用于寒區(qū)隧道深埋水溝的透水混凝土性能影響因素研究

易志偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300308)

寒區(qū)隧道工程為實(shí)現(xiàn)排水順暢，一般將排水水溝埋設(shè)在土壤最大凍結(jié)深度之下。同時(shí)，為了保證隧底地基的承載力和滿足深埋水溝的排水需要，通常采用洗凈碎石對(duì)水溝的周邊進(jìn)行回填。但在實(shí)際施工過程，碎石的潔凈度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，多余的泥漿會(huì)堵塞水溝泄水孔，導(dǎo)致水溝匯水不暢，進(jìn)而影響其排水效果，嚴(yán)重時(shí)可能在該位置處發(fā)生凍害，使得隧道發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，引發(fā)隧道運(yùn)營(yíng)的安全問題。而透水混凝土作為可預(yù)制的回填材料，可以在很大程度上滿足隧底水溝透水性的功能要求，是作為新型深埋水溝周邊回填材料很好的選擇。

圖1 隧底深埋水溝周邊回填示意

在對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水性的眾多影響因素中，配合比對(duì)其性能影響最大。因此，本文基于正交試驗(yàn)法，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究水灰比、砂率、骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響。通過極差和方差分析法，研究各影響因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)影響的大小，為透水混凝土的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 原材料及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：四川綿特普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5級(jí))，28 d抗壓強(qiáng)度52 MPa；集料：石灰?guī)r碎石，級(jí)配為A(3～5 mm)、B(5～10 mm)、10～15 mm三種；減水劑：聚羧酸高效減水劑，水，實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

透水混凝土的強(qiáng)度和透水性受到水灰比、砂率、骨料粒徑、攪拌方法、摻和料等多種因素的影響，本文基于正交試驗(yàn)方法，旨在考察水灰比、砂率、骨料粒徑三因素對(duì)透水混凝土力學(xué)性質(zhì)和透水性的影響。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)影響因素選取3個(gè)水平，按照正交法采用三因素三水平試驗(yàn)分析，即L9(34)正交表方案，采用極差和方差分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，判斷各影響因素對(duì)透水混凝土力學(xué)性質(zhì)和透水性的影響程度及顯著性分析。

三因素三水平設(shè)計(jì)：水灰比的三水平分別為0.25、0.30、0.35，砂率的三水平分別為0 %、3 %、6 %，骨料粒徑的三水平分別為3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm(表1)。

表1 三因素三水平

2 透水混凝土試樣制備與破壞機(jī)理研究

2.1 試件制備

制作的透水混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，用于混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和透水性能試驗(yàn)的試件尺寸相同。

攪拌時(shí)，先將骨料拌合均勻，加少量水?dāng)嚢? min，使骨料表面濕潤(rùn)，再加入定量的水?dāng)嚢杈鶆颉Ｔ摪韬头椒軌蚴够炷凉橇媳砻嬉仔纬珊穸染鶆虻乃酀{液，沒有水泥漿下滴現(xiàn)象，從而保證必要的強(qiáng)度和透水性。拌和過程如圖2所示。

圖2 透水混凝土的拌和

拌和完成后，采用人工插搗的方式，將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模中，分層插搗，每層填充總高度的三分之一。為了保證混凝土的強(qiáng)度，搗固第一層時(shí)，應(yīng)插搗至底部；為了避免上層搗固對(duì)下層的透水性的影響，同時(shí)保證足夠的強(qiáng)度，插搗第二層和第三層時(shí)，應(yīng)貫穿并插入下層10～15 mm；搗固時(shí)，每一層四角處插搗6次，側(cè)面插搗10次，平面內(nèi)部插搗8次，插搗完畢后用抹刀將成型面抹平。搗固過程如圖3所示。

圖3 透水混凝土搗固

將拌和好的混凝土裝模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)2 d后脫模，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行透水性和強(qiáng)度測(cè)試。

采用固定水量法對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)量時(shí),將水快速注滿有機(jī)玻璃筒，待筒中液面高度降為250 mm時(shí)開始計(jì)時(shí)(t1)，直至液面下降到試件上面50 mm刻度處計(jì)時(shí)(t2)，經(jīng)過時(shí)間為t2-t1，可以折算出透水系數(shù)，即V(mm/s)=200/(t2-t1)。每個(gè)試件測(cè)3次，取平均值作為最終的透水系數(shù)(圖4)。

圖4 混凝土透水系數(shù)的測(cè)定

將養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土試件進(jìn)行混凝土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，將測(cè)得的強(qiáng)度取平均值作為混凝土的最終強(qiáng)度。

2.2 透水混凝土性能及破壞機(jī)理研究

2.2.1 透水混凝土透水性及強(qiáng)度特性分析

透水混凝土主要性能之一的透水性，主要取決于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙。在透水混凝土中，存在3種孔隙，第一種是封閉的孔隙；第二種是開口但不連續(xù)的孔隙；第三種是貫穿混凝土且連續(xù)的有效孔隙。有效孔隙對(duì)透水混凝土透水性起決定性作用，但同時(shí)也降低了透水混凝土的強(qiáng)度。

由于透水混凝土含有較少的細(xì)骨料，屬于由粗骨料與水泥漿液膠結(jié)成的多孔堆聚結(jié)構(gòu)。一般情況下，骨料的強(qiáng)度較高，透水混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥膠體、水泥漿與骨料之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度。因此，對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的提高，主要是在保證透水性的前提下，增加凝膠體之間的接觸。

2.2.2 透水混凝土破壞過程分析

通過對(duì)透水混凝土進(jìn)行強(qiáng)度破壞研究，大致發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：當(dāng)施加應(yīng)力較小時(shí)，透水混凝土在擬破壞界面處產(chǎn)生一些微裂縫，但是裂縫基本上保持初始狀態(tài)，沒有擴(kuò)展趨勢(shì)；之后，隨著應(yīng)力不斷增加，裂縫長(zhǎng)度變長(zhǎng)，深度加大，裂縫又不斷向周圍延伸，產(chǎn)生新的裂縫，骨料之間發(fā)生輕微的錯(cuò)動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力超過一定界限，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，混凝土粘結(jié)面完全斷開，混凝土最終破壞。

2.2.3 透水混凝土與普通混凝土破壞情況比較分析

通過對(duì)比普通混凝土和透水混凝土的破壞形式可以發(fā)現(xiàn)，普通混凝土試件破壞后呈片塊狀結(jié)構(gòu)，破壞面呈不規(guī)則形；而透水性混凝土破壞呈松散顆粒狀。普通混凝土試件和透水性混凝土破壞形態(tài)的對(duì)比如圖5所示。

圖5 普通混凝土試件與透水性混凝土破壞形態(tài)對(duì)比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過采用L9(34)正交試驗(yàn)，以混凝土28 d的單軸抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)為指標(biāo)，分別研究水灰比、砂率、骨料粒徑三因素在三水平作用下對(duì)透水混凝土性能的影響。并且通過極差和方差分析，來確定以上各影響因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)影響的大小。

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)不同水灰比、不同砂率、不同骨料粒徑三因素相互作用下的試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)和透水性試驗(yàn)，分別得到了以上三因素在三水平作用下的透水混凝土強(qiáng)度與透水系數(shù)，具體結(jié)果如表2所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 正交試驗(yàn)極差分析

通過極差分析可以確定抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的極差大小，進(jìn)而得到水灰比、砂率、骨料粒徑三種因素對(duì)透水混凝土性能影響的主次順序。

通過分析可知，無論從抗壓強(qiáng)度還是從透水系數(shù)考慮，砂率極差值R最大，骨料粒徑次之，水灰比最小，說明抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)受砂率影響最大，受骨料粒徑的影響次之，受水灰比的影響最弱。具體分析結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差

由表3可知，砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響排第一位，同時(shí)對(duì)透水系數(shù)的影響也排第一位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為透水系數(shù)為1.5 mm/s時(shí)滿足要求。當(dāng)砂率取水平3時(shí)，即6 %，抗壓強(qiáng)度達(dá)最大，但是此時(shí)的透水系數(shù)不能滿足大于目標(biāo)值值。當(dāng)砂率取水平2時(shí)，即3 %，抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均滿足要求。對(duì)于骨料粒徑，其對(duì)抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響排在第二位，此時(shí)取水平3，即10～15 mm，抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均滿足要求。對(duì)于水灰比，其對(duì)抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響排在第三位，此時(shí)取水平2，即0.30，抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均滿足要求。

因此，得到最優(yōu)組合為：砂率3 %，骨料粒徑10～15 mm，水灰比0.30。

3.2.2 正交試驗(yàn)方差分析

通過方差分析可得，對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度而言，砂率和骨料粒徑的F值均大于Fa臨界值19，即砂率和骨料粒徑都達(dá)到顯著水平，但這兩影響因素的F值均小于Fa臨界值99，即砂率和骨料粒徑均未達(dá)到高度顯著水平，且砂率大于骨料粒徑的F值，即砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較骨料粒徑顯著，水灰比雖未達(dá)到顯著水平，但它的均方差比誤差的均方差要大得多，說明透水混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果合理。具體結(jié)果如表4所示。

通過方差分析可得，對(duì)透水混凝土透水系數(shù)而言，砂率的F值大于Fa臨界值19，即砂率達(dá)到顯著水平，但砂率的F 值小于Fa臨界值99，即砂率對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)的影響未達(dá)到高度顯著水平。骨料粒徑和水灰比的F 值均小于Fa臨界值9，即骨料粒徑和水灰比對(duì)透水混凝土透水系數(shù)均未達(dá)到顯著水平，兩者的均方差比誤差的均方差要大，且骨料粒徑對(duì)透水系數(shù)的影響較水灰比強(qiáng)。三影響因素對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響排序?yàn)椋荷奥?骨料粒徑>水灰比，與極差分析法分析的結(jié)果一致。具體結(jié)果如表5所示。

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)分析，水灰比、砂率、骨料粒徑三影響因素對(duì)透水混凝土28 d的單軸抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)椋荷奥?骨料粒徑>水灰比，且砂率和骨料粒徑對(duì)強(qiáng)度的影響均達(dá)到顯著水平，水灰比未達(dá)到顯著水平，但它的均方差比誤差的均方差要大得多。

(2)水灰比、砂率、骨料粒徑三影響因素對(duì)透水混凝土的透水系數(shù)的影響主次順序?yàn)椋荷奥?骨料粒徑>水灰比，砂率達(dá)到顯著水平，骨料粒徑和水灰比未達(dá)到顯著水平。

(3)通過對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行分析，得到透水混凝土最優(yōu)組合：砂率3 %，骨料粒徑10～15 mm，水灰比0.30，為透水混凝土在隧底深埋水溝的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。

表4 抗壓強(qiáng)度方差分析

表5 透水系數(shù)方差分析

(4)在工程實(shí)踐中，影響透水混凝土性能的影響因素還包括：攪拌方式、骨料種類、硅灰和粉煤灰摻量等多種因素，本文的研究方法為透水混凝土的進(jìn)一步研究提供參考。