宋 徽

(廣西桂浦高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展,公路建設(shè)總里程已位居世界首位,但也存在諸多工程病害。剛性路床的隧道路面早期破壞嚴(yán)重,影響使用品質(zhì),分析原因如下:(1)通常在無(wú)仰拱的剛性路床段鋪設(shè)C20素混凝土調(diào)平層,調(diào)平層直接鋪設(shè)在不均勻隧道圍巖底板上,在車輛荷載的作用下易產(chǎn)生脫空破壞;(2)隧道環(huán)境通常較為潮濕,裂隙水經(jīng)過(guò)滲流進(jìn)入基層,在車輛荷載的作用下形成動(dòng)水壓力,進(jìn)一步危害基層,加劇隧道路面的破壞。為降低這些病害帶來(lái)的影響,提出在隧道剛性路床和C20素混凝土調(diào)平層之間加鋪功能層塑性混凝土作為防滲應(yīng)力吸收層。而新型工程材料塑性混凝土具有一定的強(qiáng)度,且模量低、變形協(xié)調(diào)性好、韌性好及抗?jié)B性能優(yōu)等,潛在應(yīng)用價(jià)值高。目前關(guān)于塑性混凝土的研究現(xiàn)狀如下:

吳福飛等[1]研究了紅黏土對(duì)混凝土流動(dòng)性能的影響,得出紅黏土能在一定程度上延緩塑性混凝土的凝結(jié)時(shí)間,提升混凝土的流動(dòng)性。高丹盈等[2]在塑性混凝土中摻入纖維、粉煤灰、硅灰,探究對(duì)其性能的影響,研究得出纖維、粉煤灰、硅灰均能提高塑性混凝土強(qiáng)度和韌性,并建立了塑性混凝土彎拉荷載-撓度曲線和韌性的計(jì)算模型。而關(guān)于塑性混凝土彈性模量的研究,一些學(xué)者認(rèn)為塑性混凝土無(wú)須預(yù)壓下的單軸峰值強(qiáng)度的0.3倍、0.7倍對(duì)應(yīng)點(diǎn)彈性模量計(jì)算方法較為接近[3-5]。宋帥奇和王四巍等[6-7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),膨潤(rùn)土和黏土的摻入能夠有效提升塑性混凝土的韌性,但會(huì)降低塑性混凝土的強(qiáng)度,而水泥摻量的提高能有效提升塑性混凝土的強(qiáng)度。Mahboubi[8]研究結(jié)果表明,摻入膨潤(rùn)土和降低水膠比能有效提升塑性混凝土的抗?jié)B性能。Bagheri[9]研究得出硅灰能改善塑性混凝土抗?jié)B性能,也能提升其強(qiáng)度和彈性模量。

綜上所述,當(dāng)前對(duì)塑性混凝土防滲應(yīng)力吸收層的性能缺少系統(tǒng)的研究,從而阻礙了塑性混凝防滲應(yīng)力吸收層在不同環(huán)境狀態(tài)和工況下的推廣應(yīng)用。為此,本文針對(duì)不同摻量膨潤(rùn)土的塑性混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性能的影響規(guī)律開(kāi)展了一系列研究,為今后加鋪功能層塑性混凝土作為防滲應(yīng)力吸收層的應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本試驗(yàn)的主要原材料包括:海螺牌普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)、河南信陽(yáng)易通礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土、粒徑<0.5 mm的普通黃黏土、水、天然河砂、5～20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石、聚羧酸高效減水劑(減水率25 %)。

1.2 配合比

塑性混凝土設(shè)計(jì)容重為2 100 kg/m3,水膠比為1.2,減水劑摻量為膠凝材料總量的0.1%,膨潤(rùn)土摻量分別為0 kg/m3、20 kg/m3、40 kg/m3、60 kg/m3,黏土摻量為60 kg/m3。塑性混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 塑性混凝土配合比表

1.3 試驗(yàn)方法

塑性混凝土的制備及工作性能試驗(yàn):將稱量好的水泥、膨潤(rùn)土和黏土、粗骨料及細(xì)骨料倒入攪拌機(jī)中干拌1 min,然后加入水和減水劑繼續(xù)攪拌3 min。按試驗(yàn)規(guī)程對(duì)拌和物進(jìn)行坍落度和擴(kuò)散度試驗(yàn),將滿足要求的拌和物裝入試模中,靜置36 h后進(jìn)行脫模,然后將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

塑性混凝土力學(xué)性能試驗(yàn):塑性混凝土抗壓強(qiáng)度試樣和彈性模量試樣均采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸,將達(dá)到齡期的試樣參照《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5303-2013)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn)。

塑性混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn):采用相對(duì)滲透系數(shù)評(píng)價(jià)塑性混凝土的抗?jié)B性能指標(biāo),參照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 不同膨潤(rùn)土摻量下的塑性混凝土工作性能

塑性混凝土工作性能隨膨潤(rùn)土摻量增大的變化規(guī)律如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可知,塑性混凝土的坍落度和擴(kuò)散度隨膨潤(rùn)土摻量的增大呈逐漸增大趨勢(shì)。膨潤(rùn)土摻量由0增至60 kg/m3時(shí),拌和物坍落度分別增加17.5%、14.8%和20.2%,擴(kuò)散度分別增加2.2%、3.8%和4.4%。說(shuō)明在保持水膠比不變的情況下,膨潤(rùn)土的摻入能在一定程度上提升塑性混凝土拌和物的工作性能。究其原因,摻入的膨潤(rùn)土主要成分是蒙脫石,而蒙脫石具有極強(qiáng)的吸水性,宏觀上表現(xiàn)為拌和物的粘聚性隨膨潤(rùn)土摻量的增大而變強(qiáng),流動(dòng)性變差。但膨潤(rùn)土摻入的同時(shí),增大了塑性混凝土各組分材料中膠凝材料的占比,膠凝材料包裹在骨料的外表,降低了骨料間的摩阻力,而降低摩阻力的效應(yīng)大于膨潤(rùn)土對(duì)拌和物粘聚性的貢獻(xiàn),因此隨著膨潤(rùn)土摻量的增大,塑性混凝土的坍落度和擴(kuò)散度有一定程度的增大。

圖1 坍落度隨膨潤(rùn)土摻量變化的規(guī)律柱狀圖

圖2 擴(kuò)散度隨膨潤(rùn)土摻量變化的規(guī)律柱狀圖

2.2 不同摻量膨潤(rùn)土對(duì)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

塑性混凝土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土摻量增大的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知,塑性混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土摻量的增大呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系下降,擬合度可達(dá)0.995。塑性混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2.3～3.1 MPa,且當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為20 kg/m3時(shí),對(duì)應(yīng)強(qiáng)度最大降幅為16.1%,當(dāng)膨潤(rùn)土摻量由40 kg/m3增至60 kg/m3時(shí),強(qiáng)度下降幅度逐漸趨于平緩。圖3結(jié)果說(shuō)明,膨潤(rùn)土的摻入對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度下降產(chǎn)生重要影響,控制膨潤(rùn)土的最佳摻入量具有重要的研究意義。究其原因,(1)膨潤(rùn)土具有極強(qiáng)的吸水性和強(qiáng)分散性,膨潤(rùn)土摻入后包裹在水泥顆粒的外表面,阻礙水泥的早期水化,同時(shí)大量吸收生成C-S-H所需要的OH-、CaO和Ca2+,導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降;(2)膨潤(rùn)土中的蒙脫石具有極強(qiáng)的吸水性,在拌和的過(guò)程中,膨潤(rùn)土顆粒吸入大量的水,當(dāng)塑性混凝土硬化時(shí),這些水分慢慢蒸發(fā)產(chǎn)生大量的毛細(xì)孔,增大了平均孔隙率,從而導(dǎo)致宏觀強(qiáng)度的下降。

圖3 塑性混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土摻量變化的規(guī)律曲線圖

2.3 不同摻量膨潤(rùn)土對(duì)塑性混凝土彈性模量的影響

塑性混凝土彈性模量隨膨潤(rùn)土摻量增大的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知,塑性混凝土彈性模量隨膨潤(rùn)土摻量的增大整體呈下降趨勢(shì)。膨潤(rùn)土摻量由0 kg/m3依次增至60 kg/m3時(shí),塑性混凝土彈性模量下降幅度分別為7.2%、35.1%和66.1%,且膨潤(rùn)土摻量在40～60 kg/m3時(shí)降幅最為明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明,膨潤(rùn)土摻量對(duì)塑性混凝土彈性模量的降低具有重要影響,膨潤(rùn)土摻量越大,塑性混凝土彈性模量越低。究其原因,膨潤(rùn)土的摻入增大了塑性混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微孔隙率,在豎向荷載的作用下,結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微孔隙具有更大的壓縮空間,能夠吸收更大的應(yīng)變能。從而宏觀上表現(xiàn)為模量更低,柔韌性更強(qiáng)。

圖4 塑性混凝土彈性模量隨膨潤(rùn)土摻量變化的規(guī)律曲線圖

2.4 塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

塑性混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知,塑性混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為飽滿,在加載過(guò)程中具有極強(qiáng)的變形能力。該曲線可分為原生隙閉合階段(OA)、彈性階段(AB)、裂縫擴(kuò)展階段(BC)、體積快速擴(kuò)容階段(CD)4個(gè)階段。在原生隙閉合階段(OA),隨著豎向荷載的緩慢增加,塑性混凝土內(nèi)部原生微裂隙慢慢閉合,試件逐漸被壓密,因此曲線的斜率越來(lái)越大;在彈性階段(AB)隨著荷載持續(xù)勻速的增加,此時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€彈性關(guān)系,斜率為彈性模量;在裂縫擴(kuò)展階段(BC),隨著荷載的持續(xù)增加,此時(shí)塑性混凝土內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫,并且微裂縫持續(xù)擴(kuò)展與相互貫通,塑性混凝土表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的塑性變形;直至到達(dá)峰值應(yīng)力點(diǎn)C,內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展到塑性混凝土外表面,此時(shí)進(jìn)入體積快速擴(kuò)容階段(CD),此時(shí)塑性混凝土逐漸出現(xiàn)多條貫穿的主裂縫,在塑性混凝土的腰部緩慢向外鼓起,出現(xiàn)體積擴(kuò)容現(xiàn)象。從(CD)階段可以看出,塑性混凝土在破壞后仍具有良好的持荷能力、變形能力及抗裂性。

圖5 塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

2.5 塑性混凝土抗?jié)B性能

塑性混凝土抗?jié)B性能隨膨潤(rùn)土摻量的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知,塑性混凝土滲透系數(shù)隨膨潤(rùn)土摻量的增大整體呈下降趨勢(shì)。膨潤(rùn)土摻量由0 kg/m3依次增至60 kg/m3時(shí),塑性混凝土滲透系數(shù)下降幅度分別為9.2%、38.4%和65.1%,且膨潤(rùn)土摻量在20～60 kg/m3時(shí)的降幅最為明顯。結(jié)果表明,膨潤(rùn)土的摻入能有效提升塑性混凝土的抗?jié)B性能。究其原因,膨潤(rùn)土遇水后快速膨脹,產(chǎn)生的膨脹力能在一定程度上使塑性混凝土內(nèi)部原生裂隙和開(kāi)口微孔洞快速閉合,從而使得內(nèi)部更加致密,阻水性能更高。同時(shí)膨潤(rùn)土顆粒分散并包裹在水化產(chǎn)物周圍,具有一定的填充作用,延長(zhǎng)了水的滲透路徑,從而表現(xiàn)出良好的抗?jié)B性能。

圖6 塑性混凝土抗?jié)B性能隨膨潤(rùn)土摻量變化的規(guī)律柱狀圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)膨潤(rùn)土的摻入提高了膠凝材料的占比,塑性混凝土的工作性能隨膨潤(rùn)土摻量的增大有略微增大的趨勢(shì),坍落度和擴(kuò)散度分別在183～221 mm、318～332 mm,具有較好的流動(dòng)性能。

(2)膨潤(rùn)土摻量由0 kg/m3增至60 kg/m3時(shí),塑性混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為2.3～3.1 MPa,彈性模量為987～1 780 MPa。膨潤(rùn)土的摻入對(duì)強(qiáng)度的提升不利,但能增加塑性混凝土的韌性,彈性模量最大降幅接近60%。

(3)塑性混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為原生隙閉合階段(OA)、彈性階段(AB)、裂縫擴(kuò)展階段(BC)、體積快速擴(kuò)容階段(CD)4個(gè)階段;峰值應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變可達(dá)20με;塑性混凝土在破壞后,內(nèi)部損傷加劇的情況下,仍具有良好的持荷能力、良好的變形能力及抗裂性。

(4)當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為0～60 kg/m3時(shí),塑性混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)為3.08×10-8～8.82×10-8cm;膨潤(rùn)土的摻入能明顯提升塑性混凝土的抗?jié)B性能,當(dāng)膨潤(rùn)土摻量為60 kg/m3時(shí),最大降幅可達(dá)65.1%。