动应力衰减对胶凝砂砾石各凝期强度的影响

金小磊,黄永金,袁 华

(湖北鼎信工程质量检测有限公司,湖北 荆门 448000)

0 引 言

胶凝砂 砾石材料(也称Hardfill材料)是在天然砂砾石中掺入少量的胶凝材料(如水泥)和水简易拌合而成的复合材料,可视作干贫的混凝土材料,是一种筑坝新材料。国内采用胶凝砂砾石筑坝技术已成功应用与多座临时性建筑,当前第一座胶凝砂砾石永久工程是山西守口堡水库大坝。国内外学者对胶凝砂砾石材料也有许多研究[1]。冯炜等系统研究了胶凝砂砾石材料配合比设计中各参数对其强度的影响,并推荐了适用于胶凝砂砾石工程的配合比设计范围;刘录录等通过正交试验设计配合比,得到了胶凝砂砾石抗压强度在水胶比1.2、细料含量25%-30%之间时最大;贾金生等阐述了胶凝砂砾石的起源和发展情况;刘汉龙综述了国内外土动力学与岩土地震工程方面的研究进展;Alabi B.A分析了振动荷载与地面应变的影响;黄理兴阐述了岩石动力学研究成就与趋势;彭伟等探讨了铁路路基动应力计算方法及沿深度衰减规律。文章主要研究了实际施工中振动压路机动荷载衰减对胶凝砂砾石强度的影响,对同一动荷载不同凝期强度和动荷载衰减对不同凝期强度试验结果进行了分析,得出了动荷载衰减对胶凝砂砾石强度的影响规律,为胶凝砂砾石在施工过程中的质量控制提供理论依据和技术支撑[2-4]。

1 试验原材料及方案

1.1 试验原材料

水泥 采用山峡牌P·O42.5 水泥,水为普通自来水,天然砂砾石采用湖北某地区天然砂砾石混合料,颗粒分析试验结果见表1,其不均匀系Cu=18,曲率系数Cc=1.02 ,属于级配良好,其中<0.075mm的颗粒含量为1.16%。

表1 天然砂砾石颗粒级配

1.2 振动压路机激振力及其随深度衰减规律

本次试验选取25t全液压串联振动压路机,在低频下工作参数见表2,其产生的激振力为213.52kN;压路机动应力随深度衰减规律见图1,拟合得衰减公式y=-1.125ln(x) + 6.1754。

图1 动应力随深度衰减曲线

表2 振动压 路机低频工作参数

1.3 试验配合比

参考《水工混凝土试验规程》,试验室内用维勃 稠度仪测定VC值(即工作度),将拌合物通过40mm的筛子,将筛余部分分三层装入维勃稠度仪的容器中,每层用捣棒插捣25 下,然后将容器固定在仪器的振动台上,开始测量拌合物的VC值,各水胶比下VC值见表3。

表3 不同水胶比下的VC值

表4 胶凝砂砾石凝结时间

根据规范得干硬性混凝土VC值适宜在5-25s范围内。在水胶比1.0时,VC值为20.5s,此时拌合物稠度不佳;当水胶比1.2 时,VC值为12.1s,此时拌合物稠度较好;当水胶比为1.5时,VC值 为4.7s,此时由于水量较多,浆液流 失较大。最终优选配合比为水泥用量60kg/m3、水胶比为1.2。

1.4 试验方案

在已知胶凝砂砾 石配合比和初终凝时间关系的基础上按规范制样,参考现场施工进度将胶凝砂砾石的初终凝 区间分成若干时间段。动荷载对胶凝砂砾石材料作用分两种情况:在施工间断时,同一荷载对不同凝期材料强度的影响,参考《土工试验规程》相对密度试验,试验加荷载14kPa,对胶凝材料不同凝期进行振动破坏;在连续施工时,材料的凝结时间结合现场施工进度(每2h铺筑一层,每层铺筑0.4m),参考激振力随深度衰减,对胶凝材料不同凝期加不同荷载进行振动破坏。实验前剔除砂砾石料中>80mm的骨料,加入水泥和水与 胶凝砂砾石混合料均匀拌合,然后将其分三层装入边长 250mm的试模中,每层振捣后击实,击实功 0.537J/cm3,加荷振动 后一天脱模养护,试件上下均用棉布覆盖,养护温度为20±2℃,每天洒水养护,测试试件3d、7d、28d龄期的抗压强度[5-7]。

2 实验结果与分析

2.1 胶凝砂砾石的凝结时间

胶凝砂砾石材料凝结时间的测定参考《水工混凝土试验规程》,碾压混凝土拌合物凝结时间试验(贯入阻力法)。实验结果见表5,测得初凝时间和终凝时间分别为360min和1810min。

表5 同一动荷载作用 下试件抗压强度

2.2 同一激振力对胶凝材料不同凝期强度的影响

试验模拟在施 工间断时,同一荷 载对胶凝 砂砾石不同凝结时间段强度 的影响,参考《土工试验规程》相对密度 试验,试验 加载14kPa,对胶凝砂砾石材料不同凝期进行振动破坏,脱模养护,测试试件3d、7d、28d龄期的 抗压强度。试验结果见表5,同一动荷载作用下试件抗压强度。

由图表可得,在各试验时间段上3d的抗压强度在初凝前3h点较对照组有所提升,是对照组的102.4%,此时试样处于初凝前期,振动荷载使得试样更加密实;从初凝点往后直到终凝后8h,3d的抗压强度随着凝结时间的推移越来越低,在终凝8h点时,抗压强度只有对照组的67.3%,此段由于试样处于氧化凝结区间,振动所产生的动应力对试样内部结构破坏导致3d抗压强度的降低;在终凝后16h点时,3d的抗压强度是对照组的91.8%,此时由于试样处于终凝后,试样形成的整体结构足以抵抗动应力的破坏;7d的抗压强度在初凝点之前较对照组相差不大,在97%以上;从初凝8h点到终凝8h点这段区间上,试样的抗压强度随着凝结时间的推移而降低,在初凝点时,7d的抗压强度是对照组的97.2%,此点试件的自愈能力强,在终凝8h点上,7d的抗压强度仅是对照组的67.2%,此点试件的自愈能力弱;在终凝后16h点,7d的抗压强度是对照组的96.3%,此时结构整体性较强并未受到破坏;28d的抗压强度在初凝点之前较对照组相差不大,在97%以上;在初凝后8h到终凝后8h这段区间,试样的抗压强度随着凝期的增加而降低,在初凝8h点,28d的抗压强度是对照组的88.7%,终凝后8h点抗压强度仅有对照组的71%,此段区间试样的结构遭到破坏,试样的自愈能力不高。在终凝后16h时点,28d的抗压强度与对照组相差不大,是对照组的94.8%。在同一动荷载作用下,初凝前3h点和初凝点在28d的抗压强度与对照组相差不大,均>95%;在初凝后8h点,28d的抗压强度是对照组的89%;终凝后8h点,28d的抗压强度是对照组的71%,而在终凝后16h点,28d的抗压强度是对照组的99%。所以施工过程中应尽量避开初凝后8h到终凝后8h这段24h区间,若施工条件不允许,可加适量缓凝剂调节,或待终凝8h后继续施工,此时需对结合面进行冷缝处理[8-9]。

2.3 动应力衰减过程对胶凝材料不同凝期强 度的影响

试验模拟连续施工时,材料的凝结时间与施工深度结合现场施工进度(每2h铺筑一层,每层铺筑0.4m),参考图1动应力随深度衰减曲线,振动压路机动荷 载向下传递是衰减的,动荷载向下传递时,每层胶凝材料所对应的凝期不同,对胶凝材料不同凝期加不同荷载进行振动破坏见表6。振动时间取VC值的2～3倍,脱模养护,测试试件3d、7d、28d龄期的抗压强度。试验结果见表7,动应力衰减对胶凝材料不同凝期试件抗压强度 。

表6 试验模 拟施工进度表

表7 动应力衰减对胶凝材料不同凝期试件抗压强度

由表7可得,在初凝前2h点时,3d的抗压强度是对照组的102.4%,7d的抗压强度是对照组的101.9%,28d的抗压强度是对照组的101.6%,此时对应的荷载为119kPa、施工深度0.8m,由于在高应力下且试样处于初凝之前,使得试样密实程度提高,后期强度较对照组有所提高;在初凝点时,3d的抗压强度是对照组的94.3%,7d的抗压强度是对照组的99.6%,28d的抗压强度是对照组的100.2%,此时对应的荷载为83.1kPa,施工深度1.2m,由于试样处于初凝点,前期的破换能够伴随龄期自愈恢复;在初凝8h点,3d的抗压强度是对照组的67.8%,7d的抗压强度是对照组的75.2%,28d的抗压强度占对照组的82.6%,此时对应的施工厚度和荷载为2.8m和20.1kPa,由于胶凝砂砾石材料处于水化凝结区间,胶凝材料内的胶结颗粒被振动破坏,自愈能力无法满足抗压强度要求;在初凝后12h点, 3d的抗压强度是对照组的87.8%,7d的抗压强度是对照组的91.8%,28d的抗压强度占对照组的90.8%,此时对应的荷载和施工深度为9.87kPa和3.6m;在初凝16h之后,3d、7d、28d的试件抗压强度均在对照组的95%以上,此时对应的荷载为4.85kPa,施工深度4.4m,由于施工深度的增加和荷载的衰减,在胶凝砂砾石靠近终凝时已经具有一定的强度,这强度足以抵抗衰减下来的动应 力,从而保 证结构的完整。所以在施工过程中,在初凝4h时,铺筑厚度至少需达到4.4m(可采用分块施工),或在初凝16h后继续施工,可以避免施工时动荷载对下层材料的破坏。

3 结 论

1)对于间断施工时同 一动应力作用下的胶凝砂砾石材料,初凝后8h点的28d抗压强度是对照组的89%,终凝后8h点的28d抗压强度时对照组的71%。现场间断施工时应避开初凝后8h到终凝后8h这一施工 区间,若施工条件不允许,可加适量缓凝剂调节凝结时间,待终凝8h后继续施工,此时需对结合面进行冷缝处理。

2)对于连续施工时动应力衰减对不同凝期的胶凝砂砾石材料,在初凝8 h点28d的抗压强度是对照组的84%,此时对应的施工厚度和应力值分别为2.8m和20.1kPa。综合分析,在初凝4h,铺筑厚度至少需达到4.4m,结合施工进度可采用分块施工工艺;或在初凝16h后继续施工,需对结合面进行冷缝处理,可以避免施工时动荷载对下层材料的破坏。