水泥含量对贫混凝土强度的影响机理及其应用

陈真锋

(兴锋盈(福建)集团有限公司，福建 福州 350001)

贫混凝土是广泛地指由粗细骨料和少量的水泥和水拌合在一起的一种混凝土[1- 3]，按照不同的施工工艺，可以将其大致地分为碾压混凝土和塑性混凝土[4- 6]，研究表明其具有较好的强度刚度，其抗冲刷抗冻性能较好，具有很好的整体性，因此其应用范围越来越广泛[7- 10]。

某面板堆石坝水库坝址区右岸边坡存在一陡坎，为了防止由于该陡坎而引起右岸滑坡，对大坝安全运行产生影响，需要对该陡坎进行处理。一般而言是通过回填混凝土的方法对该陡坎进行回填，然而由于方量较大，在经济上不够合理，如果仅仅回填土石材料，在安全上又行不通。由于贫混凝土水泥含量较少，发热量少能够减少内部温度应力，适合快速施工缩短工期，并且其强度相对于一般的土石材料而言比较高，因此拟采用回填贫混凝土的方法对该陡坎进行处理。

为了探索水泥含量对贫混凝土强度的影响机理，本文通过对不同水泥含量的贫混凝土进行三轴试验，得到贫混凝土的抗剪强度参数，分析水泥含量对贫混凝土强度的影响机理，并通过数值模拟得出陡坎能够满足抗滑稳定条件的最佳水泥含量，以期为该工程的处理提供参考借鉴。

1 试验材料与试验方法

某拟建面板堆石坝经过前期勘察发现在坝址区右岸存在一较陡边坡，如果采用回填混凝土的方法进行处理，由于回填混凝土方量巨大，不利于投资，结合当地土料情况，拟通过利用当地土石材料拌制贫混凝土对该陡坎进行回填。试验拌制贫混凝土所用砂石为取自当地的土石料场，其最大粒径不超过5mm，因此将其简要地分为两个级配区间，分别是小于2mm的砂及2～5mm小石子，试验所用水泥为普通硅酸盐水泥P.O32.5。

为给数值模拟提供计算参数，本次试验为三轴剪切试验，更好地模拟现场回填后陡坎的抗滑稳定情况，剪切方式为不固结不排水剪切试验(UU剪)。试样直径为61.8mm，试样高度为124mm，分3层制样，层与层之间需要抛锚再填筑下一层，试验围压分别为100、200、300、400kPa，试验仪器为应变式三轴剪切仪。为了探讨每立方米水泥含量对贫混凝土强度的影响，本次试验把水泥含量定为单一变量，进行了4组试验，水泥含量依次为0、10、20、30kg/m3，标准养护7d后进行试验，本次贫混凝土强度试验配合比见表1。

表1 贫混凝土抗剪强度试验配合比 单位：kg/m3

2 试验结果与分析

通过整理三轴不固结不排水剪切试验数据，不同水泥含量的贫混凝土的抗剪强度参数值见表2。由表2的数据结果可以得知，水泥含量为0时，对应的是天然的土料的抗剪强度，可以得知该土料的天然抗剪强度比较低。随着水泥含量的增加，贫混凝土的粘聚力和内摩擦角都会增加。

表2 不同水泥含量的贫混凝土抗剪强度参数

图1为贫混凝土的抗剪强度参数随着水泥变化的关系曲线。

图1 贫混凝土抗剪强度值随水泥含量变化的关系曲线

由图1(a)可知未掺水泥的贫混凝土即天然状态的土料其粘聚力只有10.1kPa，随着试样中水泥含量的增加，其粘聚力呈现近似线性地增长，当水泥含量为30kg/m3时，其粘聚力为26.9kPa，是没有掺水泥之前的2.66倍，由此我们可以知道，水泥含量的增加为其粘聚力的增长起到了至关重要的作用。这是由于水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙等化合物与水发生水化反应，生成了钙矾石等胶结体，由于水泥是比较均匀地分布在试样里面，当水泥含量达到一定程度时，其水化后生成的胶结物能够相互连接，形成一定的骨架，在一定程度上能够把粗细集料连接在一起，形成具有一定强度的胶结产物，因此由于水泥的水化作用，在很大程度上提高了贫混凝土的粘聚力。

由图1(b)可知，当没有掺入水泥时，天然土料的内摩擦角为16.1°；当水泥含量为10kg/m3时，其内摩擦角增加到了24°，其值增加了49%。随着水泥含量的增加，其内摩擦角的增长率越来越大。当水泥含量为30kg/m3时，其内摩擦角为45.2°，其值是天然土料的2.81倍，强度得到了大幅度的增加。出现这样现象的原因是当水泥含量较小时，虽然水泥水化作用后能够形成一定的胶结物，但是由于水泥含量较小，形成的胶结物相互之间没有很强的连接作用，整个试样不能胶结成为一个整体，因此在水泥含量较低时，其内摩擦角的增长率不是很大；随着水泥含量的继续增加，由水泥水化产生的胶结物不仅能把附近的粗细集料胶结在一起，同时分布在试样内部的胶结块体之间也能够形成较强的胶结作用，能够把整个试样胶结成一个整体，因此其内摩擦角得到了大幅度的增加。

3 数值模拟与结果分析

图2为根据该陡坎的典型断面建立的模型，利用上述试验所得到的不同水泥含量的贫混凝土抗剪强度参数值，通过Geo-studio有限元分析软件中的Slope模块模拟处理该陡坎后的抗滑稳定安全系数图。

图2(a)为水泥含量为0时利用碾压贫混凝土加固的边坡的最危险滑面及其抗滑稳定安全系数，当贫混凝土中水泥含量为0即采用天然的土料回填碾压的加固效果，其最小抗滑稳定安全系数为0.864。由(a)图我们可以看到该陡坎的典型断面，蓝色的楔形块体为模拟碾压的贫混凝土。由图可知最危险滑面主要是穿过了天然土料的回填区，这说明利用天然土料进行回填的方法是行不通的，不仅仅不能够处理整个边坡的稳定问题，连回填区的稳定都不能够保证。

图2(b)为水泥含量为10kg/m3时利用碾压贫混凝土加固的边坡的最危险滑面及其抗滑稳定安全系数，由图可知其最小抗滑稳定安全系数为1.236，基本能够保证加固之后边坡的抗滑稳定问题，其最危险滑面贯穿了回填区的土体，由于边坡的滑动总是从最薄弱的地方发生的，这说明水泥含量为10kg/m3的贫混凝土其加固效果不能够很好的处理该处陡坎。

图2 不同水泥含量贫混凝土加固边坡安全系数

图2(c)为水泥含量为20kg/m3时利用碾压贫混凝土加固的边坡的最危险滑面及其抗滑稳定安全系数，由图可知其最小抗滑稳定安全系数为1.536，能够保证整个陡坎以及整个边坡的安全稳定，而且其最小滑弧主要是位于原边坡内，这说明已经达到了陡坎的加固效果。

图2(d)为水泥含量为30kg/m3时利用碾压贫混凝土加固的边坡的最危险滑面及其抗滑稳定安全系数，由图可知其最小抗滑稳定安全系数为1.598，由此可知经过该贫混凝土加固处理后的陡坎以及该边坡整体都能够满足抗滑要求。

对比图2(a)至(d)，可以发现随着贫混凝土中水泥含量的增加，加固该陡坎后边坡的整体抗滑稳定安全系数在逐渐提高，但是提高的幅度却在减小，水泥含量从0增加到10kg/m3时，安全系数增加了37.2%；水泥含量从10kg/m3增加到20kg/m3时，安全系数增加了24.5%；水泥含量从20kg/m3增加到30kg/m3时，安全系数增加了4.0%。这是由于水泥含量增大后，贫混凝土的强度已经足够大了，影响该边坡稳定的主要因素在于原始的岩体抗剪强度而不是回填的贫混凝土的抗剪强度。因此，从方案安全可行以及经济合理的角度考虑，本次回填陡坎所用的贫混凝土的水泥含量为20kg/m3。

4 结论

本文通过开展不同水泥含量贫混凝土的三轴不固结不排水剪切试验，得到不同水泥含量贫混凝土的抗剪强度参数值，利用Geo-studio有限元软件模拟贫混凝土回填边坡陡坎，得到的结论如下。

(1)贫混凝土强度会随着水泥含量的增加而大幅度的增加，这是由与水泥水化作用把粗细集料胶结成整体，提高了其抗剪强度。

(2)不同水泥含量的贫混凝土回填边坡陡坎后，边坡的最小抗滑稳定系数逐渐加大，这是由于贫混凝土已有足够强度，能够保证陡坎以及整个边坡的稳定性。

(3)当水泥含量为20kg/m3时，回填该边坡上的陡坎能够起到最优的效果。