動應力衰減對膠凝砂礫石各凝期強度的影響

金小磊,黃永金,袁 華

(湖北鼎信工程質量檢測有限公司,湖北 荊門 448000)

0 引 言

膠凝砂 礫石材料(也稱Hardfill材料)是在天然砂礫石中摻入少量的膠凝材料(如水泥)和水簡易拌合而成的復合材料,可視作干貧的混凝土材料,是一種筑壩新材料。國內采用膠凝砂礫石筑壩技術已成功應用與多座臨時性建筑,當前第一座膠凝砂礫石永久工程是山西守口堡水庫大壩。國內外學者對膠凝砂礫石材料也有許多研究[1]。馮煒等系統研究了膠凝砂礫石材料配合比設計中各參數對其強度的影響,并推薦了適用于膠凝砂礫石工程的配合比設計范圍;劉錄錄等通過正交試驗設計配合比,得到了膠凝砂礫石抗壓強度在水膠比1.2、細料含量25%-30%之間時最大;賈金生等闡述了膠凝砂礫石的起源和發展情況;劉漢龍綜述了國內外土動力學與巖土地震工程方面的研究進展;Alabi B.A分析了振動荷載與地面應變的影響;黃理興闡述了巖石動力學研究成就與趨勢;彭偉等探討了鐵路路基動應力計算方法及沿深度衰減規律。文章主要研究了實際施工中振動壓路機動荷載衰減對膠凝砂礫石強度的影響,對同一動荷載不同凝期強度和動荷載衰減對不同凝期強度試驗結果進行了分析,得出了動荷載衰減對膠凝砂礫石強度的影響規律,為膠凝砂礫石在施工過程中的質量控制提供理論依據和技術支撐[2-4]。

1 試驗原材料及方案

1.1 試驗原材料

水泥 采用山峽牌P·O42.5 水泥,水為普通自來水,天然砂礫石采用湖北某地區天然砂礫石混合料,顆粒分析試驗結果見表1,其不均勻系Cu=18,曲率系數Cc=1.02 ,屬于級配良好,其中<0.075mm的顆粒含量為1.16%。

表1 天然砂礫石顆粒級配

1.2 振動壓路機激振力及其隨深度衰減規律

本次試驗選取25t全液壓串聯振動壓路機,在低頻下工作參數見表2,其產生的激振力為213.52kN;壓路機動應力隨深度衰減規律見圖1,擬合得衰減公式y=-1.125ln(x) + 6.1754。

圖1 動應力隨深度衰減曲線

表2 振動壓 路機低頻工作參數

1.3 試驗配合比

參考《水工混凝土試驗規程》,試驗室內用維勃 稠度儀測定VC值(即工作度),將拌合物通過40mm的篩子,將篩余部分分三層裝入維勃稠度儀的容器中,每層用搗棒插搗25 下,然后將容器固定在儀器的振動臺上,開始測量拌合物的VC值,各水膠比下VC值見表3。

表3 不同水膠比下的VC值

表4 膠凝砂礫石凝結時間

根據規范得干硬性混凝土VC值適宜在5-25s范圍內。在水膠比1.0時,VC值為20.5s,此時拌合物稠度不佳;當水膠比1.2 時,VC值為12.1s,此時拌合物稠度較好;當水膠比為1.5時,VC值 為4.7s,此時由于水量較多,漿液流 失較大。最終優選配合比為水泥用量60kg/m3、水膠比為1.2。

1.4 試驗方案

在已知膠凝砂礫 石配合比和初終凝時間關系的基礎上按規范制樣,參考現場施工進度將膠凝砂礫石的初終凝 區間分成若干時間段。動荷載對膠凝砂礫石材料作用分兩種情況:在施工間斷時,同一荷載對不同凝期材料強度的影響,參考《土工試驗規程》相對密度試驗,試驗加荷載14kPa,對膠凝材料不同凝期進行振動破壞;在連續施工時,材料的凝結時間結合現場施工進度(每2h鋪筑一層,每層鋪筑0.4m),參考激振力隨深度衰減,對膠凝材料不同凝期加不同荷載進行振動破壞。實驗前剔除砂礫石料中>80mm的骨料,加入水泥和水與 膠凝砂礫石混合料均勻拌合,然后將其分三層裝入邊長 250mm的試模中,每層振搗后擊實,擊實功 0.537J/cm3,加荷振動 后一天脫模養護,試件上下均用棉布覆蓋,養護溫度為20±2℃,每天灑水養護,測試試件3d、7d、28d齡期的抗壓強度[5-7]。

2 實驗結果與分析

2.1 膠凝砂礫石的凝結時間

膠凝砂礫石材料凝結時間的測定參考《水工混凝土試驗規程》,碾壓混凝土拌合物凝結時間試驗(貫入阻力法)。實驗結果見表5,測得初凝時間和終凝時間分別為360min和1810min。

表5 同一動荷載作用 下試件抗壓強度

2.2 同一激振力對膠凝材料不同凝期強度的影響

試驗模擬在施 工間斷時,同一荷 載對膠凝 砂礫石不同凝結時間段強度 的影響,參考《土工試驗規程》相對密度 試驗,試驗 加載14kPa,對膠凝砂礫石材料不同凝期進行振動破壞,脫模養護,測試試件3d、7d、28d齡期的 抗壓強度。試驗結果見表5,同一動荷載作用下試件抗壓強度。

由圖表可得,在各試驗時間段上3d的抗壓強度在初凝前3h點較對照組有所提升,是對照組的102.4%,此時試樣處于初凝前期,振動荷載使得試樣更加密實;從初凝點往后直到終凝后8h,3d的抗壓強度隨著凝結時間的推移越來越低,在終凝8h點時,抗壓強度只有對照組的67.3%,此段由于試樣處于氧化凝結區間,振動所產生的動應力對試樣內部結構破壞導致3d抗壓強度的降低;在終凝后16h點時,3d的抗壓強度是對照組的91.8%,此時由于試樣處于終凝后,試樣形成的整體結構足以抵抗動應力的破壞;7d的抗壓強度在初凝點之前較對照組相差不大,在97%以上;從初凝8h點到終凝8h點這段區間上,試樣的抗壓強度隨著凝結時間的推移而降低,在初凝點時,7d的抗壓強度是對照組的97.2%,此點試件的自愈能力強,在終凝8h點上,7d的抗壓強度僅是對照組的67.2%,此點試件的自愈能力弱;在終凝后16h點,7d的抗壓強度是對照組的96.3%,此時結構整體性較強并未受到破壞;28d的抗壓強度在初凝點之前較對照組相差不大,在97%以上;在初凝后8h到終凝后8h這段區間,試樣的抗壓強度隨著凝期的增加而降低,在初凝8h點,28d的抗壓強度是對照組的88.7%,終凝后8h點抗壓強度僅有對照組的71%,此段區間試樣的結構遭到破壞,試樣的自愈能力不高。在終凝后16h時點,28d的抗壓強度與對照組相差不大,是對照組的94.8%。在同一動荷載作用下,初凝前3h點和初凝點在28d的抗壓強度與對照組相差不大,均>95%;在初凝后8h點,28d的抗壓強度是對照組的89%;終凝后8h點,28d的抗壓強度是對照組的71%,而在終凝后16h點,28d的抗壓強度是對照組的99%。所以施工過程中應盡量避開初凝后8h到終凝后8h這段24h區間,若施工條件不允許,可加適量緩凝劑調節,或待終凝8h后繼續施工,此時需對結合面進行冷縫處理[8-9]。

2.3 動應力衰減過程對膠凝材料不同凝期強 度的影響

試驗模擬連續施工時,材料的凝結時間與施工深度結合現場施工進度(每2h鋪筑一層,每層鋪筑0.4m),參考圖1動應力隨深度衰減曲線,振動壓路機動荷 載向下傳遞是衰減的,動荷載向下傳遞時,每層膠凝材料所對應的凝期不同,對膠凝材料不同凝期加不同荷載進行振動破壞見表6。振動時間取VC值的2～3倍,脫模養護,測試試件3d、7d、28d齡期的抗壓強度。試驗結果見表7,動應力衰減對膠凝材料不同凝期試件抗壓強度 。

表6 試驗模 擬施工進度表

表7 動應力衰減對膠凝材料不同凝期試件抗壓強度

由表7可得,在初凝前2h點時,3d的抗壓強度是對照組的102.4%,7d的抗壓強度是對照組的101.9%,28d的抗壓強度是對照組的101.6%,此時對應的荷載為119kPa、施工深度0.8m,由于在高應力下且試樣處于初凝之前,使得試樣密實程度提高,后期強度較對照組有所提高;在初凝點時,3d的抗壓強度是對照組的94.3%,7d的抗壓強度是對照組的99.6%,28d的抗壓強度是對照組的100.2%,此時對應的荷載為83.1kPa,施工深度1.2m,由于試樣處于初凝點,前期的破換能夠伴隨齡期自愈恢復;在初凝8h點,3d的抗壓強度是對照組的67.8%,7d的抗壓強度是對照組的75.2%,28d的抗壓強度占對照組的82.6%,此時對應的施工厚度和荷載為2.8m和20.1kPa,由于膠凝砂礫石材料處于水化凝結區間,膠凝材料內的膠結顆粒被振動破壞,自愈能力無法滿足抗壓強度要求;在初凝后12h點, 3d的抗壓強度是對照組的87.8%,7d的抗壓強度是對照組的91.8%,28d的抗壓強度占對照組的90.8%,此時對應的荷載和施工深度為9.87kPa和3.6m;在初凝16h之后,3d、7d、28d的試件抗壓強度均在對照組的95%以上,此時對應的荷載為4.85kPa,施工深度4.4m,由于施工深度的增加和荷載的衰減,在膠凝砂礫石靠近終凝時已經具有一定的強度,這強度足以抵抗衰減下來的動應 力,從而保 證結構的完整。所以在施工過程中,在初凝4h時,鋪筑厚度至少需達到4.4m(可采用分塊施工),或在初凝16h后繼續施工,可以避免施工時動荷載對下層材料的破壞。

3 結 論

1)對于間斷施工時同 一動應力作用下的膠凝砂礫石材料,初凝后8h點的28d抗壓強度是對照組的89%,終凝后8h點的28d抗壓強度時對照組的71%?，F場間斷施工時應避開初凝后8h到終凝后8h這一施工 區間,若施工條件不允許,可加適量緩凝劑調節凝結時間,待終凝8h后繼續施工,此時需對結合面進行冷縫處理。

2)對于連續施工時動應力衰減對不同凝期的膠凝砂礫石材料,在初凝8 h點28d的抗壓強度是對照組的84%,此時對應的施工厚度和應力值分別為2.8m和20.1kPa。綜合分析,在初凝4h,鋪筑厚度至少需達到4.4m,結合施工進度可采用分塊施工工藝;或在初凝16h后繼續施工,需對結合面進行冷縫處理,可以避免施工時動荷載對下層材料的破壞。