非饱和粉土土模压实度对现浇混凝土强度影响研究

韩成国

（中铁十七局集团第五工程有限公司 山西太原 030032）

1 研究背景

吕梁地下综合管廊工程地处吕梁市大武镇，拟建线路全长13.8 km，管廊主体设计高度约4.5 m，宽度约12 m。本工程属于深基坑开挖，支护形式为混凝土灌注桩排桩支护，桩体顶端设计冠梁连成整体。本工程一期全线施工紧邻209国道，施工过程中发现由于冠梁施工受国道护栏影响，国道侧模板施工难度大。从经济角度考虑，本工程拟用土模进行施工，并就土模施工的可行性进行研究。

2 水在土体中渗透的影响因素

土是自然界的产物，是由岩石经过长期的物理、化学风化作用以及剥蚀、搬运、沉积作用等交错复杂的自然环境中所生成的各类沉积物。土的类别分为饱和土和非饱和土，由固相、液相两相组成的土为饱和土，由固相、液相、气相3项组成的土为非饱和土，本工程研究的土为非饱和土［1］。

有研究认为非饱和土中水的运动能量分为动能和势能［2］，通过观察发现水在土体孔隙间的流动缓慢，所以由动能催动水迁移的动力几乎不起作用，因此土中水迁移的动力主要体现为势能，称之为土水势。

土水势分为重力势、压力势、基质势和溶质势，其中重力势是高位水相较于低位的所具有的势能；压力势是水分在大气压与土体中闭口孔隙压力差作用下所具有的势能；基质势是由水分抵抗土体的毛细管力和吸附力产生的势能；溶质势又称为渗透势，是由于土体中水分所含有的离子态或非离子态的溶质对于水分的吸持作用所产生的势能。

由于土的碎散性和多向性，衍生出土力学的一个概念“土骨架”，土骨架中含有连接的孔隙，孔隙中的流体在势能差的作用下会进行运动。因此，土体中具有被水等液体渗透通过的性质称为土的渗透性。

非饱和土的渗透系数是反映水分在土体中运动快慢的指标，影响渗透系数的因素有土的粒径大小与级配、孔隙比、矿物成分、结构、饱和度。其中土的粒径与级配、孔隙比对土体渗透系数影响起决定性作用。当外界存在自由水时，水会向土体进行渗透，非饱和土向饱和土方向发展［3］，也有应用表明土越密实，孔隙比越小，渗透系数越低［4］。

3 混凝土水泥水化、硬化过程及原理

有研究指出混凝土中水泥水化过程分为五个阶段，即诱导前期、诱导期、加速期、减速期、稳定期［5］。

（1）诱导前期是指水泥在加水后引起的剧烈反应，该阶段一般在15 min左右。

（2）诱导期是指水化速率极其缓慢的阶段，是混凝土保持塑性的重要原因，该阶段一般在2～4 h。

（3）加速期是指水化速率重新加快，并随着时间的增加而增加的阶段，是浆体结构成型的重要阶段，该阶段在4～8 h。

（4）减速期是指水化速率开始下降，并随着时间的推移而持续降低的阶段，该阶段在12～24 h。

（5）稳定期是指水化速率重新变得很低，反应过程基本趋于稳定，该阶段一般在24 h之后。

T.C.Powers模型［6］认为水在混凝土体系中分为两类，即蒸发水和非蒸发水，蒸发水不参与水化反应，非蒸发水参与水化反应。在理想状态下，当所加水量全部为非蒸发水时，混凝土水胶比为0.227，但实际施工中的混凝土水胶比远大于该值。因此在混凝土水化前期没有形成浆体结构的阶段，其内部还有大量未参与水化且不受浆体结构限制的自由水。

4 研究内容与方法

4.1 研究内容

由于混凝土强度影响因素众多，除了混凝土自身及原材、环境等因素外，土体的各项性质及状态对现浇混凝土强度有重要影响，本文着重研究土的密实程度对混凝土强度的影响。

4.2 试验方案

在现场划出十个试验区段，各个区段通过机械碾压，使每个区段土体形成不同的压实度，在每个区段内制作出若干试坑，模拟施工浇筑混凝土的状态，并预制对比试件。经28 d后，对不同条件下混凝土试件进行强度试验，并将现场浇筑取样试件、现场预制同条件标准试件和标准养护试件进行28 d强度对比。

4.3 试验步骤

4.3.1 土样制取及室内试验

为保证对施工的指导性，本试验地点设在离石大武镇工地，根据标准在试验地点现场取土样［7］，现场应去除表面浮土和杂质方可进行取土。将土样在室内进行天然含水率、颗粒分析、液塑限、重型击实等试验。

由表1可知小于0.075 mm组分的含量为58.7%，塑性指数为8.7，文献［8］中关于土类划分该土质应为粉土。

表1 土样各项指标

4.3.2 现场压实度控制

本试验段全长约100 m，宽约2 m，在全段长度内采用环刀法取得10个土样测得原状土的干密度。根据要求，原状土样同一组试样间密度的允许差值为0.03 g/cm3，本试验测得原状土密度为1.40～1.42 g/cm3之间，极差为0.02 g/cm3，符合要求的允许差值，故以压实度的平均值为代表值即78.4%。将全试验段分为10个区域，每个区域长度约10 m，利用压实机械将每个区域压实度都提高到一定数值，即从原状土初始压实度开始，每个区域压实度以1%～3%递增。压实机械采用JM812HB垂直振动压路机，作业前清除地表浮土、垃圾等，在每个区域进行静压或者振动压实过程中，及时测取每段干密度，以保证将压实度控制在预期要求范围内。为保证每段压实度的均匀性和代表性，应在距原地面10～20 cm深度进行环刀法试验，每段测定压实度的样本均不少于6个，测点距每区段长度方向边缘至少2 m，同一测区干密度极差不大于为0.03 g/cm3，以平均值作为区域代表值（见表2）。

表2 各区域压实度代表值

4.3.3 混凝土准备及试件制作、养护

本试验所用混凝土强度等级为C35，设计坍落度为180～220 mm，配合比依据文献［9］设计，具体数据见表3。

表3 C35混凝土标准配合比

准备22组边长为150mm×150 mm×150 mm经校准合格的试模，刷油后备用。在现场用平铲将各段分别挖出6个边长约为20 cm和6个边长为15～16 cm的立方体试坑，试坑边缘间距不少于1 m且距各区段边缘不少于2 m。在拌和站按照表3配比拌制混凝土，拌制过程应按照文献［10］执行，通过混凝土罐车运输到现场，将混凝土卸到小推车上人工制作试件，试件制作整个过程应按照文献［11］执行。

将制作好的2组试模混凝土放在20℃±5℃的室内静置，剩余20组试件放在试验现场静置。24 h后将室内及现场的试件脱模、编号。将室内脱模的试件放到温度为（20±2）℃、相对湿度95%以上的标准养护室中进行养护，将现场脱模的试件分别放入每段已挖好的边长约15～16 cm的立方体试坑中，并用扰动土填补到试件与试坑的缝隙中，保证试件与土体完全接触。

4.3.4 混凝土性能试验结果

从加水拌和开始28 d后，在20 cm的立方体试件上制取φ100×100 mm的圆柱体标准芯样试件。考虑圆柱体试件的代表性，成型后的圆柱体试件应取自立方体试件的中心部位，试件尺寸偏差要求应符文献［12］规定，并对试件进行编号，将标养试件、同条件试件和圆柱体试件分别进行抗压强度试验（见表4）。

图1 混凝土强度随压实度变化曲线

表4 圆柱体及立方体试件抗压强度

从图1、表4中可以发现：（1）芯样试件的强度随着压实度的增加而增长，当压实度达到一定程度时，混凝土强度增长放缓；（2）同条件标准试件强度随压实度的增加缓慢增长，压实度较高时几乎不增长；（3）在低压实度时同条件的试件强度明显高于圆柱体试件，随着压实度不断升高，同条件立方体试件与圆柱体试件强度差距逐渐变小；（4）当压实度达到一定程度时，标养立方体试件强度与折算后同条件立方体试件强度相差无几［13］。

4.3.5 结果分析

对于上述结果，通过结合土体及混凝土理论可以发现：

（1）芯样试件的强度随着压实度的增加而增长的原因是由于在同土质条件下，低压实度中土体气相占比较大，孔隙率较高，渗透系数较大，导致水在土体中更加容易流动；另一方面由于混凝土水泥浆体在水化前期自身结构没有形成，自由水因为被混凝土自身结构限制较小，所以在土体的渗透作用下向土体中迁移，而且水泥水化是一个长期过程，在水泥水化稳定期以后混凝土中水泥水化程度会因水分减少而逐渐受到限制，甚至停滞，混凝土内部结构发展达不到预期，进而导致强度降低。随着压实度逐渐升高，土体密实度增加，土体气相占比变小，孔隙比变小，渗透系数下降，导致水在土体中流动变得困难，水的渗透、迁移特性越不明显。这种状况下使得混凝土内部的水分流失逐渐变慢，混凝土中水泥水化的限制减小，内部结构得以逐渐完善，使混凝土强度随着压实度的增加逐渐增长。

（2）当压实度达到一定程度时，土体非常密实，孔隙比很小，渗透性也变得很小，混凝土中的水迁移更加缓慢，几乎不影响混凝土内部水泥的水化进程，使混凝土内部结构发展非常完善，故芯样强度与同条件立方体试件相差无几。

（3）因混凝土硬化浆体结构性能与水化早期浆体结构形成密切相关，试模混凝土内自由水除少量蒸发外，没有因土体的渗透性而迁移。因此，混凝土在水化前期浆体结构形成几乎不受影响，且在浆体结构形成之后，内部自由水的移动会因浆体结构的存在而受到限制，土体渗透性影响力下降，在低压实度下，混凝土自由水迁移量减少，较大程度保证了混凝土后续的水化硬化，因此在土体中的混凝土立方体试件强度随着压实度降低而略有下降。也因为土体中成型的混凝土在前期浆体结构未形成前，由于土体渗透作用，使混凝土中自由水流失，导致在低压实度条件下，试模中成型的混凝土强度要高于土体中混凝土的强度。

（4）同条件立方体试件的强度受土体影响较小，只受外界温度、湿度影响，因此当压实度到达89%以上时，同条件立方体试件的强度经过折算系数修正后与标养试件的强度几乎相同。

（5）需要指出的是混凝土中掺了粉煤灰，粉煤灰的二次水化对混凝土后期强度帮助较大，但粉煤灰的二次水化程度也受水泥前期水化产生的Ca（OH）2数量的影响，由于混凝土前期水化受限，产生的Ca（OH）2数量不足，所以粉煤灰对圆柱体试件的强度发展也会产生影响。

5 结论

通过上述试验和分析可以得出结论，不饱和粉土在低压实度条件下，现场浇筑的混凝土强度受土体作用的影响，并随压实度增加而增长；当不饱和粉土压实度达到95%以上时，现场浇筑混凝土强度不受土体作用影响，并能达到混凝土强度的预期要求。