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        非飽和粉土土模壓實(shí)度對(duì)現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度影響研究

        2019-03-26 08:11:22韓成國(guó)
        鐵道建筑技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:非飽和漿體立方體

        韓成國(guó)

        (中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司 山西太原 030032)

        1 研究背景

        呂梁地下綜合管廊工程地處呂梁市大武鎮(zhèn),擬建線(xiàn)路全長(zhǎng)13.8 km,管廊主體設(shè)計(jì)高度約4.5 m,寬度約12 m。本工程屬于深基坑開(kāi)挖,支護(hù)形式為混凝土灌注樁排樁支護(hù),樁體頂端設(shè)計(jì)冠梁連成整體。本工程一期全線(xiàn)施工緊鄰209國(guó)道,施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于冠梁施工受?chē)?guó)道護(hù)欄影響,國(guó)道側(cè)模板施工難度大。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,本工程擬用土模進(jìn)行施工,并就土模施工的可行性進(jìn)行研究。

        2 水在土體中滲透的影響因素

        土是自然界的產(chǎn)物,是由巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的物理、化學(xué)風(fēng)化作用以及剝蝕、搬運(yùn)、沉積作用等交錯(cuò)復(fù)雜的自然環(huán)境中所生成的各類(lèi)沉積物。土的類(lèi)別分為飽和土和非飽和土,由固相、液相兩相組成的土為飽和土,由固相、液相、氣相3項(xiàng)組成的土為非飽和土,本工程研究的土為非飽和土[1]。

        有研究認(rèn)為非飽和土中水的運(yùn)動(dòng)能量分為動(dòng)能和勢(shì)能[2],通過(guò)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)水在土體孔隙間的流動(dòng)緩慢,所以由動(dòng)能催動(dòng)水遷移的動(dòng)力幾乎不起作用,因此土中水遷移的動(dòng)力主要體現(xiàn)為勢(shì)能,稱(chēng)之為土水勢(shì)。

        土水勢(shì)分為重力勢(shì)、壓力勢(shì)、基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì),其中重力勢(shì)是高位水相較于低位的所具有的勢(shì)能;壓力勢(shì)是水分在大氣壓與土體中閉口孔隙壓力差作用下所具有的勢(shì)能;基質(zhì)勢(shì)是由水分抵抗土體的毛細(xì)管力和吸附力產(chǎn)生的勢(shì)能;溶質(zhì)勢(shì)又稱(chēng)為滲透勢(shì),是由于土體中水分所含有的離子態(tài)或非離子態(tài)的溶質(zhì)對(duì)于水分的吸持作用所產(chǎn)生的勢(shì)能。

        由于土的碎散性和多向性,衍生出土力學(xué)的一個(gè)概念“土骨架”,土骨架中含有連接的孔隙,孔隙中的流體在勢(shì)能差的作用下會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此,土體中具有被水等液體滲透通過(guò)的性質(zhì)稱(chēng)為土的滲透性。

        非飽和土的滲透系數(shù)是反映水分在土體中運(yùn)動(dòng)快慢的指標(biāo),影響滲透系數(shù)的因素有土的粒徑大小與級(jí)配、孔隙比、礦物成分、結(jié)構(gòu)、飽和度。其中土的粒徑與級(jí)配、孔隙比對(duì)土體滲透系數(shù)影響起決定性作用。當(dāng)外界存在自由水時(shí),水會(huì)向土體進(jìn)行滲透,非飽和土向飽和土方向發(fā)展[3],也有應(yīng)用表明土越密實(shí),孔隙比越小,滲透系數(shù)越低[4]。

        3 混凝土水泥水化、硬化過(guò)程及原理

        有研究指出混凝土中水泥水化過(guò)程分為五個(gè)階段,即誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期、穩(wěn)定期[5]。

        (1)誘導(dǎo)前期是指水泥在加水后引起的劇烈反應(yīng),該階段一般在15 min左右。

        (2)誘導(dǎo)期是指水化速率極其緩慢的階段,是混凝土保持塑性的重要原因,該階段一般在2~4 h。

        (3)加速期是指水化速率重新加快,并隨著時(shí)間的增加而增加的階段,是漿體結(jié)構(gòu)成型的重要階段,該階段在4~8 h。

        (4)減速期是指水化速率開(kāi)始下降,并隨著時(shí)間的推移而持續(xù)降低的階段,該階段在12~24 h。

        (5)穩(wěn)定期是指水化速率重新變得很低,反應(yīng)過(guò)程基本趨于穩(wěn)定,該階段一般在24 h之后。

        T.C.Powers模型[6]認(rèn)為水在混凝土體系中分為兩類(lèi),即蒸發(fā)水和非蒸發(fā)水,蒸發(fā)水不參與水化反應(yīng),非蒸發(fā)水參與水化反應(yīng)。在理想狀態(tài)下,當(dāng)所加水量全部為非蒸發(fā)水時(shí),混凝土水膠比為0.227,但實(shí)際施工中的混凝土水膠比遠(yuǎn)大于該值。因此在混凝土水化前期沒(méi)有形成漿體結(jié)構(gòu)的階段,其內(nèi)部還有大量未參與水化且不受漿體結(jié)構(gòu)限制的自由水。

        4 研究?jī)?nèi)容與方法

        4.1 研究?jī)?nèi)容

        由于混凝土強(qiáng)度影響因素眾多,除了混凝土自身及原材、環(huán)境等因素外,土體的各項(xiàng)性質(zhì)及狀態(tài)對(duì)現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度有重要影響,本文著重研究土的密實(shí)程度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

        4.2 試驗(yàn)方案

        在現(xiàn)場(chǎng)劃出十個(gè)試驗(yàn)區(qū)段,各個(gè)區(qū)段通過(guò)機(jī)械碾壓,使每個(gè)區(qū)段土體形成不同的壓實(shí)度,在每個(gè)區(qū)段內(nèi)制作出若干試坑,模擬施工澆筑混凝土的狀態(tài),并預(yù)制對(duì)比試件。經(jīng)28 d后,對(duì)不同條件下混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),并將現(xiàn)場(chǎng)澆筑取樣試件、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制同條件標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件進(jìn)行28 d強(qiáng)度對(duì)比。

        4.3 試驗(yàn)步驟

        4.3.1 土樣制取及室內(nèi)試驗(yàn)

        為保證對(duì)施工的指導(dǎo)性,本試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在離石大武鎮(zhèn)工地,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)取土樣[7],現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)去除表面浮土和雜質(zhì)方可進(jìn)行取土。將土樣在室內(nèi)進(jìn)行天然含水率、顆粒分析、液塑限、重型擊實(shí)等試驗(yàn)。

        由表1可知小于0.075 mm組分的含量為58.7%,塑性指數(shù)為8.7,文獻(xiàn)[8]中關(guān)于土類(lèi)劃分該土質(zhì)應(yīng)為粉土。

        表1 土樣各項(xiàng)指標(biāo)

        4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度控制

        本試驗(yàn)段全長(zhǎng)約100 m,寬約2 m,在全段長(zhǎng)度內(nèi)采用環(huán)刀法取得10個(gè)土樣測(cè)得原狀土的干密度。根據(jù)要求,原狀土樣同一組試樣間密度的允許差值為0.03 g/cm3,本試驗(yàn)測(cè)得原狀土密度為1.40~1.42 g/cm3之間,極差為0.02 g/cm3,符合要求的允許差值,故以壓實(shí)度的平均值為代表值即78.4%。將全試驗(yàn)段分為10個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度約10 m,利用壓實(shí)機(jī)械將每個(gè)區(qū)域壓實(shí)度都提高到一定數(shù)值,即從原狀土初始?jí)簩?shí)度開(kāi)始,每個(gè)區(qū)域壓實(shí)度以1%~3%遞增。壓實(shí)機(jī)械采用JM812HB垂直振動(dòng)壓路機(jī),作業(yè)前清除地表浮土、垃圾等,在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行靜壓或者振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中,及時(shí)測(cè)取每段干密度,以保證將壓實(shí)度控制在預(yù)期要求范圍內(nèi)。為保證每段壓實(shí)度的均勻性和代表性,應(yīng)在距原地面10~20 cm深度進(jìn)行環(huán)刀法試驗(yàn),每段測(cè)定壓實(shí)度的樣本均不少于6個(gè),測(cè)點(diǎn)距每區(qū)段長(zhǎng)度方向邊緣至少2 m,同一測(cè)區(qū)干密度極差不大于為0.03 g/cm3,以平均值作為區(qū)域代表值(見(jiàn)表2)。

        表2 各區(qū)域壓實(shí)度代表值

        4.3.3 混凝土準(zhǔn)備及試件制作、養(yǎng)護(hù)

        本試驗(yàn)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,設(shè)計(jì)坍落度為180~220 mm,配合比依據(jù)文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì),具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

        表3 C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)配合比

        準(zhǔn)備22組邊長(zhǎng)為150mm×150 mm×150 mm經(jīng)校準(zhǔn)合格的試模,刷油后備用。在現(xiàn)場(chǎng)用平鏟將各段分別挖出6個(gè)邊長(zhǎng)約為20 cm和6個(gè)邊長(zhǎng)為15~16 cm的立方體試坑,試坑邊緣間距不少于1 m且距各區(qū)段邊緣不少于2 m。在拌和站按照表3配比拌制混凝土,拌制過(guò)程應(yīng)按照文獻(xiàn)[10]執(zhí)行,通過(guò)混凝土罐車(chē)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng),將混凝土卸到小推車(chē)上人工制作試件,試件制作整個(gè)過(guò)程應(yīng)按照文獻(xiàn)[11]執(zhí)行。

        將制作好的2組試?;炷练旁?0℃±5℃的室內(nèi)靜置,剩余20組試件放在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)靜置。24 h后將室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)的試件脫模、編號(hào)。將室內(nèi)脫模的試件放到溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),將現(xiàn)場(chǎng)脫模的試件分別放入每段已挖好的邊長(zhǎng)約15~16 cm的立方體試坑中,并用擾動(dòng)土填補(bǔ)到試件與試坑的縫隙中,保證試件與土體完全接觸。

        4.3.4 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

        從加水拌和開(kāi)始28 d后,在20 cm的立方體試件上制取φ100×100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件??紤]圓柱體試件的代表性,成型后的圓柱體試件應(yīng)取自立方體試件的中心部位,試件尺寸偏差要求應(yīng)符文獻(xiàn)[12]規(guī)定,并對(duì)試件進(jìn)行編號(hào),將標(biāo)養(yǎng)試件、同條件試件和圓柱體試件分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(見(jiàn)表4)。

        圖1 混凝土強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化曲線(xiàn)

        表4 圓柱體及立方體試件抗壓強(qiáng)度

        從圖1、表4中可以發(fā)現(xiàn):(1)芯樣試件的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增長(zhǎng),當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí),混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩;(2)同條件標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加緩慢增長(zhǎng),壓實(shí)度較高時(shí)幾乎不增長(zhǎng);(3)在低壓實(shí)度時(shí)同條件的試件強(qiáng)度明顯高于圓柱體試件,隨著壓實(shí)度不斷升高,同條件立方體試件與圓柱體試件強(qiáng)度差距逐漸變小;(4)當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí),標(biāo)養(yǎng)立方體試件強(qiáng)度與折算后同條件立方體試件強(qiáng)度相差無(wú)幾[13]。

        4.3.5 結(jié)果分析

        對(duì)于上述結(jié)果,通過(guò)結(jié)合土體及混凝土理論可以發(fā)現(xiàn):

        (1)芯樣試件的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增長(zhǎng)的原因是由于在同土質(zhì)條件下,低壓實(shí)度中土體氣相占比較大,孔隙率較高,滲透系數(shù)較大,導(dǎo)致水在土體中更加容易流動(dòng);另一方面由于混凝土水泥漿體在水化前期自身結(jié)構(gòu)沒(méi)有形成,自由水因?yàn)楸换炷磷陨斫Y(jié)構(gòu)限制較小,所以在土體的滲透作用下向土體中遷移,而且水泥水化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程,在水泥水化穩(wěn)定期以后混凝土中水泥水化程度會(huì)因水分減少而逐漸受到限制,甚至停滯,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展達(dá)不到預(yù)期,進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。隨著壓實(shí)度逐漸升高,土體密實(shí)度增加,土體氣相占比變小,孔隙比變小,滲透系數(shù)下降,導(dǎo)致水在土體中流動(dòng)變得困難,水的滲透、遷移特性越不明顯。這種狀況下使得混凝土內(nèi)部的水分流失逐漸變慢,混凝土中水泥水化的限制減小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以逐漸完善,使混凝土強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加逐漸增長(zhǎng)。

        (2)當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí),土體非常密實(shí),孔隙比很小,滲透性也變得很小,混凝土中的水遷移更加緩慢,幾乎不影響混凝土內(nèi)部水泥的水化進(jìn)程,使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展非常完善,故芯樣強(qiáng)度與同條件立方體試件相差無(wú)幾。

        (3)因混凝土硬化漿體結(jié)構(gòu)性能與水化早期漿體結(jié)構(gòu)形成密切相關(guān),試模混凝土內(nèi)自由水除少量蒸發(fā)外,沒(méi)有因土體的滲透性而遷移。因此,混凝土在水化前期漿體結(jié)構(gòu)形成幾乎不受影響,且在漿體結(jié)構(gòu)形成之后,內(nèi)部自由水的移動(dòng)會(huì)因漿體結(jié)構(gòu)的存在而受到限制,土體滲透性影響力下降,在低壓實(shí)度下,混凝土自由水遷移量減少,較大程度保證了混凝土后續(xù)的水化硬化,因此在土體中的混凝土立方體試件強(qiáng)度隨著壓實(shí)度降低而略有下降。也因?yàn)橥馏w中成型的混凝土在前期漿體結(jié)構(gòu)未形成前,由于土體滲透作用,使混凝土中自由水流失,導(dǎo)致在低壓實(shí)度條件下,試模中成型的混凝土強(qiáng)度要高于土體中混凝土的強(qiáng)度。

        (4)同條件立方體試件的強(qiáng)度受土體影響較小,只受外界溫度、濕度影響,因此當(dāng)壓實(shí)度到達(dá)89%以上時(shí),同條件立方體試件的強(qiáng)度經(jīng)過(guò)折算系數(shù)修正后與標(biāo)養(yǎng)試件的強(qiáng)度幾乎相同。

        (5)需要指出的是混凝土中摻了粉煤灰,粉煤灰的二次水化對(duì)混凝土后期強(qiáng)度幫助較大,但粉煤灰的二次水化程度也受水泥前期水化產(chǎn)生的Ca(OH)2數(shù)量的影響,由于混凝土前期水化受限,產(chǎn)生的Ca(OH)2數(shù)量不足,所以粉煤灰對(duì)圓柱體試件的強(qiáng)度發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生影響。

        5 結(jié)論

        通過(guò)上述試驗(yàn)和分析可以得出結(jié)論,不飽和粉土在低壓實(shí)度條件下,現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土強(qiáng)度受土體作用的影響,并隨壓實(shí)度增加而增長(zhǎng);當(dāng)不飽和粉土壓實(shí)度達(dá)到95%以上時(shí),現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土強(qiáng)度不受土體作用影響,并能達(dá)到混凝土強(qiáng)度的預(yù)期要求。

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