雄安新区绿色建筑混凝土材料的力学与渗流试验研究

2022-03-09杜志芳

水利技术监督 2022年2期

曾寅，杜志芳，赵龙，陈静，王欣

(河北软件职业技术学院，河北保定 071000)

建筑工程的安全稳定离不开建筑材料力学稳定性，研究建筑材料力学特征对推动工程设计水平具有重要作用。渗流活动乃是工程防渗、抗渗研究的重要关注点，混凝土材料作为重要防渗材料，研究其渗透特性具有重要意义。绿色建筑中再生混凝土的使用越来越广泛，推动再生混凝土的力学及渗透特性研究乃是工程安全设计的要求。高勇、曹明伟根据混凝土颗粒流特点，利用仿真手段研究了不同配合比因素或试验状态对其力学特征的影响，丰富了对混凝土力学特性的研究成果。但不可忽视，一方面不仅需要考虑混凝土力学特性，同样应研究其渗透特征，以综合反映混凝土的使用前景，另一方面仿真计算与工程材料力学、渗透水平贴合度、精度均有一定差异。因而，刘思明、包瑞恩等设计不同类型的室内加载破坏试验，研究单、三轴下混凝土的力学特征差异，推动对混凝土力学的认知水平。文章以雄安新区绿色再生混凝土为研究对象，探讨此种绿色建筑材料的力学与渗透特性，为工程建设及绿色建筑设计提供基础参照。

1 试验概况

1.1 工程背景

雄安地区乃是我国又一个重要经济特区，基建乃是经济特区快速发展的重要举措，确保基建设施安全有效是工程设计的重点工作。目前，安置房工程乃是雄安建设持续专注的问题，文章研究对象为容东片区拆建工程，该工程预计拆除已有混凝土量超过2500m3，层高为3.3m，地下建筑采用防渗混凝土与防渗涂料作为抗渗结构体系，整体建筑为框架剪力墙结构体系，沉降观测表明每年最大不超过0.5mm。由于雄安容东片区建设资源紧张，而目前所拆除的混凝土经检测完整性较好，且满足新建安置房的性能要求，故工程设计部门考虑对已拆除建筑的混凝土进行回收再生，提升建筑绿色化设计施工。另一方面，雄安地区绿色再生混凝土在工程中使用必须考虑其力学稳定性，探讨不同配合比及状态参数对再生混凝土力学特征的影响，此为工程设计及应用的基础；在新建建筑地下防渗层中，再生混凝土的使用同样需要考虑其渗透特性，确保工程防渗安全。

1.2 试验介绍

为研究雄安新区绿色再生混凝土力学破坏特性与渗透特征，文章采用河北软件职业技术学院建筑材料实训室岩石力学试验机开展单轴力学加载试验，而再生混凝土的渗透试验采用实训室达西流体测试仪。建材实训室岩石力学试验机由电脑程序控制，可变换采用力学与变形控制方式，力学加载速率最大可为80kN/min，在试样加载的线弹性变形阶段采用力学控制，速率为15kN/min，变形控制方式分为轴向、环向变形，在力学加载试验后期采用环向变形控制，速率为0.01mm/min。该试验系统另配备有相应的数据采集系统，可实时获得试验过程中的力学特征数据，数据采集间隔可设定在0.1～1000s；数据采集装置以外接耦合传感器为主，包括轴向、环向变形传感器，量程分别为-15～15mm、-10～10mm，试验前已对各变形传感器进行标定，确保试验误差低于标准值，试验系统如图1所示。试验加载台可根据不同类型试样变换尺寸，试样模具盒如图2所示。

图1 岩石力学试验系统

图2 混凝土试样模具盒

本试验中为探讨雄安地区再生混凝土力学特征影响因素，在容东片区安置房拆建区取样，测定得知该片区建筑工程中混凝土配合比差异性主要体现在硅质含量、砂率两个特征参数，其中该片区中再生混凝土后的硅质含量为3%、6%、9%、12%、15%，而砂率以20%～30%为主，文章将砂率组分为20%、22%、24%、26%、28%，在工厂对再生混凝土进行制作时，确保各组试样配合比因素与设定一致。所有再生混凝土试样进入实训室后，均放置在养护箱内标养条件下24h，各组试验方案具体见表1。

表1 试验方案具体参数表

2 混凝土力学特征

2.1 硅质含量的影响

对不同硅质含量试样进行力学加载破坏试验，获得如图3所示的应力应变特征关系。依据图中曲线变化可知，硅质含量愈多，再生混凝土试样加载应力水平愈高，但硅质含量超过12%后，其态势相反；硅质含量分别为9%、12%、15%在同一应变值下的加载应力较硅质含量为3%时分别增长了1.25倍、4.78倍、2.67倍，即硅质含量为15%的试样的加载应力较硅质含量为12%的降低了36.5%。分析认为，再生混凝土属受扰动影响后的材料，其力学稳定性与其内部结构密切相关，而硅质含量高可提升内部结构密实度，特别是对于混凝土的开口孔隙，可有效降低由于内部孔隙而引起的混凝土结构失稳率，故硅质含量在12%以内时与加载应力水平呈正相关；但不可忽视，当硅质含量过多，势必会挤压再生混凝土受扰动下的胶凝材料活动空间，出现局部薄弱面，最终导致混凝土试样加载应力水平降低。由硅质含量影响加载应力水平可知，再生混凝土在工程回收利用时，应尽可能淘汰硅质含量超过12%的混凝土块，提升回收再生混凝土力学稳定性。

图3 不同硅质含量的试样应力应变曲线

从硅质含量影响变形特征可知，硅质含量愈高，则峰值应变愈低，硅质含量为3%、9%、12%、15%的四个试样的峰值应变分别为2.46%、2.25%、2.01%、1.96%；另一方面，当硅质含量愈多时，再生混凝土线弹性变形模量愈高，硅质含量为3%的线弹性模量为10.55MPa，而硅质含量为9%、15%时较前者分别增长了44.9%、95.8%，平均硅质含量每增长3%，其线弹性模量可提高18.6%。笔者认为，硅质含量愈多，再生混凝土内部固态程度提升，相对的弹性变形能力亦增强，故弹性模量增大。

对不同硅质含量试样分析，获得各组试样抗压强度与硅质含量关系曲线，如图4所示。从图中可知，再生混凝土抗压强度与硅质含量间具有影响变化节点，砂率22%时硅质含量为3%的试样抗压强度为19.4MPa，而硅质含量9%、15%试样抗压强度较前者分别增大了10.1%、23.1%；当硅质含量低于12%时，硅质含量每增大3%，试样抗压强度平均可增高9.2%，硅质含量超过12%后，其抗压强度为递减态势。当砂率增至26%后，硅质含量对试样抗压强度影响基本一致，仅在量值上具有一定差异，表明砂率不影响硅质含量与再生混凝土力学特征关系。

图4 硅质含量与混凝土试样抗压强度关系

2.2 砂率的影响

由如图5所示的不同砂率组试样的力学试验结果可知，砂率对再生混凝土试样力学水平影响亦具有变化节点，当砂率位于24%以下及超过该值时，加载过程中应力水平分别为增长与降低特征。在应变1%时，相比砂率20%，砂率24%试样加载应力增大了6.25倍，但砂率26%、28%试样加载应力相比砂率24%试样又分别减少了45.4%、68.9%。分析认为，砂率对再生混凝土力学水平影响具有一个关键节点，当超过关键节点砂率后，再生混凝土的应力水平为降低，这与合理砂率区间值有关，合理砂率值是再生混凝土最佳力学状态的重要指标。本试验中在砂率24%下峰值后应变延伸性较大，塑性变形较强，峰值后应力跌落幅度约为11.5%，而砂率20%、26%试样峰值应力跌幅分别为60.4%、21.6%，表明合理砂率值下试样的塑性较好，延展性较佳；从线弹性模量来看，砂率20%、26%下试样弹性模量分别为8.93MPa、13.45MPa，而合理砂率24%下线弹性模量较之分别增长了1.12倍、减小了40.4%，故合理砂率值下再生混凝土的弹塑性变形能力俱佳。

图5 不同砂率试样应力应变曲线

同理，获得砂率影响下再生混凝土试样的抗压强度变化特征，如图6所示。从图中可知，砂率对抗压强度影响关系与硅质含量影响性具有相似性，最大强度均为变化节点，在硅质含量3%试验组中，砂率24%下混凝土试样的抗压强度为28.64MPa，而砂率20%、26%、28%试样抗压强度相比前者分别减少了29.2%、15%、24.8%；在砂率递增区间20%～24%，抗压强度平均增幅为18.9%，而在递减区间内抗压强度的平均降幅为13.3%；表明超过合理砂率后，再生混凝土抗压强度受砂率影响敏感度更高。当硅质含量增至9%后，该组试样抗压强度均有增长，但硅质含量不影响砂率对抗压强度的促进与抑制作用，则硅质含量与砂率之间的耦合影响并无显著关联性。

图6 砂率与混凝土试样抗压强度关系

3 混凝土渗透特性

为研究再生混凝土渗透特性，文章以达西流体测试为背景，完成不同组试样的渗透特性试验，以试样渗透系数反映混凝土渗透特性，图7为硅质含量、砂率影响下渗透系数变化特征。

图7 再生混凝土渗透系数变化特征

从图中可知，当处于同一砂率下，随硅质含量增多，再生混凝土渗透系数递减，即硅质成分的存在，可抑制再生混凝土内部渗流形成，提高混凝土内部密实度，有效阻流、抗渗。在砂率20%时，硅质含量3%试样的渗透系数为1.91×10-7cm/s，而含量9%、15%试样的渗透系数相比前者减少了54.1%、69%；整体来看，在该砂率试验组中，硅质含量每增大3%，混凝土试样渗透系数平均降低24.7%。另一方面，当硅质含量超过12%后，其渗透系数降幅降低，即硅质成分对渗流活动的抑制效应减弱，此与内部孔隙填充“饱和”有关。当处于同一硅质含量时，不同砂率组试样的渗透系数均以合理砂率值24%下的为最低，在硅质含量6%组中，其渗透系数为5.63×10-8cm/s，而其他砂率值试样渗透系数均较高，该硅质含量中砂率20%、26%试样渗透系数与合理砂率试样具有138.5%、79.3%的偏差。分析认为，雄安新区基建采用绿色再生混凝土时，应考虑其砂率是否满足合理砂率区间，这对混凝土材料抗渗效果影响较大。