發(fā)布時(shí)間：2016-10-22 06:31

1 緒論 

1.1 研究背景 
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施如道路、鐵路和水利等方面的建設(shè)取得了顯著發(fā)展�；A(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過程中，勢(shì)必會(huì)破壞原有的植被和地形結(jié)構(gòu)，造成大面積的土壤裸露、植被破壞、生態(tài)失衡。破壞后的植被和地形結(jié)構(gòu)，很難通過自身力量來(lái)恢復(fù)生態(tài)平衡，即使可以也需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。目前，我國(guó)有許多地區(qū)的植被遭到破壞，造成水土流失，給環(huán)境造成了很大危害。如果土體的坡度較大，再加之遭遇大雨，土壤受到雨水的侵蝕極其容易導(dǎo)致崩潰和山體滑坡，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患。近幾十年的山體滑坡和泥石流等自然災(zāi)害屢見不鮮，這與工程建設(shè)時(shí)的破壞有很大的關(guān)系。因此，有必要對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)處理，針對(duì)這一問題，許多學(xué)者提出了植被混凝土這種新護(hù)坡材料，植被混凝土具有保護(hù)結(jié)構(gòu)、水土保持、植被恢復(fù)和生態(tài)減災(zāi)優(yōu)點(diǎn)，研究忽略了北方季節(jié)交替問題，只考慮了抗壓強(qiáng)度而忽視了抗凍融能力。 另一方面，根據(jù) 2014 年《中國(guó)資源綜合利用年度報(bào)告》顯示：2013 年，煤矸石作為煤的伴生物，我國(guó)煤矸石產(chǎn)生量約 7.5 億噸，同比增長(zhǎng) 7.6%，目前，我國(guó)煤矸石累計(jì)堆放量約為 45 億噸，規(guī)模較大的煤矸石山達(dá) 2600 多座。煤矸石大面積堆放勢(shì)必會(huì)對(duì)社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等方面產(chǎn)生影響。首先，為了存放煤矸石勢(shì)必征用大量土地，浪費(fèi)土地資源，與日益減少的耕地面積相矛盾；其次，煤矸石長(zhǎng)時(shí)間的堆放會(huì)發(fā)生自燃，產(chǎn)生SO2、NOx 等有毒有害氣體，污染地下水源和土壤，甚至?xí)斐伤嵊甑茸匀粸?zāi)害，影響周圍居民的身體健康；另外，煤炭企業(yè)為了解決煤矸石土地的征用、矸石山的污染以及應(yīng)對(duì)山體滑坡和泥石流等自然災(zāi)害，每年需要投入大量資金，這造成了企業(yè)資金的浪費(fèi)。因此，國(guó)家發(fā)展改革委組織開展了《煤矸石綜合利用管理辦法》修訂工作。國(guó)家能源局、財(cái)政部、國(guó)土資源部、環(huán)保部聯(lián)合下發(fā)了《煤礦充填開采工作指導(dǎo)意見》，推動(dòng)煤炭行業(yè)以矸換煤技術(shù)的推廣和應(yīng)用。 
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1.2 煤矸石及研究現(xiàn)狀 
煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。 煤矸石產(chǎn)生有以下三種途徑：采煤前，修建井簡(jiǎn)與巷道時(shí)，開鑿排出大量煤矸石；采煤過程中，在煤層中和部分煤層頂?shù)装逯泻写罅康拿喉肥�；采煤后，在洗煤廠和人工挑選時(shí)產(chǎn)生大量洗矸和少量揀矸。 煤炭是我國(guó)最主要的能源，其資源非常豐富，2008 年產(chǎn)量已超過 27.16 億噸。隨著煤炭生產(chǎn)的不斷擴(kuò)展，煤研石的產(chǎn)生量與日俱增，若煤矸石產(chǎn)生量按原煤產(chǎn)量的 15%計(jì)，保守估計(jì)煤矸石每年的增量至少 1.8 億噸以上，目前，我國(guó)煤矸石累計(jì)堆放量約為 45億噸，規(guī)模較大的煤矸石山達(dá) 2600 多座，占地 30 萬(wàn)畝以上，而且仍在繼續(xù)增加。大量堆積的煤矸石侵占了大量的土地，浪費(fèi)了土地資源，污染了生態(tài)環(huán)境，如果不采取有效的利用措施，將會(huì)直接影響煤炭工業(yè)的正常發(fā)展，并且影響周圍環(huán)境質(zhì)量和居民的身體健康狀況。 煤矸石的產(chǎn)地分布和原煤產(chǎn)量有直接關(guān)系。目前，我國(guó)年產(chǎn)矸石量超過 400 萬(wàn)噸的地區(qū)有東北、內(nèi)蒙古、山東、河北、陜西、山西、安徽、河南和新疆等，可見煤矸石產(chǎn)生量多的地區(qū)主要在北方，這與本文針對(duì)北方地區(qū)植被混凝土的研究一致，為生產(chǎn)提供了大量的原材料。
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2  原材料和試驗(yàn)方法 

2.1 原材料 
山東省泰安市中聯(lián)水泥廠產(chǎn)的 P·O42.5 中聯(lián)牌水泥，其水泥廠提供的化學(xué)成分和物理指標(biāo)見表 2.1 和表 2.2。煤矸石不同于普通石子形成過程，它在采煤過程中與煤存在一起，是一種含碳量低的黑色巖石，是一種固體廢棄物。煤矸石按照燃燒程度分為非自然煤矸石和自然煤矸石。非自燃煤矸石的顏色為黑色或黑灰色，與煤炭顏色相近，其硬度較高，這是一種不具有活性的煤矸石，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；自燃煤矸石呈陶紅色及陶黃色，由于內(nèi)部夾雜黑色碳質(zhì)，質(zhì)地疏松，巖石硬度較低，這是一種具有活性的煤矸石，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。本試驗(yàn)煤矸石取自菏澤礦務(wù)局，粒徑 16~26.5mm 之間，單粒級(jí)配，通過顏色判斷屬于非自然煤矸石。從菏澤礦務(wù)局運(yùn)來(lái)的煤矸石粒徑較大，利用時(shí)需要進(jìn)行破碎篩分處理。利用實(shí)驗(yàn)室里的顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，尺寸調(diào)到 30mm 左右，破碎后的煤矸石粒徑在 30mm 以下，，然后用 16~26.5mm 的方孔篩進(jìn)行篩分。
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2.2試驗(yàn)方法
孔隙率包括有效孔隙率和總孔隙率，有效孔隙率是由連通的孔隙和半連通的孔隙組成隙，總孔隙率是由連通的孔隙、半連通的孔隙和全封閉的孔隙組成。本文參考日本《多孔混凝土空隙率試驗(yàn)方案》及《透水性混凝土河川護(hù)堤施工手冊(cè)》測(cè)試有效孔隙率和總孔隙率。 根據(jù)阿基米德定律測(cè)得孔隙率，將試塊放入水中，使水漫過植被混凝土，水充滿內(nèi)部的孔隙，此時(shí)水填充的體積即為植被混凝土孔隙的體積，即植被混凝土孔隙率體積等于試塊標(biāo)準(zhǔn)體積減去排開水的體積。 植被混凝土成型之后，選擇表面平整，外形規(guī)則的試件，養(yǎng)護(hù) 28 天之后，將試塊浸入水中 24 小時(shí)，然后有繩子固定好，稱其浸入水中時(shí)的質(zhì)量，然后用烘干箱將其烘干，稱其烘干后的質(zhì)量，然后放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù) 24 小時(shí)，稱其在空氣中的質(zhì)量。用游標(biāo)卡尺量取植被混凝土試件的長(zhǎng)、寬、高，每個(gè)長(zhǎng)度量取三次取平均值作為最終長(zhǎng)度，然后計(jì)算出試件的體積。 
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3  配合比設(shè)計(jì)及制備 ...... 20 
3.1 配合比設(shè)計(jì) ........ 20 
3.2 材料用量計(jì)算方法 .... 20 
3.3 植被混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo) ........ 21 
3.3.1 孔隙率 ..... 21 
3.3.2 抗壓強(qiáng)度 ......... 22 
3.3.3 耐久性能 ......... 22 
3.4 試塊制作 .... 22 
3.4.1 攪拌工藝 ......... 23 
3.4.2 成型方式 ......... 23 
3.4.3 養(yǎng)護(hù)方式 ......... 23 
3.5 小結(jié) .... 23 
4  試驗(yàn)結(jié)果與分析 .......... 25 
4.1 孔隙率 ........ 25 
4.2 透水系數(shù) .... 26 
4.3 p H 值 .......... 27 
4.4 抗壓強(qiáng)度 .... 28 
4.5 凍融循環(huán) .... 30 
4.6 抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)綜合分析 ........ 33 
4.7 小結(jié) .... 34 
5  結(jié)論與展望 .......... 35 
5.1 結(jié)論 .... 35 
5.2 展望 .... 35 

4  試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 孔隙率 

植物在植被混凝土上生長(zhǎng)要滿足足夠的孔隙率，充足的孔隙才會(huì)使植物根系穿透混凝土扎根到土壤中吸取營(yíng)養(yǎng)，在根系的連接作用下增強(qiáng)了植被混凝土與土壤之間的整體性。由上表 4.1 可以看出：在設(shè)計(jì)孔隙率 28%時(shí)，總孔隙率均在 29%以上，最高 37%左右，而有效孔隙率集中在 28%左右。其中煤矸石植被混凝土的有效孔隙率均大于 21%，根據(jù)日本生態(tài)混凝土護(hù)岸工法規(guī)定，煤矸石粗骨料植被混凝土的孔隙率符合植物生長(zhǎng)需求。 植被混凝土因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有吸收雨水、雪水等供植物生長(zhǎng)的能力，并且具有滿足植物根系和周圍環(huán)境進(jìn)行養(yǎng)分交換的能力，而透水系數(shù)是反應(yīng)其上述能力的直接表現(xiàn)。如果透水系數(shù)過小勢(shì)必會(huì)降低植被混凝土水分交換和蓄水能力，因此必須保持合適的透水系數(shù)，根據(jù)王桂玲在《植生混凝土的含義、技術(shù)指標(biāo)及研究重點(diǎn)》（王桂玲，2013）文中的觀點(diǎn)，植被混凝土透水系數(shù)必須達(dá)到 0.1cm/s 以上才能夠提供植物根部生長(zhǎng)所必需的水分、養(yǎng)分和保水排水透氣功能。 由表 4.2 和圖 4.2 可以看出：煤矸石粗骨料抗凍植被混凝土的透水系數(shù)均在 2cm/s之上，透水性比一般土壤要好，滿足植被混凝土對(duì)透水系數(shù)的要求。有效孔隙率與透水系數(shù)之間成線性關(guān)系，線性函數(shù)關(guān)系表達(dá)式：y=0.1268x-1.010，方差：R2=0.87，總孔隙率和有效孔隙率有較好的線性相關(guān)性。這是由于有效孔隙率大，膠結(jié)材漿體用量就少小，包裹粗集料表面的體積就小，植被混凝土內(nèi)部的閉塞孔隙很難形成，連續(xù)孔隙自然增多，透水性能也就更加出色。

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結(jié)論 

根據(jù)課題組前期對(duì)抗凍植被混凝土研究成果，研究以煤矸石為粗骨料抗凍植被混凝土各項(xiàng)性能的變化，得出最優(yōu)摻量，提出一種對(duì)煤矸石利用的新途徑。通過試驗(yàn)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： 
（1）煤矸石粗骨料抗凍植被混凝土是一種生態(tài)混凝土，這種混凝土具有綠化功能、結(jié)構(gòu)防護(hù)能力且利用廢棄礦物質(zhì)材料，符合我國(guó)的“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”，它適用于城市市政工程坡面結(jié)構(gòu)、公路、河流兩岸坡面的綠化與結(jié)構(gòu)保護(hù)。 
（2）在控制孔隙率的前提下，添加聚丙烯腈纖維、塑鋼纖維、801 膠、引氣劑和減水劑等措施提高其耐久性，由最初可承受 35 次凍融循環(huán)提高到可承受 125 次，符合 F100抗凍等級(jí)，同時(shí)滿足抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。 
（3）根據(jù)抗壓強(qiáng)度最高、凍融循環(huán)次數(shù)最多和廢物利用最優(yōu)原則，煤矸石粗骨料最優(yōu)摻量確定為 40%左右。 
（4）煤矸石粗骨料對(duì)抗凍植被混凝土的孔隙率、透水系數(shù)、p H 值和孔隙率影響很小，其煤矸石粗骨料抗凍植被混凝土有效孔隙率均在 21%以上，透水系數(shù)均在 2cm/s 以上，滿足植被生長(zhǎng)的基本要求。其中總孔隙率、透水系數(shù)均與有效孔隙率成線性關(guān)系，24h 內(nèi) p H 值變化與有效孔隙率成正相關(guān)性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：148705