輕質混凝土在破碎巖質邊坡支護中的應用與性能分析

闕陳燕,林 福,陳善良

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

破碎巖質在人為擾動或者降雨、地震等自然因素影響下極易發生危巖崩塌、邊坡滾落石和局部溜塌的災害,這些災害給破碎巖質區域的城鎮、礦山以及高速公路等都帶來了極大的安全隱患。目前已有多種多樣的邊坡支護技術應用到實際工程中,如排樁支護、錨桿框架梁支護、擋土墻支護等。但應用的依舊多為傳統的現澆混凝土護坡結構和加固技術,不僅施工工程量大、施工工期長、材料搬運困難大,并且無法做到對邊坡邊開挖邊支護[1-2]。因此,提出將輕質混凝土應用到破碎巖質邊坡支護工程中,設計組合護坡節點結構,優化混凝土配合比,經過數值模擬與承載試驗驗證,得到質輕、高強的預制裝配式邊坡支護結構。輕質混凝土護坡構件的質量顯著減小,且承載能力有保障,安裝便捷、高效,大大節省了人力物力。將輕質混凝土護坡構件工廠化生產后運輸到現場,可實現邊開挖邊支護。保障破碎巖質邊坡支護效果的同時顯著縮短施工周期。

1 輕質混凝土概況

1.1 輕質混凝土材料性能

1.1.1質輕

輕質混凝土又名泡沫混凝土,在建筑工程中應用廣泛,主要由發泡劑、膠凝材料、水和減水劑等材料組成。輕質混凝土是將空氣、氧氣、氮氣等氣體在砂漿混合物攪拌過程中引入混凝土漿體中,從而在內部隨機形成大量細小的封閉氣孔的混凝土制品[3]。因此與普通混凝土相比,其密度較低、質量較輕,采用輕質混凝土可降低建筑物對地基的重力,不僅可降低人力、物力的支出,基礎成本也隨之降低。

1.1.2保溫隔熱性好

由于制備輕質混凝土時引入了大量的泡沫,制備完成后其內部充滿了大小適中、分布均勻的空隙?？諝獗旧淼膶嵯禂递^小,且孔隙是封閉的,很難形成對流傳熱,無法將熱量大量傳遞出去,因此,孔隙中空氣的存在使得其保溫隔熱性能較好。建筑領域也常將輕質混凝土作為一種保溫材料應用。

1.1.3施工便捷

輕質混凝土施工流程較為簡單、所用施工周期短,還可現場澆筑使用,可顯著提升破碎巖質地區邊坡治理效果,減少邊坡的沉降量,增強邊坡的完整性和耐用性。輕質混凝土中礦物摻合料的活性成分能夠與混凝土中的氫氧化鈣發生反應生成凝膠,使得漿料之間緊密粘接,從而增強輕質混凝土的抗壓強度[4-5]。

1.1.4強度低

輕質混凝土也存在一些缺點,如混凝土表面易開裂、吸水、強度低等。輕質混凝土的抗折、抗壓強度都不如普通混凝土,這也使其使用受到了一定局限。同時在外界溫度、載荷等因素的影響下,也容易出現一定程度的微裂紋和損傷。

1.2 輕質混凝土材料的發展前景

輕質混凝土保溫隔熱、節約能源的優點,使其在提倡綠色節能的今天,輕質混凝土相關產品如輕質混凝土墻板、輕質混凝土砌塊、輕質混凝土耐火保溫制品以及輕質混凝土現澆市場的發展必將更加廣闊。由于該材料的強度較低,實際工程中使用容易出現裂縫,而環氧樹脂膠粘劑是混凝土防護與修復工作中應用非常廣泛的一種膠粘材料,膠粘材料與輕質混凝土的結合使用也是一大趨勢。如BE14耐潮濕無溶劑型環氧底漆,可直接涂裝在濕的或干的混凝土表面,無有害揮發物,具有優異的基底和內層粘附力,可發揮超強的防水、防蝕和保護作用[6];PU-20高黏度環保膠水,是可用于混凝土的防滲堵漏粘合劑,是聚氨酯、環氧群和醚的聚合物,與水起反應逐漸達到高彈性,用于裂縫處可防止水的滲透?？梢?環氧樹脂膠粘劑的應用可顯著提升混凝土材料的承載能力、抗滲透能力以及延長其使用壽命等,可促進其在更多領域的應用[7]。

1.3 輕質混凝土在工程中的應用

可將輕質混凝土用于高速鐵路陡坡路基工程中,減小路基的沉降值,較好的控制支擋結構的側向變形,減小路基橫向差異沉降等,解決高速鐵路陡坡路基施工的技術難題?？刹捎幂p質混凝土進行山區公路高陡邊坡路基填筑,增強路基抗滑穩定性,減少對生態環境的破壞、縮短工期。同時,在實際的邊坡支護技術應用過程中,往往先需要修坡,由于邊坡的巖層已經破碎,修坡的難度較大,容易出現局部垮塌的現象,不利于坡面的平整。設計時盡量規避風化嚴重、巖體破碎的區域,保障施工人員安全[8]。

2 輕質混凝土邊坡支護組合式節點設計

2.1 裝配式組合護坡節點結構設計

節點是連接整個邊坡支護工程的關鍵,與邊坡支護結構的穩定性有著密切關聯。該裝配式組合結構分為上、下兩層,節點上下部分預留有定位裝置。裝配式護坡節點側視圖如圖1所示[9]。

圖1 裝配式護坡節點側視圖

凹凸碗型的定位設計可以更好連接分層節點,并增加該分層構件的抗滑移效果。構件中留有一個直徑為86 mm的錨孔,錨孔中嵌有一個內徑為76 mm的套筒。構件之間的連接可靠程度是決定邊坡支護結構整體支護能力的重要因素。在復雜的邊坡支護工程中,一個便捷、靈活、可靠的支護構件連接方式,可直接縮減施工周期,因此,該支護結構設計中采用高強螺栓預緊鋼板的連接方式,以適應復雜的邊坡情況。螺栓連接構件主要由15 mm厚的連接鋼板、10 mm厚的壓塊、螺桿和螺帽組成[10-11]。

2.2 輕質化泡沫配合比設計

根據“強度弱化”原理進行輕質混凝土材料的配比,先制作強度等級為C50的混凝土試樣和高強度的輕質混凝土試樣,然后不斷增加發泡劑以不同體積的泡沫代替原有的粗骨料。該試驗初步確定C50混凝土的各種材料配合比為水∶水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶外加劑=1.6∶4.6∶0.5∶6.78∶1.06∶0.1,C50混凝土的水膠比為0.3。根據現有研究結果中水灰比、膠體用量等比例對混凝土的力學性能的影響程度,在該配合比的基礎上對輕質混凝土的配合比進行了調整,并按照輕質混凝土填筑相關技術規程制備輕質混凝土試樣,制備流程如圖2所示。

圖2 輕質混凝土的制備流程

將制得的輕質混凝土試樣進行抗壓強度、抗折性能、導熱系數等測試,依據測試結果調整與優化原材料的配合比。調整后的輕質混凝土水膠比為0.2,泡沫摻入體積量為5 L,最佳的試驗配合比為水∶水泥∶砂∶礦粉∶減水劑=1.6∶5.4∶9.6∶2.6∶0.18。制得的輕質混凝土的強度高達41 MPa,密度為2.0×103kg/m3[12-13]。

2.3 數值模擬

組合護坡節點結構和輕質混凝土配合比確定之后,借助ABAQUS工程模擬的有限元軟件,以其豐富的材料模型庫對邊坡支護構件進行分層建模,模擬在外力作用下邊坡支護工程材料的性能和構件受力情況,如節點結構整體切面、局部碗口抗滑移處、鋼板連接處局部的應力大小與分布[14]。該試驗輕質混凝土模型采用C40 混凝土進行折減,僅改變強度。其中構件連接所用的螺桿和鋼板按照Q345 鋼材進行建模。建模所用參數取值如表1所示。

表1 建模所用參數取值表

利用ABAQUS軟件模擬護坡節點結構的受力情況,通過觀察與分析構件整體和不同部位的應力分布云可以得出,節點結構在錨索錨固局部范圍內呈現應力顯著增大的情況[15]。在護坡結構中,節點是錨索張拉和封錨的位置,幾乎承擔了錨索的全部預應力荷載。錨固區又是混凝土構件中承受錨具傳來的預加力的構件區段,是節點的核心受力部位。因此在混凝土護坡節點結構設計中,將錨孔區做了局部加強,提高了配筋率,以混凝土構件的強度。

3 承載性能試驗結果與分析

3.1 試驗概況

為進一步探究輕質混凝土構件上下層的整體性和破壞形式,利用與實際邊坡支護工程中所用構件相同尺寸的節點構件,進行節點承載性能試驗。對于輕質混凝土構件,每次增加100 kN的荷載,探究0～500 kN荷載之間構件的撓度變化,每級荷載持荷8 min。400 kN增加至500 kN時,先增加至450 kN持荷8 min,然后再增加至500 kN;得出的節點加載全程的荷載-撓度曲線如圖3所示。同時記錄每增加100 kN荷載時節點的破壞情況和裂縫的發展情況,推理混凝土構件的破壞形式。

圖3 輕質混凝土構件荷載-撓度曲線

3.2 試驗現象

在荷載加載至150 kN之前,輕質混凝土護坡節點構件沒有明顯損壞趨勢;當加載至150 kN時,開始出現明顯的損壞現象,在上層十字節點頂部出現了一條裂縫,裂縫有緩慢發展趨勢;加載至250 kN時,上層十字節點的側面也出現了裂縫;在400 kN 加載至500 kN過程中,裂縫由上層十字節點側面的中部延伸到了側面的底部,且加載至設定的最大荷載時,上層十字節點所產生的裂縫最大可達0.7 mm,下層節點頂面也開始出現損壞現象。在500 kN荷載時撓度最大,為5.508 mm。整個試驗中沒有達到混凝土構件的最大承載力,裂縫開展較少,在達到屈服狀態后仍能吸收一定能量,避免脆性損壞的發生,良好的延性可較好保證邊坡支護工程中混凝土構件的安全性[16-17]。

雖然混凝土護坡節點構件出現的裂縫和撓度在可允許范圍內,能夠滿足正常承載力要求,但混凝土構件是在破碎巖質、環境惡劣的野外工作,裂縫的存在勢必會加快構件中鋼筋的氧化速度,影響邊坡支護工程的防護效果。因此在生產過程中應加強輕質混凝土構件表面的防水性能,增強構件的使用壽命。在后期的應用過程中,應加強對混凝土護坡結構的經常性養護和破壞后的修復。

3.3 環氧樹脂膠粘劑的修復工藝

可使用復合型環氧樹脂膠粘劑對混凝土裂縫進行修復,修復工藝流程如下:

(1)清縫:首先將混凝土裂縫中的灰塵、砂礫等雜質清除干凈。不易清潔的小縫隙,可用水或吹風機進行清除,以更好發揮膠粘劑超強的附著力;

(2)埋設漿嘴:一般將漿料噴嘴埋在混凝土裂縫較寬處、交錯處和裂縫端部等,需結合漿料的黏度、設備壓力以及裂縫特性等因素確定噴嘴的間距,工業領域漿料噴嘴的間距大多在0.4～2.0 m;

(3)糊縫:給漿料施加一定的壓力,避免環氧樹脂漿料泄漏的同時,還可使漿料達到混凝土裂縫深處;

(4)注膠:將復合型環氧樹脂膠粘劑放入罐中,并用氣泵向罐施加壓力,以使膠粘劑流過軟管進行注膠。一條裂縫上的注膠可由淺到深、由上而下,從裂縫的一端到另一端。以較低的壓力和較長的注膠時間可獲得更好的注膠效果;

(5)可采用巖心鉆孔法檢驗膠粘劑是否充滿裂縫。膠粘劑修復達到要求后,拆除漿嘴,抹平糊縫,即可完成以環氧樹脂膠粘劑對混凝土裂縫的修復流程[18-19]。

4 結語

輕質混凝土護坡節點結構采用分層設計,相比于普通混凝土,構件施工質量得到明顯減輕。構件的定位連接方式可更好地將分層節點疊合,提升施工效率和質量。通過調整水膠比、膠體總量等,得到最佳試驗配合比,水∶水泥∶砂∶礦粉∶減水劑=1.6∶5.4∶9.6∶2.6∶0.18。輕質混凝土構件在荷載不斷增加過程中,裂縫產生較少,構件延性較好,在實際的邊坡支護工程中應用建議做好防水和修復措施,以提高輕質混凝土構件的耐久性[20]。