防渗应力吸收层塑性混凝土性能研究

宋 徽

(广西桂浦高速公路有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

近年来,随着我国公路建设的迅猛发展,公路建设总里程已位居世界首位,但也存在诸多工程病害。刚性路床的隧道路面早期破坏严重,影响使用品质,分析原因如下:(1)通常在无仰拱的刚性路床段铺设C20素混凝土调平层,调平层直接铺设在不均匀隧道围岩底板上,在车辆荷载的作用下易产生脱空破坏;(2)隧道环境通常较为潮湿,裂隙水经过渗流进入基层,在车辆荷载的作用下形成动水压力,进一步危害基层,加剧隧道路面的破坏。为降低这些病害带来的影响,提出在隧道刚性路床和C20素混凝土调平层之间加铺功能层塑性混凝土作为防渗应力吸收层。而新型工程材料塑性混凝土具有一定的强度,且模量低、变形协调性好、韧性好及抗渗性能优等,潜在应用价值高。目前关于塑性混凝土的研究现状如下:

吴福飞等[1]研究了红黏土对混凝土流动性能的影响,得出红黏土能在一定程度上延缓塑性混凝土的凝结时间,提升混凝土的流动性。高丹盈等[2]在塑性混凝土中掺入纤维、粉煤灰、硅灰,探究对其性能的影响,研究得出纤维、粉煤灰、硅灰均能提高塑性混凝土强度和韧性,并建立了塑性混凝土弯拉荷载-挠度曲线和韧性的计算模型。而关于塑性混凝土弹性模量的研究,一些学者认为塑性混凝土无须预压下的单轴峰值强度的0.3倍、0.7倍对应点弹性模量计算方法较为接近[3-5]。宋帅奇和王四巍等[6-7]通过研究发现,膨润土和黏土的掺入能够有效提升塑性混凝土的韧性,但会降低塑性混凝土的强度,而水泥掺量的提高能有效提升塑性混凝土的强度。Mahboubi[8]研究结果表明,掺入膨润土和降低水胶比能有效提升塑性混凝土的抗渗性能。Bagheri[9]研究得出硅灰能改善塑性混凝土抗渗性能,也能提升其强度和弹性模量。

综上所述,当前对塑性混凝土防渗应力吸收层的性能缺少系统的研究,从而阻碍了塑性混凝防渗应力吸收层在不同环境状态和工况下的推广应用。为此,本文针对不同掺量膨润土的塑性混凝土的工作性能、力学性能、抗渗性能的影响规律开展了一系列研究,为今后加铺功能层塑性混凝土作为防渗应力吸收层的应用提供一定的参考和借鉴。

1 试验材料及试验方法

1.1 原材料

本试验的主要原材料包括:海螺牌普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)、河南信阳易通矿业有限公司生产的钠基膨润土、粒径<0.5 mm的普通黄黏土、水、天然河砂、5～20 mm的连续级配碎石、聚羧酸高效减水剂(减水率25 %)。

1.2 配合比

塑性混凝土设计容重为2 100 kg/m3,水胶比为1.2,减水剂掺量为胶凝材料总量的0.1%,膨润土掺量分别为0 kg/m3、20 kg/m3、40 kg/m3、60 kg/m3,黏土掺量为60 kg/m3。塑性混凝土配合比见表1。

表1 塑性混凝土配合比表

1.3 试验方法

塑性混凝土的制备及工作性能试验:将称量好的水泥、膨润土和黏土、粗骨料及细骨料倒入搅拌机中干拌1 min,然后加入水和减水剂继续搅拌3 min。按试验规程对拌和物进行坍落度和扩散度试验,将满足要求的拌和物装入试模中,静置36 h后进行脱模,然后将试样放入标准养护室中养护28 d。

塑性混凝土力学性能试验:塑性混凝土抗压强度试样和弹性模量试样均采用标准尺寸,将达到龄期的试样参照《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T5303-2013)相关规定进行抗压强度试验和弹性模量试验。

塑性混凝土抗渗性能试验:采用相对渗透系数评价塑性混凝土的抗渗性能指标,参照相关规定进行抗渗性能试验。

2 试验结果分析及讨论

2.1 不同膨润土掺量下的塑性混凝土工作性能

塑性混凝土工作性能随膨润土掺量增大的变化规律如图1和图2所示。由图1、图2可知,塑性混凝土的坍落度和扩散度随膨润土掺量的增大呈逐渐增大趋势。膨润土掺量由0增至60 kg/m3时,拌和物坍落度分别增加17.5%、14.8%和20.2%,扩散度分别增加2.2%、3.8%和4.4%。说明在保持水胶比不变的情况下,膨润土的掺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,掺入的膨润土主要成分是蒙脱石,而蒙脱石具有极强的吸水性,宏观上表现为拌和物的粘聚性随膨润土掺量的增大而变强,流动性变差。但膨润土掺入的同时,增大了塑性混凝土各组分材料中胶凝材料的占比,胶凝材料包裹在骨料的外表,降低了骨料间的摩阻力,而降低摩阻力的效应大于膨润土对拌和物粘聚性的贡献,因此随着膨润土掺量的增大,塑性混凝土的坍落度和扩散度有一定程度的增大。

图1 坍落度随膨润土掺量变化的规律柱状图

图2 扩散度随膨润土掺量变化的规律柱状图

2.2 不同掺量膨润土对塑性混凝土抗压强度的影响

塑性混凝土28 d无侧限抗压强度随膨润土掺量增大的变化规律如图3所示。由图3可知,塑性混凝土无侧限抗压强度随膨润土掺量的增大呈指数函数关系下降,拟合度可达0.995。塑性混凝土无侧限抗压强度在2.3～3.1 MPa,且当膨润土掺量为20 kg/m3时,对应强度最大降幅为16.1%,当膨润土掺量由40 kg/m3增至60 kg/m3时,强度下降幅度逐渐趋于平缓。图3结果说明,膨润土的掺入对塑性混凝土强度下降产生重要影响,控制膨润土的最佳掺入量具有重要的研究意义。究其原因,(1)膨润土具有极强的吸水性和强分散性,膨润土掺入后包裹在水泥颗粒的外表面,阻碍水泥的早期水化,同时大量吸收生成C-S-H所需要的OH-、CaO和Ca2+,导致混凝土强度的下降;(2)膨润土中的蒙脱石具有极强的吸水性,在拌和的过程中,膨润土颗粒吸入大量的水,当塑性混凝土硬化时,这些水分慢慢蒸发产生大量的毛细孔,增大了平均孔隙率,从而导致宏观强度的下降。

图3 塑性混凝土无侧限抗压强度随膨润土掺量变化的规律曲线图

2.3 不同掺量膨润土对塑性混凝土弹性模量的影响

塑性混凝土弹性模量随膨润土掺量增大的变化规律如图4所示。由图4可知,塑性混凝土弹性模量随膨润土掺量的增大整体呈下降趋势。膨润土掺量由0 kg/m3依次增至60 kg/m3时,塑性混凝土弹性模量下降幅度分别为7.2%、35.1%和66.1%,且膨润土掺量在40～60 kg/m3时降幅最为明显。试验结果表明,膨润土掺量对塑性混凝土弹性模量的降低具有重要影响,膨润土掺量越大,塑性混凝土弹性模量越低。究其原因,膨润土的掺入增大了塑性混凝土内部结构的微孔隙率,在竖向荷载的作用下,结构内部的微孔隙具有更大的压缩空间,能够吸收更大的应变能。从而宏观上表现为模量更低,柔韧性更强。

图4 塑性混凝土弹性模量随膨润土掺量变化的规律曲线图

2.4 塑性混凝土应力应变曲线分析

塑性混凝土应力-应变曲线如图5所示。由图5可知,塑性混凝土应力-应变曲线较为饱满,在加载过程中具有极强的变形能力。该曲线可分为原生隙闭合阶段(OA)、弹性阶段(AB)、裂缝扩展阶段(BC)、体积快速扩容阶段(CD)4个阶段。在原生隙闭合阶段(OA),随着竖向荷载的缓慢增加,塑性混凝土内部原生微裂隙慢慢闭合,试件逐渐被压密,因此曲线的斜率越来越大;在弹性阶段(AB)随着荷载持续匀速的增加,此时的应力与应变为线弹性关系,斜率为弹性模量;在裂缝扩展阶段(BC),随着荷载的持续增加,此时塑性混凝土内部开始出现微裂缝,并且微裂缝持续扩展与相互贯通,塑性混凝土表现出越来越明显的塑性变形;直至到达峰值应力点C,内部微裂隙扩展到塑性混凝土外表面,此时进入体积快速扩容阶段(CD),此时塑性混凝土逐渐出现多条贯穿的主裂缝,在塑性混凝土的腰部缓慢向外鼓起,出现体积扩容现象。从(CD)阶段可以看出,塑性混凝土在破坏后仍具有良好的持荷能力、变形能力及抗裂性。

图5 塑性混凝土应力应变曲线图

2.5 塑性混凝土抗渗性能

塑性混凝土抗渗性能随膨润土掺量的变化规律如图6所示。由图6可知,塑性混凝土渗透系数随膨润土掺量的增大整体呈下降趋势。膨润土掺量由0 kg/m3依次增至60 kg/m3时,塑性混凝土渗透系数下降幅度分别为9.2%、38.4%和65.1%,且膨润土掺量在20～60 kg/m3时的降幅最为明显。结果表明,膨润土的掺入能有效提升塑性混凝土的抗渗性能。究其原因,膨润土遇水后快速膨胀,产生的膨胀力能在一定程度上使塑性混凝土内部原生裂隙和开口微孔洞快速闭合,从而使得内部更加致密,阻水性能更高。同时膨润土颗粒分散并包裹在水化产物周围,具有一定的填充作用,延长了水的渗透路径,从而表现出良好的抗渗性能。

图6 塑性混凝土抗渗性能随膨润土掺量变化的规律柱状图

3 结语

(1)膨润土的掺入提高了胶凝材料的占比,塑性混凝土的工作性能随膨润土掺量的增大有略微增大的趋势,坍落度和扩散度分别在183～221 mm、318～332 mm,具有较好的流动性能。

(2)膨润土掺量由0 kg/m3增至60 kg/m3时,塑性混凝土28 d抗压强度为2.3～3.1 MPa,弹性模量为987～1 780 MPa。膨润土的掺入对强度的提升不利,但能增加塑性混凝土的韧性,弹性模量最大降幅接近60%。

(3)塑性混凝土应力-应变曲线可分为原生隙闭合阶段(OA)、弹性阶段(AB)、裂缝扩展阶段(BC)、体积快速扩容阶段(CD)4个阶段;峰值应力点对应的极限应变可达20με;塑性混凝土在破坏后,内部损伤加剧的情况下,仍具有良好的持荷能力、良好的变形能力及抗裂性。

(4)当膨润土掺量为0～60 kg/m3时,塑性混凝土的相对渗透系数为3.08×10-8～8.82×10-8cm;膨润土的掺入能明显提升塑性混凝土的抗渗性能,当膨润土掺量为60 kg/m3时,最大降幅可达65.1%。