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        用于寒區(qū)隧道深埋水溝的透水混凝土性能影響因素研究

        2021-06-04 07:50:48易志偉
        四川建筑 2021年2期
        關(guān)鍵詞:混凝土影響

        易志偉

        (中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司, 天津 300308)

        寒區(qū)隧道工程為實(shí)現(xiàn)排水順暢,一般將排水水溝埋設(shè)在土壤最大凍結(jié)深度之下。同時,為了保證隧底地基的承載力和滿足深埋水溝的排水需要,通常采用洗凈碎石對水溝的周邊進(jìn)行回填。但在實(shí)際施工過程,碎石的潔凈度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計的要求,多余的泥漿會堵塞水溝泄水孔,導(dǎo)致水溝匯水不暢,進(jìn)而影響其排水效果,嚴(yán)重時可能在該位置處發(fā)生凍害,使得隧道發(fā)生滲漏水現(xiàn)象,引發(fā)隧道運(yùn)營的安全問題。而透水混凝土作為可預(yù)制的回填材料,可以在很大程度上滿足隧底水溝透水性的功能要求,是作為新型深埋水溝周邊回填材料很好的選擇。

        圖1 隧底深埋水溝周邊回填示意

        在對透水混凝土強(qiáng)度和透水性的眾多影響因素中,配合比對其性能影響最大。因此,本文基于正交試驗(yàn)法,通過室內(nèi)試驗(yàn),研究水灰比、砂率、骨料粒徑對透水混凝土性能的影響。通過極差和方差分析法,研究各影響因素對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)影響的大小,為透水混凝土的設(shè)計和施工提供依據(jù)。

        1 原材料及正交試驗(yàn)設(shè)計

        1.1 試驗(yàn)原材料

        水泥:四川綿特普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5級),28 d抗壓強(qiáng)度52 MPa;集料:石灰?guī)r碎石,級配為A(3~5 mm)、B(5~10 mm)、10~15 mm三種;減水劑:聚羧酸高效減水劑,水,實(shí)驗(yàn)室自來水。

        1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計

        透水混凝土的強(qiáng)度和透水性受到水灰比、砂率、骨料粒徑、攪拌方法、摻和料等多種因素的影響,本文基于正交試驗(yàn)方法,旨在考察水灰比、砂率、骨料粒徑三因素對透水混凝土力學(xué)性質(zhì)和透水性的影響。

        根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),每個影響因素選取3個水平,按照正交法采用三因素三水平試驗(yàn)分析,即L9(34)正交表方案,采用極差和方差分析方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,判斷各影響因素對透水混凝土力學(xué)性質(zhì)和透水性的影響程度及顯著性分析。

        三因素三水平設(shè)計:水灰比的三水平分別為0.25、0.30、0.35,砂率的三水平分別為0 %、3 %、6 %,骨料粒徑的三水平分別為3~5 mm、5~10 mm、10~15 mm(表1)。

        表1 三因素三水平

        2 透水混凝土試樣制備與破壞機(jī)理研究

        2.1 試件制備

        制作的透水混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,用于混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和透水性能試驗(yàn)的試件尺寸相同。

        攪拌時,先將骨料拌合均勻,加少量水?dāng)嚢? min,使骨料表面濕潤,再加入定量的水?dāng)嚢杈鶆?。該拌和方法能夠使混凝土骨料表面易形成厚度均勻的水泥漿液,沒有水泥漿下滴現(xiàn)象,從而保證必要的強(qiáng)度和透水性。拌和過程如圖2所示。

        圖2 透水混凝土的拌和

        拌和完成后,采用人工插搗的方式,將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模中,分層插搗,每層填充總高度的三分之一。為了保證混凝土的強(qiáng)度,搗固第一層時,應(yīng)插搗至底部;為了避免上層搗固對下層的透水性的影響,同時保證足夠的強(qiáng)度,插搗第二層和第三層時,應(yīng)貫穿并插入下層10~15 mm;搗固時,每一層四角處插搗6次,側(cè)面插搗10次,平面內(nèi)部插搗8次,插搗完畢后用抹刀將成型面抹平。搗固過程如圖3所示。

        圖3 透水混凝土搗固

        將拌和好的混凝土裝模,置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)2 d后脫模,養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行透水性和強(qiáng)度測試。

        采用固定水量法對透水混凝土的透水系數(shù)進(jìn)行測定。測量時,將水快速注滿有機(jī)玻璃筒,待筒中液面高度降為250 mm時開始計時(t1),直至液面下降到試件上面50 mm刻度處計時(t2),經(jīng)過時間為t2-t1,可以折算出透水系數(shù),即V(mm/s)=200/(t2-t1)。每個試件測3次,取平均值作為最終的透水系數(shù)(圖4)。

        圖4 混凝土透水系數(shù)的測定

        將養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土試件進(jìn)行混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),將測得的強(qiáng)度取平均值作為混凝土的最終強(qiáng)度。

        2.2 透水混凝土性能及破壞機(jī)理研究

        2.2.1 透水混凝土透水性及強(qiáng)度特性分析

        透水混凝土主要性能之一的透水性,主要取決于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙。在透水混凝土中,存在3種孔隙,第一種是封閉的孔隙;第二種是開口但不連續(xù)的孔隙;第三種是貫穿混凝土且連續(xù)的有效孔隙。有效孔隙對透水混凝土透水性起決定性作用,但同時也降低了透水混凝土的強(qiáng)度。

        由于透水混凝土含有較少的細(xì)骨料,屬于由粗骨料與水泥漿液膠結(jié)成的多孔堆聚結(jié)構(gòu)。一般情況下,骨料的強(qiáng)度較高,透水混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥膠體、水泥漿與骨料之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度。因此,對透水混凝土強(qiáng)度的提高,主要是在保證透水性的前提下,增加凝膠體之間的接觸。

        2.2.2 透水混凝土破壞過程分析

        通過對透水混凝土進(jìn)行強(qiáng)度破壞研究,大致發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:當(dāng)施加應(yīng)力較小時,透水混凝土在擬破壞界面處產(chǎn)生一些微裂縫,但是裂縫基本上保持初始狀態(tài),沒有擴(kuò)展趨勢;之后,隨著應(yīng)力不斷增加,裂縫長度變長,深度加大,裂縫又不斷向周圍延伸,產(chǎn)生新的裂縫,骨料之間發(fā)生輕微的錯動;當(dāng)應(yīng)力超過一定界限,裂縫進(jìn)一步發(fā)展,混凝土粘結(jié)面完全斷開,混凝土最終破壞。

        2.2.3 透水混凝土與普通混凝土破壞情況比較分析

        通過對比普通混凝土和透水混凝土的破壞形式可以發(fā)現(xiàn),普通混凝土試件破壞后呈片塊狀結(jié)構(gòu),破壞面呈不規(guī)則形;而透水性混凝土破壞呈松散顆粒狀。普通混凝土試件和透水性混凝土破壞形態(tài)的對比如圖5所示。

        圖5 普通混凝土試件與透水性混凝土破壞形態(tài)對比

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        通過采用L9(34)正交試驗(yàn),以混凝土28 d的單軸抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)為指標(biāo),分別研究水灰比、砂率、骨料粒徑三因素在三水平作用下對透水混凝土性能的影響。并且通過極差和方差分析,來確定以上各影響因素對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)影響的大小。

        3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

        通過對不同水灰比、不同砂率、不同骨料粒徑三因素相互作用下的試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)和透水性試驗(yàn),分別得到了以上三因素在三水平作用下的透水混凝土強(qiáng)度與透水系數(shù),具體結(jié)果如表2所示。

        3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.2.1 正交試驗(yàn)極差分析

        通過極差分析可以確定抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的極差大小,進(jìn)而得到水灰比、砂率、骨料粒徑三種因素對透水混凝土性能影響的主次順序。

        通過分析可知,無論從抗壓強(qiáng)度還是從透水系數(shù)考慮,砂率極差值R最大,骨料粒徑次之,水灰比最小,說明抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)受砂率影響最大,受骨料粒徑的影響次之,受水灰比的影響最弱。具體分析結(jié)果如表3所示。

        表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

        表3 正交試驗(yàn)極差

        由表3可知,砂率對抗壓強(qiáng)度的影響排第一位,同時對透水系數(shù)的影響也排第一位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般認(rèn)為透水系數(shù)為1.5 mm/s時滿足要求。當(dāng)砂率取水平3時,即6 %,抗壓強(qiáng)度達(dá)最大,但是此時的透水系數(shù)不能滿足大于目標(biāo)值值。當(dāng)砂率取水平2時,即3 %,抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均滿足要求。對于骨料粒徑,其對抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響排在第二位,此時取水平3,即10~15 mm,抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均滿足要求。對于水灰比,其對抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響排在第三位,此時取水平2,即0.30,抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均滿足要求。

        因此,得到最優(yōu)組合為:砂率3 %,骨料粒徑10~15 mm,水灰比0.30。

        3.2.2 正交試驗(yàn)方差分析

        通過方差分析可得,對透水混凝土抗壓強(qiáng)度而言,砂率和骨料粒徑的F值均大于Fa臨界值19,即砂率和骨料粒徑都達(dá)到顯著水平,但這兩影響因素的F值均小于Fa臨界值99,即砂率和骨料粒徑均未達(dá)到高度顯著水平,且砂率大于骨料粒徑的F值,即砂率對抗壓強(qiáng)度的影響較骨料粒徑顯著,水灰比雖未達(dá)到顯著水平,但它的均方差比誤差的均方差要大得多,說明透水混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果合理。具體結(jié)果如表4所示。

        通過方差分析可得,對透水混凝土透水系數(shù)而言,砂率的F值大于Fa臨界值19,即砂率達(dá)到顯著水平,但砂率的F 值小于Fa臨界值99,即砂率對透水混凝土的透水系數(shù)的影響未達(dá)到高度顯著水平。骨料粒徑和水灰比的F 值均小于Fa臨界值9,即骨料粒徑和水灰比對透水混凝土透水系數(shù)均未達(dá)到顯著水平,兩者的均方差比誤差的均方差要大,且骨料粒徑對透水系數(shù)的影響較水灰比強(qiáng)。三影響因素對透水混凝土透水系數(shù)的影響排序?yàn)椋荷奥?骨料粒徑>水灰比,與極差分析法分析的結(jié)果一致。具體結(jié)果如表5所示。

        4 試驗(yàn)結(jié)論

        (1)通過試驗(yàn)分析,水灰比、砂率、骨料粒徑三影響因素對透水混凝土28 d的單軸抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)椋荷奥?骨料粒徑>水灰比,且砂率和骨料粒徑對強(qiáng)度的影響均達(dá)到顯著水平,水灰比未達(dá)到顯著水平,但它的均方差比誤差的均方差要大得多。

        (2)水灰比、砂率、骨料粒徑三影響因素對透水混凝土的透水系數(shù)的影響主次順序?yàn)椋荷奥?骨料粒徑>水灰比,砂率達(dá)到顯著水平,骨料粒徑和水灰比未達(dá)到顯著水平。

        (3)通過對正交試驗(yàn)進(jìn)行分析,得到透水混凝土最優(yōu)組合:砂率3 %,骨料粒徑10~15 mm,水灰比0.30,為透水混凝土在隧底深埋水溝的應(yīng)用提供設(shè)計和施工的依據(jù)。

        表4 抗壓強(qiáng)度方差分析

        表5 透水系數(shù)方差分析

        (4)在工程實(shí)踐中,影響透水混凝土性能的影響因素還包括:攪拌方式、骨料種類、硅灰和粉煤灰摻量等多種因素,本文的研究方法為透水混凝土的進(jìn)一步研究提供參考。

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