用于寒区隧道深埋水沟的透水混凝土性能影响因素研究

2021-06-04易志伟

四川建筑 2021年2期

易志伟

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300308)

寒区隧道工程为实现排水顺畅，一般将排水水沟埋设在土壤最大冻结深度之下。同时，为了保证隧底地基的承载力和满足深埋水沟的排水需要，通常采用洗净碎石对水沟的周边进行回填。但在实际施工过程，碎石的洁净度一般远远达不到设计的要求，多余的泥浆会堵塞水沟泄水孔，导致水沟汇水不畅，进而影响其排水效果，严重时可能在该位置处发生冻害，使得隧道发生渗漏水现象，引发隧道运营的安全问题。而透水混凝土作为可预制的回填材料，可以在很大程度上满足隧底水沟透水性的功能要求，是作为新型深埋水沟周边回填材料很好的选择。

图1 隧底深埋水沟周边回填示意

在对透水混凝土强度和透水性的众多影响因素中，配合比对其性能影响最大。因此，本文基于正交试验法，通过室内试验，研究水灰比、砂率、骨料粒径对透水混凝土性能的影响。通过极差和方差分析法，研究各影响因素对透水混凝土抗压强度和透水系数影响的大小，为透水混凝土的设计和施工提供依据。

1 原材料及正交试验设计

1.1 试验原材料

水泥：四川绵特普通硅酸盐水泥(P·O 42.5级)，28 d抗压强度52 MPa；集料：石灰岩碎石，级配为A(3～5 mm)、B(5～10 mm)、10～15 mm三种；减水剂：聚羧酸高效减水剂，水，实验室自来水。

1.2 正交试验设计

透水混凝土的强度和透水性受到水灰比、砂率、骨料粒径、搅拌方法、掺和料等多种因素的影响，本文基于正交试验方法，旨在考察水灰比、砂率、骨料粒径三因素对透水混凝土力学性质和透水性的影响。

根据实践经验，每个影响因素选取3个水平，按照正交法采用三因素三水平试验分析，即L9(34)正交表方案，采用极差和方差分析方法对试验结果进行分析，判断各影响因素对透水混凝土力学性质和透水性的影响程度及显著性分析。

三因素三水平设计：水灰比的三水平分别为0.25、0.30、0.35，砂率的三水平分别为0 %、3 %、6 %，骨料粒径的三水平分别为3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm(表1)。

表1 三因素三水平

2 透水混凝土试样制备与破坏机理研究

2.1 试件制备

制作的透水混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，用于混凝土单轴抗压强度试验和透水性能试验的试件尺寸相同。

搅拌时，先将骨料拌合均匀，加少量水搅拌2 min，使骨料表面湿润，再加入定量的水搅拌均匀。该拌和方法能够使混凝土骨料表面易形成厚度均匀的水泥浆液，没有水泥浆下滴现象，从而保证必要的强度和透水性。拌和过程如图2所示。

图2 透水混凝土的拌和

拌和完成后，采用人工插捣的方式，将拌和物装入100 mm×100 mm×100 mm的试模中，分层插捣，每层填充总高度的三分之一。为了保证混凝土的强度，捣固第一层时，应插捣至底部；为了避免上层捣固对下层的透水性的影响，同时保证足够的强度，插捣第二层和第三层时，应贯穿并插入下层10～15 mm；捣固时，每一层四角处插捣6次，侧面插捣10次，平面内部插捣8次，插捣完毕后用抹刀将成型面抹平。捣固过程如图3所示。

图3 透水混凝土捣固

将拌和好的混凝土装模，置于标准养护室养护2 d后脱模，养护28 d后进行透水性和强度测试。

采用固定水量法对透水混凝土的透水系数进行测定。测量时,将水快速注满有机玻璃筒，待筒中液面高度降为250 mm时开始计时(t1)，直至液面下降到试件上面50 mm刻度处计时(t2)，经过时间为t2-t1，可以折算出透水系数，即V(mm/s)=200/(t2-t1)。每个试件测3次，取平均值作为最终的透水系数(图4)。

图4 混凝土透水系数的测定

将养护28 d的混凝土试件进行混凝土单轴抗压强度试验，将测得的强度取平均值作为混凝土的最终强度。

2.2 透水混凝土性能及破坏机理研究

2.2.1 透水混凝土透水性及强度特性分析

透水混凝土主要性能之一的透水性，主要取决于混凝土内部结构的孔隙。在透水混凝土中，存在3种孔隙，第一种是封闭的孔隙；第二种是开口但不连续的孔隙；第三种是贯穿混凝土且连续的有效孔隙。有效孔隙对透水混凝土透水性起决定性作用，但同时也降低了透水混凝土的强度。

由于透水混凝土含有较少的细骨料，属于由粗骨料与水泥浆液胶结成的多孔堆聚结构。一般情况下，骨料的强度较高，透水混凝土的强度主要取决于水泥胶体、水泥浆与骨料之间的界面粘结强度。因此，对透水混凝土强度的提高，主要是在保证透水性的前提下，增加凝胶体之间的接触。

2.2.2 透水混凝土破坏过程分析

通过对透水混凝土进行强度破坏研究，大致发现如下规律：当施加应力较小时，透水混凝土在拟破坏界面处产生一些微裂缝，但是裂缝基本上保持初始状态，没有扩展趋势；之后，随着应力不断增加，裂缝长度变长，深度加大，裂缝又不断向周围延伸，产生新的裂缝，骨料之间发生轻微的错动；当应力超过一定界限，裂缝进一步发展，混凝土粘结面完全断开，混凝土最终破坏。

2.2.3 透水混凝土与普通混凝土破坏情况比较分析

通过对比普通混凝土和透水混凝土的破坏形式可以发现，普通混凝土试件破坏后呈片块状结构，破坏面呈不规则形；而透水性混凝土破坏呈松散颗粒状。普通混凝土试件和透水性混凝土破坏形态的对比如图5所示。

图5 普通混凝土试件与透水性混凝土破坏形态对比

3 试验结果及分析

通过采用L9(34)正交试验，以混凝土28 d的单轴抗压强度和透水系数为指标，分别研究水灰比、砂率、骨料粒径三因素在三水平作用下对透水混凝土性能的影响。并且通过极差和方差分析，来确定以上各影响因素对透水混凝土抗压强度和透水系数影响的大小。

3.1 正交试验结果

通过对不同水灰比、不同砂率、不同骨料粒径三因素相互作用下的试件进行单轴抗压试验和透水性试验，分别得到了以上三因素在三水平作用下的透水混凝土强度与透水系数，具体结果如表2所示。

3.2 正交试验结果分析

3.2.1 正交试验极差分析

通过极差分析可以确定抗压强度和透水系数的极差大小，进而得到水灰比、砂率、骨料粒径三种因素对透水混凝土性能影响的主次顺序。

通过分析可知，无论从抗压强度还是从透水系数考虑，砂率极差值R最大，骨料粒径次之，水灰比最小，说明抗压强度和透水系数受砂率影响最大，受骨料粒径的影响次之，受水灰比的影响最弱。具体分析结果如表3所示。

表2 正交试验结果

表3 正交试验极差

由表3可知，砂率对抗压强度的影响排第一位，同时对透水系数的影响也排第一位。根据经验，一般认为透水系数为1.5 mm/s时满足要求。当砂率取水平3时，即6 %，抗压强度达最大，但是此时的透水系数不能满足大于目标值值。当砂率取水平2时，即3 %，抗压强度和透水系数均满足要求。对于骨料粒径，其对抗压强度和透水系数的影响排在第二位，此时取水平3，即10～15 mm，抗压强度和透水系数均满足要求。对于水灰比，其对抗压强度和透水系数的影响排在第三位，此时取水平2，即0.30，抗压强度和透水系数均满足要求。

因此，得到最优组合为：砂率3 %，骨料粒径10～15 mm，水灰比0.30。

3.2.2 正交试验方差分析

通过方差分析可得，对透水混凝土抗压强度而言，砂率和骨料粒径的F值均大于Fa临界值19，即砂率和骨料粒径都达到显著水平，但这两影响因素的F值均小于Fa临界值99，即砂率和骨料粒径均未达到高度显著水平，且砂率大于骨料粒径的F值，即砂率对抗压强度的影响较骨料粒径显著，水灰比虽未达到显著水平，但它的均方差比误差的均方差要大得多，说明透水混凝土正交试验结果合理。具体结果如表4所示。

通过方差分析可得，对透水混凝土透水系数而言，砂率的F值大于Fa临界值19，即砂率达到显著水平，但砂率的F 值小于Fa临界值99，即砂率对透水混凝土的透水系数的影响未达到高度显著水平。骨料粒径和水灰比的F 值均小于Fa临界值9，即骨料粒径和水灰比对透水混凝土透水系数均未达到显著水平，两者的均方差比误差的均方差要大，且骨料粒径对透水系数的影响较水灰比强。三影响因素对透水混凝土透水系数的影响排序为：砂率>骨料粒径>水灰比，与极差分析法分析的结果一致。具体结果如表5所示。