防滲應力吸收層塑性混凝土性能研究

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,隨著我國公路建設的迅猛發展,公路建設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重,影響使用品質,分析原因如下:(1)通常在無仰拱的剛性路床段鋪設C20素混凝土調平層,調平層直接鋪設在不均勻隧道圍巖底板上,在車輛荷載的作用下易產生脫空破壞;(2)隧道環境通常較為潮濕,裂隙水經過滲流進入基層,在車輛荷載的作用下形成動水壓力,進一步危害基層,加劇隧道路面的破壞。為降低這些病害帶來的影響,提出在隧道剛性路床和C20素混凝土調平層之間加鋪功能層塑性混凝土作為防滲應力吸收層。而新型工程材料塑性混凝土具有一定的強度,且模量低、變形協調性好、韌性好及抗滲性能優等,潛在應用價值高。目前關于塑性混凝土的研究現狀如下:

吳福飛等[1]研究了紅黏土對混凝土流動性能的影響,得出紅黏土能在一定程度上延緩塑性混凝土的凝結時間,提升混凝土的流動性。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算模型。而關于塑性混凝土彈性模量的研究,一些學者認為塑性混凝土無須預壓下的單軸峰值強度的0.3倍、0.7倍對應點彈性模量計算方法較為接近[3-5]。宋帥奇和王四巍等[6-7]通過研究發現,膨潤土和黏土的摻入能夠有效提升塑性混凝土的韌性,但會降低塑性混凝土的強度,而水泥摻量的提高能有效提升塑性混凝土的強度。Mahboubi[8]研究結果表明,摻入膨潤土和降低水膠比能有效提升塑性混凝土的抗滲性能。Bagheri[9]研究得出硅灰能改善塑性混凝土抗滲性能,也能提升其強度和彈性模量。

綜上所述,當前對塑性混凝土防滲應力吸收層的性能缺少系統的研究,從而阻礙了塑性混凝防滲應力吸收層在不同環境狀態和工況下的推廣應用。為此,本文針對不同摻量膨潤土的塑性混凝土的工作性能、力學性能、抗滲性能的影響規律開展了一系列研究,為今后加鋪功能層塑性混凝土作為防滲應力吸收層的應用提供一定的參考和借鑒。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 原材料

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

1.2 配合比

塑性混凝土設計容重為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表1。

表1 塑性混凝土配合比表

1.3 試驗方法

塑性混凝土的制備及工作性能試驗:將稱量好的水泥、膨潤土和黏土、粗骨料及細骨料倒入攪拌機中干拌1 min,然后加入水和減水劑繼續攪拌3 min。按試驗規程對拌和物進行坍落度和擴散度試驗,將滿足要求的拌和物裝入試模中,靜置36 h后進行脫模,然后將試樣放入標準養護室中養護28 d。

塑性混凝土力學性能試驗:塑性混凝土抗壓強度試樣和彈性模量試樣均采用標準尺寸,將達到齡期的試樣參照《水工塑性混凝土試驗規程》(DL/T5303-2013)相關規定進行抗壓強度試驗和彈性模量試驗。

塑性混凝土抗滲性能試驗:采用相對滲透系數評價塑性混凝土的抗滲性能指標,參照相關規定進行抗滲性能試驗。

2 試驗結果分析及討論

2.1 不同膨潤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土摻量增大的變化規律如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可知,塑性混凝土的坍落度和擴散度隨膨潤土摻量的增大呈逐漸增大趨勢。膨潤土摻量由0增至60 kg/m3時,拌和物坍落度分別增加17.5%、14.8%和20.2%,擴散度分別增加2.2%、3.8%和4.4%。說明在保持水膠比不變的情況下,膨潤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,摻入的膨潤土主要成分是蒙脫石,而蒙脫石具有極強的吸水性,宏觀上表現為拌和物的粘聚性隨膨潤土摻量的增大而變強,流動性變差。但膨潤土摻入的同時,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大于膨潤土對拌和物粘聚性的貢獻,因此隨著膨潤土摻量的增大,塑性混凝土的坍落度和擴散度有一定程度的增大。

圖1 坍落度隨膨潤土摻量變化的規律柱狀圖

圖2 擴散度隨膨潤土摻量變化的規律柱狀圖

2.2 不同摻量膨潤土對塑性混凝土抗壓強度的影響

塑性混凝土28 d無側限抗壓強度隨膨潤土摻量增大的變化規律如圖3所示。由圖3可知,塑性混凝土無側限抗壓強度隨膨潤土摻量的增大呈指數函數關系下降,擬合度可達0.995。塑性混凝土無側限抗壓強度在2.3～3.1 MPa,且當膨潤土摻量為20 kg/m3時,對應強度最大降幅為16.1%,當膨潤土摻量由40 kg/m3增至60 kg/m3時,強度下降幅度逐漸趨于平緩。圖3結果說明,膨潤土的摻入對塑性混凝土強度下降產生重要影響,控制膨潤土的最佳摻入量具有重要的研究意義。究其原因,(1)膨潤土具有極強的吸水性和強分散性,膨潤土摻入后包裹在水泥顆粒的外表面,阻礙水泥的早期水化,同時大量吸收生成C-S-H所需要的OH-、CaO和Ca2+,導致混凝土強度的下降;(2)膨潤土中的蒙脫石具有極強的吸水性,在拌和的過程中,膨潤土顆粒吸入大量的水,當塑性混凝土硬化時,這些水分慢慢蒸發產生大量的毛細孔,增大了平均孔隙率,從而導致宏觀強度的下降。

圖3 塑性混凝土無側限抗壓強度隨膨潤土摻量變化的規律曲線圖

2.3 不同摻量膨潤土對塑性混凝土彈性模量的影響

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

圖4 塑性混凝土彈性模量隨膨潤土摻量變化的規律曲線圖

2.4 塑性混凝土應力應變曲線分析

塑性混凝土應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可知,塑性混凝土應力-應變曲線較為飽滿,在加載過程中具有極強的變形能力。該曲線可分為原生隙閉合階段(OA)、彈性階段(AB)、裂縫擴展階段(BC)、體積快速擴容階段(CD)4個階段。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越大;在彈性階段(AB)隨著荷載持續勻速的增加,此時的應力與應變為線彈性關系,斜率為彈性模量;在裂縫擴展階段(BC),隨著荷載的持續增加,此時塑性混凝土內部開始出現微裂縫,并且微裂縫持續擴展與相互貫通,塑性混凝土表現出越來越明顯的塑性變形;直至到達峰值應力點C,內部微裂隙擴展到塑性混凝土外表面,此時進入體積快速擴容階段(CD),此時塑性混凝土逐漸出現多條貫穿的主裂縫,在塑性混凝土的腰部緩慢向外鼓起,出現體積擴容現象。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 塑性混凝土應力應變曲線圖

2.5 塑性混凝土抗滲性能

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

圖6 塑性混凝土抗滲性能隨膨潤土摻量變化的規律柱狀圖

3 結語

(1)膨潤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土摻量的增大有略微增大的趨勢,坍落度和擴散度分別在183～221 mm、318～332 mm,具有較好的流動性能。

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

(3)塑性混凝土應力-應變曲線可分為原生隙閉合階段(OA)、彈性階段(AB)、裂縫擴展階段(BC)、體積快速擴容階段(CD)4個階段;峰值應力點對應的極限應變可達20με;塑性混凝土在破壞后,內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)當膨潤土摻量為0～60 kg/m3時,塑性混凝土的相對滲透系數為3.08×10-8～8.82×10-8cm;膨潤土的摻入能明顯提升塑性混凝土的抗滲性能,當膨潤土摻量為60 kg/m3時,最大降幅可達65.1%。