透水混凝土樁的樁體材料試驗(yàn)研究

趙 宇

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引言

透水混凝土作為一種新型的材料，由于其在具有一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上還具有較好的透水性能，在排水路面、生物邊坡等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為近年來高新材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。但對(duì)于將透水混凝土應(yīng)用于地基處理領(lǐng)域的研究鮮有報(bào)道。

最近，很多學(xué)者嘗試在復(fù)合地基中引入排水通道，結(jié)合復(fù)合地基和排水固結(jié)兩種地基處理方法的優(yōu)勢(shì)，期望在提高地基整體力學(xué)性能的同時(shí)，改善地基排水性能，大大提高地基處理效果。邢皓楓[1]用有限元研究了復(fù)合地基的樁體滲透性變化對(duì)其固結(jié)性狀的影響，認(rèn)為樁體滲透性越好復(fù)合地基超靜孔隙水壓力消散越快，因此增大樁體滲透性可以大大加快超靜孔隙水壓力的消散速度，而且呈遞增趨勢(shì)，進(jìn)而有效地加快復(fù)合地基固結(jié)沉降速率和整體固結(jié)過程，而且滲透性越大其效果越明顯。

本文基于對(duì)目前已有的關(guān)于透水混凝土研究資料的總結(jié)分析，通過在試驗(yàn)中根據(jù)強(qiáng)度要求和滲透性要求，調(diào)整不同混凝土的水灰比、骨料粒徑及骨灰比等參數(shù)，進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，得出這些參數(shù)對(duì)透水混凝土透水系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到既能滿足復(fù)合地基強(qiáng)度要求又具有一定滲透性的配合比方案。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

透水混凝土采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥；骨料采用雙粒級(jí)，粗骨料為16 mm～25 mm粒徑的碎石，細(xì)骨料粒徑為2.5 mm～5 mm，按一定比例摻配使用；試驗(yàn)用水采用普通自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法

影響透水混凝土力學(xué)特性和滲透特性的因素，主要有水灰比、骨灰比和集料級(jí)配以及水泥強(qiáng)度等級(jí)等。水泥采用42.5R級(jí)的普通硅酸鹽水泥，此處試驗(yàn)主要考察水灰比、骨灰比及集料級(jí)配三個(gè)因素，各因素取三個(gè)水平。若全面組合試驗(yàn)，需33=27次試驗(yàn)。由于試驗(yàn)次數(shù)的限制，不可能也沒有必要組合每種方式。而正交試驗(yàn)利用正交表安排試驗(yàn)，可以在不影響全面了解諸多因素對(duì)性能指標(biāo)影響的條件下，大大減少試驗(yàn)次數(shù)。所以本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2影響因素及性能指標(biāo)的確定

水灰比：透水混凝土的水灰比既影響強(qiáng)度，又影響其透水性，是影響混凝土性能最重要的因素之一，因此，水灰比的選擇十分重要。水泥漿過于干稠，混凝土拌合物和易性太差，水泥漿不能充分包裹骨料表面，雖孔隙率較大，但不利于提高混凝土的強(qiáng)度；反之，若水灰比過大，水泥漿可能把透水孔隙部分或全部堵死，既不利于透水，又不利于強(qiáng)度的提高。目前，透水混凝土的最佳水灰比通常介于0.25～0.35之間[2]，故本試驗(yàn)選用的水灰比(W/C)為0.25,0.30和0.35三個(gè)水平。

骨料級(jí)配：透水混凝土受力時(shí)通過骨料之間的膠結(jié)點(diǎn)傳遞力的作用，而其透水性則依靠骨料間的孔隙產(chǎn)生。因此骨料級(jí)配是影響透水混凝土強(qiáng)度及透水性的關(guān)鍵因素。骨料級(jí)配應(yīng)使單位體積內(nèi)骨料顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)量較多，膠結(jié)面積較大，并以增大有效孔隙率為目標(biāo)。故本文根據(jù)間斷級(jí)配理論并參考國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本試驗(yàn)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出3種級(jí)配。

骨灰比：骨灰比的大小影響骨料顆粒表面包裹的水泥漿薄厚程度以及孔隙率的多少，應(yīng)以水泥漿以剛好能夠均勻包裹骨料的表面，形成一種均勻的水泥漿膜為適度，并采用最小水泥用量為原則，因過大的水泥用量不僅會(huì)造成透水性的減弱、增加成本，還會(huì)造成水泥石收縮量增大，形成裂縫，使混凝土的強(qiáng)度反而降低。本試驗(yàn)采用的骨灰比為5.0,5.5,6.0三個(gè)水平[3]。

因選用的影響因素有三個(gè)，每個(gè)影響因素設(shè)三個(gè)水平，故選用L9(34)即四因素三水平的正交表，按此表(如表1所示)安排試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)方案

性能指標(biāo)：本試驗(yàn)的性能指標(biāo)為透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)。

1.2.3試件制備及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)采用水泥裹石法進(jìn)行人工攪拌，以使骨料表面形成均勻穩(wěn)定的水泥漿層，見圖1；之后將拌和好的透水混凝土混合料分層(2層～3層)倒入試模中，邊倒入邊插搗，將試模填滿后，適當(dāng)擊實(shí)。拆模后(如圖2所示)送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，滲透試驗(yàn)圓柱體試件直徑150 mm，高度為300 mm。

1.2.4性能測(cè)試方法

透水混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)試按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試齡期分別為7 d，28 d。透水混凝土透水系數(shù)的測(cè)定：因目前國(guó)內(nèi)尚沒有測(cè)量透水混凝土滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和裝置，而測(cè)量普通混凝土滲透性的方法又不適用于透水混凝土，故本試驗(yàn)根據(jù)試件尺寸將達(dá)西滲透儀按比例擴(kuò)大。試驗(yàn)時(shí)采用定水頭的方法，試件采用先水泥護(hù)壁，再蠟封的方法防止其側(cè)壁滲漏，最后根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算透水混凝土的滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 水灰比對(duì)透水混凝土性能的影響

圖3給出了水灰比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及滲透性能的影響。從圖3中可以看出，水灰比為0.25時(shí)，透水混凝土的強(qiáng)度低，但滲透系數(shù)較大，這是由于水泥漿太少，對(duì)骨料表面的包裹效果較差，骨料之間的膠結(jié)層較薄而且不連續(xù)，在具體試驗(yàn)中，水灰比為0.25的透水混凝土拌合料的工作性也很差。隨著水灰比一直增加到0.35，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著增長(zhǎng)，而滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)下降。但是水灰比的繼續(xù)增大會(huì)導(dǎo)致透水混凝土抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的同時(shí)降低，因?yàn)樗冶忍髸r(shí)水泥漿開始下滲，形成的試件下部較密實(shí)、沒有孔隙，而上部則只是粗骨料堆積在一起，缺少膠結(jié)。因此，水灰比為0.35時(shí)，透水混凝土的強(qiáng)度較高，滲透性能也很理想，符合透水混凝土樁的要求。

2.3 骨灰比對(duì)透水混凝土性能的影響

圖4給出了骨灰比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及滲透性能的影響。由圖4可知，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)在骨灰比為5.5時(shí)達(dá)到峰值，相對(duì)于水灰比和骨料級(jí)配，骨灰比對(duì)其影響并不顯著。因此，骨灰比為5.5時(shí)的透水混凝土符合透水樁的要求。

2.4 骨料級(jí)配

圖5給出了骨料級(jí)配對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及滲透性能的影響。由圖5可知，骨料級(jí)配對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)的影響顯著，這是由于骨料級(jí)配決定了透水混凝土膠結(jié)點(diǎn)的多少以及空隙率的大小。試驗(yàn)表明，當(dāng)采用雙粒級(jí)級(jí)配，粗骨料(16 mm～25 mm)占總骨料質(zhì)量的75%，細(xì)骨料(2.5 mm～5 mm)占25%時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度最大，滲透系數(shù)雖較小但也很理想。因此采用此種骨料級(jí)配的透水混凝土能滿足透水樁的要求。

3 結(jié)語

1)骨料級(jí)配和水灰比是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)的關(guān)鍵因素，最佳骨料級(jí)配和水灰比應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度來確定。

2)采用水灰比0.35，骨灰比5.5，本文中骨料級(jí)配2的情況，可以配制出抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，滲透系數(shù)大于1.9 mm/s的透水混凝土，既可以在強(qiáng)度上滿足復(fù)合地基樁體材料10 MPa～20 MPa的要求，同時(shí)能在滲透性能上達(dá)到砂井的效果，滿足要求。