轻质混凝土在破碎岩质边坡支护中的应用与性能分析

阙陈燕,林 福,陈善良

(福建岩土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

破碎岩质在人为扰动或者降雨、地震等自然因素影响下极易发生危岩崩塌、边坡滚落石和局部溜塌的灾害,这些灾害给破碎岩质区域的城镇、矿山以及高速公路等都带来了极大的安全隐患。目前已有多种多样的边坡支护技术应用到实际工程中,如排桩支护、锚杆框架梁支护、挡土墙支护等。但应用的依旧多为传统的现浇混凝土护坡结构和加固技术,不仅施工工程量大、施工工期长、材料搬运困难大,并且无法做到对边坡边开挖边支护[1-2]。因此,提出将轻质混凝土应用到破碎岩质边坡支护工程中,设计组合护坡节点结构,优化混凝土配合比,经过数值模拟与承载试验验证,得到质轻、高强的预制装配式边坡支护结构。轻质混凝土护坡构件的质量显著减小,且承载能力有保障,安装便捷、高效,大大节省了人力物力。将轻质混凝土护坡构件工厂化生产后运输到现场,可实现边开挖边支护。保障破碎岩质边坡支护效果的同时显著缩短施工周期。

1 轻质混凝土概况

1.1 轻质混凝土材料性能

1.1.1质轻

轻质混凝土又名泡沫混凝土,在建筑工程中应用广泛,主要由发泡剂、胶凝材料、水和减水剂等材料组成。轻质混凝土是将空气、氧气、氮气等气体在砂浆混合物搅拌过程中引入混凝土浆体中,从而在内部随机形成大量细小的封闭气孔的混凝土制品[3]。因此与普通混凝土相比,其密度较低、质量较轻,采用轻质混凝土可降低建筑物对地基的重力,不仅可降低人力、物力的支出,基础成本也随之降低。

1.1.2保温隔热性好

由于制备轻质混凝土时引入了大量的泡沫,制备完成后其内部充满了大小适中、分布均匀的空隙。空气本身的导热系数较小,且孔隙是封闭的,很难形成对流传热,无法将热量大量传递出去,因此,孔隙中空气的存在使得其保温隔热性能较好。建筑领域也常将轻质混凝土作为一种保温材料应用。

1.1.3施工便捷

轻质混凝土施工流程较为简单、所用施工周期短,还可现场浇筑使用,可显著提升破碎岩质地区边坡治理效果,减少边坡的沉降量,增强边坡的完整性和耐用性。轻质混凝土中矿物掺合料的活性成分能够与混凝土中的氢氧化钙发生反应生成凝胶,使得浆料之间紧密粘接,从而增强轻质混凝土的抗压强度[4-5]。

1.1.4强度低

轻质混凝土也存在一些缺点,如混凝土表面易开裂、吸水、强度低等。轻质混凝土的抗折、抗压强度都不如普通混凝土,这也使其使用受到了一定局限。同时在外界温度、载荷等因素的影响下,也容易出现一定程度的微裂纹和损伤。

1.2 轻质混凝土材料的发展前景

轻质混凝土保温隔热、节约能源的优点,使其在提倡绿色节能的今天,轻质混凝土相关产品如轻质混凝土墙板、轻质混凝土砌块、轻质混凝土耐火保温制品以及轻质混凝土现浇市场的发展必将更加广阔。由于该材料的强度较低,实际工程中使用容易出现裂缝,而环氧树脂胶粘剂是混凝土防护与修复工作中应用非常广泛的一种胶粘材料,胶粘材料与轻质混凝土的结合使用也是一大趋势。如BE14耐潮湿无溶剂型环氧底漆,可直接涂装在湿的或干的混凝土表面,无有害挥发物,具有优异的基底和内层粘附力,可发挥超强的防水、防蚀和保护作用[6];PU-20高黏度环保胶水,是可用于混凝土的防渗堵漏粘合剂,是聚氨酯、环氧群和醚的聚合物,与水起反应逐渐达到高弹性,用于裂缝处可防止水的渗透。可见,环氧树脂胶粘剂的应用可显著提升混凝土材料的承载能力、抗渗透能力以及延长其使用寿命等,可促进其在更多领域的应用[7]。

1.3 轻质混凝土在工程中的应用

可将轻质混凝土用于高速铁路陡坡路基工程中,减小路基的沉降值,较好的控制支挡结构的侧向变形,减小路基横向差异沉降等,解决高速铁路陡坡路基施工的技术难题。可采用轻质混凝土进行山区公路高陡边坡路基填筑,增强路基抗滑稳定性,减少对生态环境的破坏、缩短工期。同时,在实际的边坡支护技术应用过程中,往往先需要修坡,由于边坡的岩层已经破碎,修坡的难度较大,容易出现局部垮塌的现象,不利于坡面的平整。设计时尽量规避风化严重、岩体破碎的区域,保障施工人员安全[8]。

2 轻质混凝土边坡支护组合式节点设计

2.1 装配式组合护坡节点结构设计

节点是连接整个边坡支护工程的关键,与边坡支护结构的稳定性有着密切关联。该装配式组合结构分为上、下两层,节点上下部分预留有定位装置。装配式护坡节点侧视图如图1所示[9]。

图1 装配式护坡节点侧视图

凹凸碗型的定位设计可以更好连接分层节点,并增加该分层构件的抗滑移效果。构件中留有一个直径为86 mm的锚孔,锚孔中嵌有一个内径为76 mm的套筒。构件之间的连接可靠程度是决定边坡支护结构整体支护能力的重要因素。在复杂的边坡支护工程中,一个便捷、灵活、可靠的支护构件连接方式,可直接缩减施工周期,因此,该支护结构设计中采用高强螺栓预紧钢板的连接方式,以适应复杂的边坡情况。螺栓连接构件主要由15 mm厚的连接钢板、10 mm厚的压块、螺杆和螺帽组成[10-11]。

2.2 轻质化泡沫配合比设计

根据“强度弱化”原理进行轻质混凝土材料的配比,先制作强度等级为C50的混凝土试样和高强度的轻质混凝土试样,然后不断增加发泡剂以不同体积的泡沫代替原有的粗骨料。该试验初步确定C50混凝土的各种材料配合比为水∶水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶外加剂=1.6∶4.6∶0.5∶6.78∶1.06∶0.1,C50混凝土的水胶比为0.3。根据现有研究结果中水灰比、胶体用量等比例对混凝土的力学性能的影响程度,在该配合比的基础上对轻质混凝土的配合比进行了调整,并按照轻质混凝土填筑相关技术规程制备轻质混凝土试样,制备流程如图2所示。

图2 轻质混凝土的制备流程

将制得的轻质混凝土试样进行抗压强度、抗折性能、导热系数等测试,依据测试结果调整与优化原材料的配合比。调整后的轻质混凝土水胶比为0.2,泡沫掺入体积量为5 L,最佳的试验配合比为水∶水泥∶砂∶矿粉∶减水剂=1.6∶5.4∶9.6∶2.6∶0.18。制得的轻质混凝土的强度高达41 MPa,密度为2.0×103kg/m3[12-13]。

2.3 数值模拟

组合护坡节点结构和轻质混凝土配合比确定之后,借助ABAQUS工程模拟的有限元软件,以其丰富的材料模型库对边坡支护构件进行分层建模,模拟在外力作用下边坡支护工程材料的性能和构件受力情况,如节点结构整体切面、局部碗口抗滑移处、钢板连接处局部的应力大小与分布[14]。该试验轻质混凝土模型采用C40 混凝土进行折减,仅改变强度。其中构件连接所用的螺杆和钢板按照Q345 钢材进行建模。建模所用参数取值如表1所示。

表1 建模所用参数取值表

利用ABAQUS软件模拟护坡节点结构的受力情况,通过观察与分析构件整体和不同部位的应力分布云可以得出,节点结构在锚索锚固局部范围内呈现应力显著增大的情况[15]。在护坡结构中,节点是锚索张拉和封锚的位置,几乎承担了锚索的全部预应力荷载。锚固区又是混凝土构件中承受锚具传来的预加力的构件区段,是节点的核心受力部位。因此在混凝土护坡节点结构设计中,将锚孔区做了局部加强,提高了配筋率,以混凝土构件的强度。

3 承载性能试验结果与分析

3.1 试验概况

为进一步探究轻质混凝土构件上下层的整体性和破坏形式,利用与实际边坡支护工程中所用构件相同尺寸的节点构件,进行节点承载性能试验。对于轻质混凝土构件,每次增加100 kN的荷载,探究0～500 kN荷载之间构件的挠度变化,每级荷载持荷8 min。400 kN增加至500 kN时,先增加至450 kN持荷8 min,然后再增加至500 kN;得出的节点加载全程的荷载-挠度曲线如图3所示。同时记录每增加100 kN荷载时节点的破坏情况和裂缝的发展情况,推理混凝土构件的破坏形式。

图3 轻质混凝土构件荷载-挠度曲线

3.2 试验现象

在荷载加载至150 kN之前,轻质混凝土护坡节点构件没有明显损坏趋势;当加载至150 kN时,开始出现明显的损坏现象,在上层十字节点顶部出现了一条裂缝,裂缝有缓慢发展趋势;加载至250 kN时,上层十字节点的侧面也出现了裂缝;在400 kN 加载至500 kN过程中,裂缝由上层十字节点侧面的中部延伸到了侧面的底部,且加载至设定的最大荷载时,上层十字节点所产生的裂缝最大可达0.7 mm,下层节点顶面也开始出现损坏现象。在500 kN荷载时挠度最大,为5.508 mm。整个试验中没有达到混凝土构件的最大承载力,裂缝开展较少,在达到屈服状态后仍能吸收一定能量,避免脆性损坏的发生,良好的延性可较好保证边坡支护工程中混凝土构件的安全性[16-17]。

虽然混凝土护坡节点构件出现的裂缝和挠度在可允许范围内,能够满足正常承载力要求,但混凝土构件是在破碎岩质、环境恶劣的野外工作,裂缝的存在势必会加快构件中钢筋的氧化速度,影响边坡支护工程的防护效果。因此在生产过程中应加强轻质混凝土构件表面的防水性能,增强构件的使用寿命。在后期的应用过程中,应加强对混凝土护坡结构的经常性养护和破坏后的修复。

3.3 环氧树脂胶粘剂的修复工艺

可使用复合型环氧树脂胶粘剂对混凝土裂缝进行修复,修复工艺流程如下:

(1)清缝:首先将混凝土裂缝中的灰尘、砂砾等杂质清除干净。不易清洁的小缝隙,可用水或吹风机进行清除,以更好发挥胶粘剂超强的附着力;

(2)埋设浆嘴:一般将浆料喷嘴埋在混凝土裂缝较宽处、交错处和裂缝端部等,需结合浆料的黏度、设备压力以及裂缝特性等因素确定喷嘴的间距,工业领域浆料喷嘴的间距大多在0.4～2.0 m;

(3)糊缝:给浆料施加一定的压力,避免环氧树脂浆料泄漏的同时,还可使浆料达到混凝土裂缝深处;

(4)注胶:将复合型环氧树脂胶粘剂放入罐中,并用气泵向罐施加压力,以使胶粘剂流过软管进行注胶。一条裂缝上的注胶可由浅到深、由上而下,从裂缝的一端到另一端。以较低的压力和较长的注胶时间可获得更好的注胶效果;

(5)可采用岩心钻孔法检验胶粘剂是否充满裂缝。胶粘剂修复达到要求后,拆除浆嘴,抹平糊缝,即可完成以环氧树脂胶粘剂对混凝土裂缝的修复流程[18-19]。

4 结语

轻质混凝土护坡节点结构采用分层设计,相比于普通混凝土,构件施工质量得到明显减轻。构件的定位连接方式可更好地将分层节点叠合,提升施工效率和质量。通过调整水胶比、胶体总量等,得到最佳试验配合比,水∶水泥∶砂∶矿粉∶减水剂=1.6∶5.4∶9.6∶2.6∶0.18。轻质混凝土构件在荷载不断增加过程中,裂缝产生较少,构件延性较好,在实际的边坡支护工程中应用建议做好防水和修复措施,以提高轻质混凝土构件的耐久性[20]。