上分析，当试样的骨料含量系数为0.94，胶结剂掺量为4%时，抗冻植被混凝土有抗压强度最大值。

4   结束语

普通植被混凝土孔隙率较大，在受到冻融循环后，会发生断裂、粉碎等严重破坏，抗冻性能极差。本研究以西北地区河道护坡为研究背景，以抗冻植被混凝土为研究对象，分析不同因素对其强度的影响，进而优化抗冻植被混凝土的力学性能，得出以下结论：

聚合物乳液试样的抗压强度最大，当龄期为28d时，其抗压强度有最大值，其值为24.6MPa。007建筑胶粉试样的抗压强度最小，当龄期为28d时，其抗压强度仅为7.63MPa。

当龄期较小时，不同胶结剂试样间的抗折强度差距较小。除龄期为7d外，聚合物乳液试样的抗折强度均有最大值，当龄期为28d时，其抗折强度为8.95MPa。JK试样的抗折强度最小，当龄期为28d时，其抗折强度仅为5.97MPa。

各组试验得出的植被混凝土试样的抗压强度具有一定的差异性。其中，编号3试验得出的28d抗压强度最大，其值为18.3MPa。编号15试验得出的28d抗压强度最大，其值为4.17MPa。由此说明，孔隙率、骨料含量系数、水胶比与胶结剂掺量对抗冻植被混凝土的抗压强度存在一定的影响。

参考文献

[1] 高文涛，刘福胜，韦梅，等.新型抗冻植被混凝土配比及性

能研究[J].新型建筑材料，2016，43（11）：30-33+89.

[2] 陈毅，梁永哲，刘大翔，等.植物纤维加筋对植被混凝土抗

冻耐久性的影响[J].湖北农业科学，2015，54（19）：4840-4844.

[3] 王慧颖，王尧天.寒区植被混凝土无侧限抗压性能试验研究

[J].黑龙江工程学院学报，2014，28（4）：4-7.

[4] 周明涛，胡欢，胡旭东.植被混凝土复合抗冻剂的组配试验

[J].中国水土保持科学，2014，12（4）：62-66.

[5] 谢清华，高文涛，齐强，等.植被混凝土降碱植生技术优化

研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2017，48（3）：429-

432.

[6] 孙新，李雪朋，陈超，等.抗冻抗渗混凝土C35F200W6配

合比设计[J].散装水泥，2023，No.222（1）：191-193.