CN104402390B

CN104402390B - 一种透水性混凝土栅栏板及其制备方法

Info

Publication number: CN104402390B
Application number: CN201410550490.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋亚清; 尤迁; 周文; 杨军; 刘小艳; 夏苏鲁
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104402390A

Abstract

本发明公开了一种透水性混凝土栅栏板及其制备方法，属于水工和海工材料领域，它是以大掺量粉煤灰胶凝材料或复合胶凝材料为基材、纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥防护钢筋或FRP筋为增强材料，根据使用环境，进行配筋和护面参数计算，将透水性混凝土边梁、混凝土护底板和透水性混凝土栅条，采用现浇、部分或整体预制，获得的透水性混凝土栅栏板，由于表面糙度的增加以及边梁和栅条内部连通孔的透水作用，能够赋予堤身护面结构透水消能、削弱最大正向波压强度及限制波浪爬高的性能。该透水性混凝土栅栏板，透水性混凝土28天抗压强度大于40MPa，堤顶越浪量比使用普通栅栏板降低15％‑25％，可用于江堤、海堤及其导堤的护面结构，其中整体预制栅栏板可重复使用。

Description

一种透水性混凝土栅栏板及其制备方法

技术领域

本发明属于水工和海工材料领域，适用于海岸、河口、湖泊堤坝的消浪结构，具体涉及透水性混凝土栅栏板及其制备方法。

背景技术

波浪冲击是危及沿江沿海的护堤和护岸安全的主要因素,完好的消浪防冲设施是抗御波浪冲击的有效办法。消浪结构不仅能消减波浪的爬高,降低堤顶高程或防浪墙顶高程,而且能减轻波浪对堤身主体或岸体的冲击,有利于工程的安全。因而，沿江沿海的堤防、港口码头及航道的防波堤等，都要求控制堤坝高程而又尽可能得减少越浪，即有消浪的要求。块石消浪方式用料多,在波浪作用下上部小块石易被淘刷带走,护坡也易坍塌；混凝土异型块体消浪造价较高，应用范围不够广泛，不够整齐美观。

波浪爬高其实是水流从动能转换为势能的过程,根据伯努利方程可知,波浪爬高过程中每个液体质点满足:

z_{1} + \frac{p_{1}}{r} + \frac{α_{1} {u_{1}}^{2}}{2 g} &PlusMinus; H = z_{2} + \frac{p_{2}}{r} + \frac{α_{2} {u_{2}}^{2}}{2 g} + h_{w} - - - (1)

式中：Z1、Z2分别为截面1、2的位置高度；

分别为截面1、2的压强高低；

分别为截面1、2的流速水头；

H为作用在水面上的风压力等外力；

h_w为波浪爬高时的水头损失。

由于波浪爬高水表面压强为大气压强,故两项相等。波浪爬高为最高时,水流速度应为0,同时假定Z1为0,则式(1)变为：

\frac{α_{1} {u_{1}}^{2}}{2 g} &PlusMinus; H = Z_{2} + h_{w} - - - (2)

海浪爬高水力要素复杂,风力H对波浪作用力难以确定,水头损失hw的计算也很复杂。但从(2)式不难看出,增大沿程和形状水头损失,也就是增大波浪爬高护面表面的糙率,可以减少波浪爬高。栅栏板消浪效果如何,起决定作用的是栅栏板的斜坡糙率及渗透性系数。一般情况下,加糙率增大,对波浪破碎后形成的上爬水流的阻力亦增大,使水体产生剧烈的紊动,损耗较多的能量,可减小波浪的爬高。试验表明,随着加糙率的继续增大,其低凹的空间相应减小,当水流回落时,充填其间的水体不能及时流失,形成一“水垫层”,使上爬波流的阻力及紊动减弱,波能损耗减小,反而使爬高有所增加。因此,确定栅栏板的斜坡糙率及渗透性系数是工程设计的关键。

栅栏板是利用其下凹的空腔来达到消浪目的,属于下凹式加糙。栅栏板存在着大量的空腔,增加了坡面的糙率,可部分消耗上爬的波浪能量。当波浪水舌经过栅栏板时,波浪遇到栅栏板空腔形成漩涡,使波浪破碎、撞击,进一步耗散波浪能量,达到消浪的目的，但常规栅栏板的透水系数不够容易形成“水垫层”的问题，不能达到最佳消浪效果。

专利20120208822.x公开了“一种生态型栅栏板”，其外形轮廓为圆柱形块，底面和顶面为平面，侧面设有对称分布的四个凹凸形缺口，轴对称分布，上下、左右共四个，相邻两个缺口相同或不同；每个栅栏板都设有至少一个透水孔。这种栅栏板虽然工艺简单，透水性能也好，但稳定性不好，消浪效果也不是很明显，那么应用范围就不够广泛。

专利200820153626.6涉及“一种栅栏板护面结构”，包括两侧边梁、以及设置于边梁结构内平行排列的肋条,肋条断面形状为“L”形或倒“T”形,肋条之间预留有间隙形成排水槽,肋条上设置有排水孔或排水槽。该发明施工过程中对坡面垫层平整度要求较低,可取消下部干砌块石垫层,可采用常规施工设备,施工工艺简单方便。但同时稳定性和强度问题也是隐患，这样应用范围就受到限制。

发明内容

本发明综合考虑了斜坡糙率及渗透性系数，设计了透水性混凝土栅栏板，既能增加栅栏板的斜坡粗糙率，又提高了渗透系数，使得消能效果更加显著，能够广泛应用于海岸、港口、河口、湖泊堤坝的消浪结构。

本发明所述的透水性混凝土栅栏板以胶凝材料为基材、纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥防护钢筋或FRP筋为增强材料，将透水性混凝土边梁、混凝土护底板和透水性混凝土栅条，采用现浇、部分或整体预制，获得的透水性混凝土栅栏板。

所述的混凝土护底板由水泥、海砂、石子等原料组成，配制强度为C30,并加入纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥防护钢筋或FRP筋为增强材料。

所述的透水性混凝土由胶凝材料、粗骨料、水、增粘剂和其它外加剂组成，其组分按质量份计算如下：胶凝材料17～29份、粗骨料52～87份、增粘剂0.01～0.39份、减水剂1～1.6份、水5～7份，配制强度为C30，水胶比为0.30～0.40，内部连通孔体积率为15％～35％。

所述的胶凝材料为大掺量粉煤灰水泥基材料或复合胶凝材料。所述的大掺量粉煤灰水泥基材料，粉煤灰占胶凝材料质量的50％～80％，优选50％～60％。所述的复合胶凝材料，由磷酸钾镁水泥、碱-矿渣水泥、氯氧镁水泥、硬脂酸钙以10～20:10～20:60～70：1～2的质量比组成。

所述的粗骨料为碎石、卵石、再生粗集料、陶粒中的一种或两种共同使用，粗骨料级配为5～25mm，优选5～10mm。

所述的增粘剂为纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇中的一种或两种共同使用，掺量为胶凝材料质量的0.05％～0.20％。

所述的减水剂为萘磺酸盐缩合物减水剂、硼砂、磺化丙酮缩合物减水剂的一种或两种共同使用，掺量为胶凝材料质量的0.5％～1％。

所述的大掺量粉煤灰水泥基材料，粉煤灰占胶凝材料质量的50％～80％，优选50％～60％。

所述的复合胶凝材料，由磷酸钾镁水泥、碱-矿渣水泥、氯氧镁水泥、硬脂酸钙以10～20:10～20:60～70：1～2的质量比组成。

所述的混凝土护底板采用纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥防护处理的FRP筋、钢筋或混合配筋为混凝土增强材料。

上述一种透水性混凝土栅栏板的制备方法，它包括如下步骤：

(1)将模具支护好，选取合适位置，将增强筋进行绑扎。

(2)根据C30自密实混凝土配合比准确称取粗集料、海砂、胶凝材料和水的质量，并依次加入搅拌机内进行拌合，使其拌合均匀，倒入模具中振捣密实。

(3)根据设计的配合比称取配制C30透水混凝土的各种原材料待用，先将全部骨料及1％—3％的水预拌约30s，使骨料表面刚好被润湿为好，然后再加入胶凝材料拌和，拌合均匀后将增粘剂、减水剂和剩余的水均匀混合后倒入，搅拌约150s，充分拌合均匀，振捣密实后即得透水性混凝土。

(4)将制成的透水性混凝土倒入模具中在适宜温度20±1℃和湿度≥90％下养护成型即可得到透水性混凝土栅栏板，制备方法可分为现浇、预制及部分预制。

本发明具有如下特点：

1.透水性混凝土栅栏板内部连通孔体积率为15％～35％，为多孔性透水混凝土材料。其表面粗糙程度比普通混凝土栅栏板表面高，阻挡波浪、削弱波浪能量能力更强,从而能达到更好的消浪效果。当栅栏板封闭式空腔被爬高的波浪填充形成“水垫层”时,由于其透水性能良好，能通过透水性混凝土的孔隙排出“水垫层”内大部分积水，降低波浪的爬高，减少波浪越浪量，取得更好的消能效果。

2.本发明采用纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥防护处理的FRP筋、钢筋或混合配筋为混凝土增强材料，透水性混凝土栅栏板较普通栅栏板的孔隙率大，河水海水对增强筋的腐蚀比较严重，纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥由于其胶结性能好、抗氯盐腐蚀性能好等特点，使得本发明在海洋环境中使用有良好的耐腐蚀性。

3.本发明所述的透水性混凝土边梁、混凝土护底板和透水性混凝土栅条可采用现浇、整体预制或部分预制；整体预制的透水性混凝土栅栏板可重复使用，不仅能减少工程造价，还有利于节能环保。

附图说明

附图为透水性混凝土栅栏板剖面结构示意图。

图中，a₀—沿斜坡方向布置透水性混凝土长边梁的长；b₀—沿堤轴线方向布置透水性混凝土短边梁的长；b₁—透水性混凝土长边梁的宽；a₁—透水性混凝土短边梁的上宽；a₂—透水性混凝土短边梁的下宽；a₃—栅条间隙的上宽；a₄—栅条间隙的下宽；t—栅栏板厚度；δ—混凝土护底板的厚度。

具体实施方式

以下实例更详细的描述了根据本发明的方法制备的透水性混凝土栅栏板及应用，在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，但这些实例绝不限制本发明的范围。

栅栏板厚度计算:

斜坡堤的坡度m＝1.5～2.5时，栅栏板的厚度按《海堤工程设计规范》SL435-2008J.0.5中公式计算:

t = 0.235 \frac{γ}{γ_{b} - γ} \frac{0.61 + 0.13 d / H}{m^{0.27}} H - - - (3)

其中：t——栅栏板的厚度(m)。

γ——水的重度(kN/m³)；

γ_b——护面条石的重度(kN/m³)；

m——斜坡坡率(按计算侧单坡考虑)；

H——计算波高(m)，当d/L≥0.125时，取H_5％，当d/L＜0.125时，取H_13％。d为堤前水深，L为堤前波波长。

配比实例1

水泥采用52.5级,粗骨料密度为1463kg/m³，骨胶比为3.5，水胶比为0.3，胶凝材料为掺量50％粉煤灰水泥基材料，减水剂掺量为1.0％，增粘剂掺量为0.1％。

配比实例2

水泥采用52.5级,粗骨料密度为1463kg/m³，骨胶比为3.5，水胶比为0.3，胶凝材料为掺量60％粉煤灰水泥基材料，减水剂掺量为1.0％，增粘剂掺量为0.1％。

配比实例3

水泥采用52.5级,粗骨料密度为1463kg/m³，骨胶比为3.0，水胶比为0.3，胶凝材料为复合胶凝材料，减水剂掺量为1.0％，增粘剂掺量为0.1％。

配比实例4

水泥采用52.5级,粗骨料密度为1463kg/m³，骨胶比为4.0，水胶比为0.3，胶凝材料为复合胶凝材料，减水剂掺量为1.0％，增粘剂掺量为0.1％。

配比实例5

水泥采用52.5级,粗骨料密度为1463kg/m³，骨胶比为4.5，水胶比为0.3，胶凝材料为复合胶凝材料，减水剂掺量为1.0％，增粘剂掺量为0.1％。

配比实例6

水泥采用52.5级,粗骨料密度为1463kg/m³，骨胶比为5.0，水胶比为0.3，胶凝材料为复合胶凝材料，减水剂掺量为1.0％，增粘剂掺量为0.1％。

搅拌工艺采用水泥包裹法:先将按一定配合比称量好的全部骨料及1％—3％的水预拌约30s，使骨料表面刚好被润湿为好。然后再加入水泥拌和，以形成包裹骨料表面的水泥浆壳；最后将减水剂剂和剩余的水均匀混合后倒入，搅拌约150s，待观察均匀混合后出料。

表1配比实例实验结果表

	孔隙率(％)	28天抗压强度(MP)	透水系数(mm/s)
				配比实例1	20.4	50.5	7.4
配比实例2	20.1	50.2	7.1
				配比实例3	15.3	52.2	5.5
配比实例4	24.6	45.6	10.8
				配比实例5	29.6	41.8	16.6
配比实例6	34.5	40.1	24.8

应用实例1

一海堤，堤前水深d为5.56米，波长L为48.9米，斜坡坡率2.5，计算波高H＝2.95米，按式(3)计算出栅栏板厚度t＝309毫米，选用300毫米。海堤护面栅栏板采用现浇结构，根据现实情况确定栅栏板平面尺寸，配筋根据《海堤工程设计规范》和实际情况确定。

表2应用实例1实施表

	波浪爬高(m)	越浪量(m³/m.s)
			配比实例1	4.53	0.0176
配比实例2	4.55	0.0178
			配比实例3	4.88	0.0187
配比实例4	4.35	0.0166
			配比实例5	4.21	0.0154
配比实例6	4.03	0.0145

应用实例2

一导堤，堤前水深d为5.64米，波长L为46.0米，斜坡坡率2，计算波高H＝2.54米，按式(3)计算出栅栏板厚度t＝297毫米，选用300毫米。

导堤护面结构主要考虑后期可重复利用，因此采用预制结构，预制栅栏板的平面尺度按《海堤工程设计规范》SL435-2008 J.0.5确定，栅栏板的平面尺度与设计波高的关系可按下列公式计算：

a₀＝1.25H b₀＝1.0H

式中a₀——栅栏板长边沿斜坡方向布置；

b₀——栅栏板短边沿堤轴线方向布置；

H——设计波高(m)，导堤处的波高为2.54m。

\begin{matrix} a_{1} = \frac{a_{0}}{15} - \frac{t}{16} & a_{2} = \frac{a_{0}}{15} + \frac{t}{16} & a_{3} = \frac{a_{0}}{15} - \frac{t}{8} & a_{4} = \frac{a_{0}}{15} + \frac{t}{8} & b_{1} = 0.1 b_{0} \end{matrix}

表3预制栅栏板尺寸计算值(具体参数见附图)

参数	a₀	b₀	a₁	a₂	a₃	a₄	b₁	δ
									计算成果(m)	3.18	2.54	0.19	0.23	0.17	0.25	0.25	0.1

表4应用实例2实施表

Claims

1.一种透水性混凝土栅栏板，其特征在于，由透水性混凝土边梁、混凝土护底板和透水性混凝土栅条组成，其中透水性混凝土组分以质量份计为：

所述的胶凝材料为大掺量粉煤灰水泥基材料或复合胶凝材料；

所述的粗骨料为碎石、卵石、再生粗集料、陶粒中的一种或两种共同使用，粗骨料级配为5～10mm；

所述的增粘剂为纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇中的一种或两种共同使用，掺量为胶凝材料质量的0.05％～0.20％；

所述的减水剂为萘磺酸盐缩合物减水剂、硼砂、磺化丙酮缩合物减水剂的一种或两种共同使用。

2.如权利要求1所述的透水性混凝土栅栏板，其特征在于：所述的大掺量粉煤灰水泥基材料，粉煤灰占胶凝材料质量的50％～60％。

3.如权利要求1所述的透水性混凝土栅栏板，其特征在于：所述的复合胶凝材料，由磷酸钾镁水泥、碱-矿渣水泥、氯氧镁水泥、硬脂酸钙以10～20:10～20:60～70：1～2的质量比组成。

4.如权利要求1所述的透水性混凝土栅栏板，其特征在于：所述的混凝土护底板采用纳米膨润土改性磷酸钾镁水泥防护处理的FRP筋、钢筋或混合配筋为混凝土增强材料。