再生骨料改性土用于水工堤坝芯土的性能试验研究

张奇智

(喀左县水利局,辽宁 喀左 122300)

1 研究背景

降雨是十分普遍的自然现象，同时也是堤坝稳定性的重要影响因素。降雨不仅会改变土石坝的渗流场，同时还会使堤坝的土体软化，使大坝土体的抗剪强度明显降低，并对大坝的稳定性造成负面影响[1]。在降雨初期，雨水的入渗主要发生在堤坝坝坡的表层非饱和区，随着雨水的持续入渗，就会达到饱和区，并直接补充地下水，造成潜水的水面提高，并在堤坝边坡的表层形成暂态饱和区，随着雨水入渗面部位土体的软化，堤坝坝坡的稳定性也会逐渐降低[2]。在我国，江河湖泊堤防以土质为主，强降雨造成的堤坝渗流和滑坡十分频繁，同时也是堤防安全的主要影响因素。当然，要防止堤防的渗流破坏，除了提高工程设计建设标准之外，提高堤坝芯土的抗渗性也是十分重要和有效的途径[3]。随着我国城镇化建设的不断推进，势必会产生大量以砖和混凝土为主的建筑垃圾，而再生骨料就成为上述建筑垃圾回收再利用的重要方式[4]。根据相关研究，在黏土材料中添加一定量的骨料，可以有效改善土体的渗透性和强度。但是对于再生建筑骨料改性土的应用方面尚没有深入研究[5]。

2019年太子河观音阁水库下游段堤防维修养护工程是辽宁省本溪市重点投资的水利工程，主要是对观音阁水库下游42.5 km的河堤进行维修养护，对部分堤段进行加高加固。施工区域内有本溪市城中村改造产生的大量建筑垃圾，可以为堤坝建设提供必要的再生骨料，不仅可以减少取土和建筑垃圾堆放对环境造成的破坏，还可以降低施工成本。因此，本次研究以上述工程为依托，通过试验的方法检测再生骨料改性土的渗流、强度性能以及用于堤坝芯土的可行性。

2 试验设计

2.1 试验材料

试验用的原状土取自项目区的原始土体，属于粉土类型，利用10 mm筛对其进行筛分。经实验室测定其密度为1.82 g/cm3，含水率为10.3%，土粒的相对密度为2.65 g/cm3，塑限为8.6%，液限为19.8%。砖和混凝土等建筑垃圾通过研磨之后获得试验所需的建筑骨料。为了避免骨料粒径差异对试验结果的影响，试验中选择同一批次的建筑垃圾进行研磨。经实验室测定砖骨料和混凝土骨料的比表面积分别为852.3 m2/kg和827.1 m2/kg。由此可见，再生骨料的活性明显强于原状土，可以对土粒产生较强的吸附作用，并可以通过水化反应形成胶凝性水化物，提高改性土的抗渗性[6]。

2.2 试验方案

为了研究两种再生骨料量和主要因素对原状土改性的影响作用，试验中参考相关研究经验，设计了0%、20%、40% 3种不同配比砖骨料和混凝土骨料，并利用正交试验的方法，设计出如表1所示的9种试验方案。

表1 正交试验方案设计

2.3 试验方法

由于原状土为粉土，因此需要在通风处自然风干，并利用5 mm筛进行筛分。按照确定的试验方案配比，量取原状土、砖骨料和混凝土骨料，并按照10%的含水率量取自来水，将材料搅拌均匀后，利用环刀制作直径70 mm，高20 mm的圆柱形试件。

由于试验的改性土渗透性较好，因此采用常水头法进行渗透性试验[7]。试验采用的设备为MST-60型渗透仪，首先将制作好的试样放入仪器的渗透圆筒，并分层填充夯实。向供水瓶中注入自来水，然后打开供水管排除水瓶中的全部空气，调节供水速率和排水速率相同，以3 h为观测时间并记录好渗出水量。

试件的强度试验采用ZJ型电动直剪仪进行，分别对制作的4个试样施加50 kPa、100 kPa、150 kPa 和200 kPa的垂向应力，剪切速率设定为0.8 mm/min。根据试验结果，建立起试样的抗剪强度和竖向应力之间的关系曲线，该曲线的倾角即为试样的内摩擦角，竖向坐标的截距即为试样的黏聚力[8]。

3 试验结果与分析

3.1 渗透系数试验结果与分析

按照试验方案和试验方法，对不同配比的试样进行渗透性试验，结果如表2所示。由表中的试验结果可知，各方案的渗透系数与时间之间的变化趋势具有十分明显的规律性，即渗透系数随着时间的增加而逐步减小最终趋于稳定。同时，添加再生骨料后的改性土的渗透系数显著低于未添加再生骨料的原状土。从单掺砖骨料和混凝土骨料的方案对比来看，试样的渗透系数会随着骨料掺加量的增大而减小。因此，从单掺骨料来看，增加骨料的掺量有利于降低改性土的渗透性。方案5为砖骨料和混凝土骨料各含20%，而方案7为砖骨料含量40%，而两种方案3 h渗透系数分别为2.87和5.46，方案5的渗透系数减小了47.44%；两种方案24 h渗透系数分别为1.30和2.74，方案5的渗透系数减小了52.55%。由此可见，采用混合再生骨料配比有利于降低改性土的渗透系数。

表2 渗透性试验结果 10-5cm·s-1

根据表中的计算结果，改性土的渗透系数与再生骨料掺量之间并非线性关系，因此利用试验数据构建不同时间节点的渗透系数回归模型，利用SPSS软件和最小二乘法进行试验数据的拟合分析，获得回归模型如式(1)：

k=5.955-11.431m1-12.456m2-

0.256e-m1-0.063e-m2

(1)

式中：k为渗透系数；m1为砖骨料掺入量；m2为混凝土骨料掺入量。

对上述回归模型进行t检验，结果如表3所示。由检验结果可知，该模型在95%置信度水平下对再生骨料改性土抗渗性显著，可以用于相关研究。

表3 回归模型t检验结果

3.2 强度特性试验结果分析

强度特性也是影响再生骨料改性土实际应用的重要指标，对试件进行快剪试验，结果如表4所示。由试验结果可知，改性土的内摩擦角随着骨料掺入量的增大而减小，主要由于掺入的再生骨料比表面积和活性较大，可以吸附在颗粒表面，起到一定的润滑作用，从而降低颗粒表面的粗糙程度和嵌固作用，因此随着再生骨料掺入量的增加，改性土土体的内摩擦角会逐步减小。从黏聚力来看，整体呈现出随着再生骨料掺入量的增加而增大的趋势。再生骨料比表面积和活性较大，掺入之后土粒之间的距离减小，氢键增强，同时通过水化反应增加颗粒之间的胶结力，最终使改性土黏聚力的增大。从最优配比的方案5来看，其内摩擦角与原状土相比减小了5.65%，黏聚力增加了32.50%。因此，该配比具有良好的强度特征，与原状土相比，抗剪强度有所提高，有利于堤坝在降雨条件下保持安全稳定状态。

表4 正交快剪试验结果

4 结 论

(1)添加再生骨料后的改性土的渗透系数明显低于未添加再生骨料的原状土。

(2)在单掺骨料情况下，改性土的渗透系数会随着骨料掺加量的增大而减小。

(3)在降低改性土的渗透系数方面，采用混合再生骨料配比优于单掺骨料；采用混合骨料时，砖骨料和混凝土骨料的最佳掺量约为20%。

(4)随着骨料掺入量的增大，改性土的内摩擦角略微减小，而黏聚力则显著增加，土体的整体抗剪强度有所提高，可以用于堤坝建设工程。