水泥含量對貧混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理及其應(yīng)用

陳真鋒

(興鋒盈(福建)集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001)

貧混凝土是廣泛地指由粗細(xì)骨料和少量的水泥和水拌合在一起的一種混凝土[1- 3]，按照不同的施工工藝，可以將其大致地分為碾壓混凝土和塑性混凝土[4- 6]，研究表明其具有較好的強(qiáng)度剛度，其抗沖刷抗凍性能較好，具有很好的整體性，因此其應(yīng)用范圍越來越廣泛[7- 10]。

某面板堆石壩水庫壩址區(qū)右岸邊坡存在一陡坎，為了防止由于該陡坎而引起右岸滑坡，對大壩安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，需要對該陡坎進(jìn)行處理。一般而言是通過回填混凝土的方法對該陡坎進(jìn)行回填，然而由于方量較大，在經(jīng)濟(jì)上不夠合理，如果僅僅回填土石材料，在安全上又行不通。由于貧混凝土水泥含量較少，發(fā)熱量少能夠減少內(nèi)部溫度應(yīng)力，適合快速施工縮短工期，并且其強(qiáng)度相對于一般的土石材料而言比較高，因此擬采用回填貧混凝土的方法對該陡坎進(jìn)行處理。

為了探索水泥含量對貧混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理，本文通過對不同水泥含量的貧混凝土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，得到貧混凝土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，分析水泥含量對貧混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理，并通過數(shù)值模擬得出陡坎能夠滿足抗滑穩(wěn)定條件的最佳水泥含量，以期為該工程的處理提供參考借鑒。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

某擬建面板堆石壩經(jīng)過前期勘察發(fā)現(xiàn)在壩址區(qū)右岸存在一較陡邊坡，如果采用回填混凝土的方法進(jìn)行處理，由于回填混凝土方量巨大，不利于投資，結(jié)合當(dāng)?shù)赝亮锨闆r，擬通過利用當(dāng)?shù)赝潦牧习柚曝毣炷翆υ摱缚策M(jìn)行回填。試驗(yàn)拌制貧混凝土所用砂石為取自當(dāng)?shù)氐耐潦蠄觯渥畲罅讲怀^5mm，因此將其簡要地分為兩個級配區(qū)間，分別是小于2mm的砂及2～5mm小石子，試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O32.5。

為給數(shù)值模擬提供計(jì)算參數(shù)，本次試驗(yàn)為三軸剪切試驗(yàn)，更好地模擬現(xiàn)場回填后陡坎的抗滑穩(wěn)定情況，剪切方式為不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(UU剪)。試樣直徑為61.8mm，試樣高度為124mm，分3層制樣，層與層之間需要拋錨再填筑下一層，試驗(yàn)圍壓分別為100、200、300、400kPa，試驗(yàn)儀器為應(yīng)變式三軸剪切儀。為了探討每立方米水泥含量對貧混凝土強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)把水泥含量定為單一變量，進(jìn)行了4組試驗(yàn)，水泥含量依次為0、10、20、30kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行試驗(yàn)，本次貧混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)配合比見表1。

表1 貧混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)配合比 單位：kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過整理三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同水泥含量的貧混凝土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值見表2。由表2的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得知，水泥含量為0時(shí)，對應(yīng)的是天然的土料的抗剪強(qiáng)度，可以得知該土料的天然抗剪強(qiáng)度比較低。隨著水泥含量的增加，貧混凝土的粘聚力和內(nèi)摩擦角都會增加。

表2 不同水泥含量的貧混凝土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

圖1為貧混凝土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著水泥變化的關(guān)系曲線。

圖1 貧混凝土抗剪強(qiáng)度值隨水泥含量變化的關(guān)系曲線

由圖1(a)可知未摻水泥的貧混凝土即天然狀態(tài)的土料其粘聚力只有10.1kPa，隨著試樣中水泥含量的增加，其粘聚力呈現(xiàn)近似線性地增長，當(dāng)水泥含量為30kg/m3時(shí)，其粘聚力為26.9kPa，是沒有摻水泥之前的2.66倍，由此我們可以知道，水泥含量的增加為其粘聚力的增長起到了至關(guān)重要的作用。這是由于水泥中的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣等化合物與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成了鈣礬石等膠結(jié)體，由于水泥是比較均勻地分布在試樣里面，當(dāng)水泥含量達(dá)到一定程度時(shí)，其水化后生成的膠結(jié)物能夠相互連接，形成一定的骨架，在一定程度上能夠把粗細(xì)集料連接在一起，形成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)產(chǎn)物，因此由于水泥的水化作用，在很大程度上提高了貧混凝土的粘聚力。

由圖1(b)可知，當(dāng)沒有摻入水泥時(shí)，天然土料的內(nèi)摩擦角為16.1°；當(dāng)水泥含量為10kg/m3時(shí)，其內(nèi)摩擦角增加到了24°，其值增加了49%。隨著水泥含量的增加，其內(nèi)摩擦角的增長率越來越大。當(dāng)水泥含量為30kg/m3時(shí)，其內(nèi)摩擦角為45.2°，其值是天然土料的2.81倍，強(qiáng)度得到了大幅度的增加。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因是當(dāng)水泥含量較小時(shí)，雖然水泥水化作用后能夠形成一定的膠結(jié)物，但是由于水泥含量較小，形成的膠結(jié)物相互之間沒有很強(qiáng)的連接作用，整個試樣不能膠結(jié)成為一個整體，因此在水泥含量較低時(shí)，其內(nèi)摩擦角的增長率不是很大；隨著水泥含量的繼續(xù)增加，由水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)物不僅能把附近的粗細(xì)集料膠結(jié)在一起，同時(shí)分布在試樣內(nèi)部的膠結(jié)塊體之間也能夠形成較強(qiáng)的膠結(jié)作用，能夠把整個試樣膠結(jié)成一個整體，因此其內(nèi)摩擦角得到了大幅度的增加。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

圖2為根據(jù)該陡坎的典型斷面建立的模型，利用上述試驗(yàn)所得到的不同水泥含量的貧混凝土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，通過Geo-studio有限元分析軟件中的Slope模塊模擬處理該陡坎后的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)圖。

圖2(a)為水泥含量為0時(shí)利用碾壓貧混凝土加固的邊坡的最危險(xiǎn)滑面及其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，當(dāng)貧混凝土中水泥含量為0即采用天然的土料回填碾壓的加固效果，其最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.864。由(a)圖我們可以看到該陡坎的典型斷面，藍(lán)色的楔形塊體為模擬碾壓的貧混凝土。由圖可知最危險(xiǎn)滑面主要是穿過了天然土料的回填區(qū)，這說明利用天然土料進(jìn)行回填的方法是行不通的，不僅僅不能夠處理整個邊坡的穩(wěn)定問題，連回填區(qū)的穩(wěn)定都不能夠保證。

圖2(b)為水泥含量為10kg/m3時(shí)利用碾壓貧混凝土加固的邊坡的最危險(xiǎn)滑面及其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，由圖可知其最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.236，基本能夠保證加固之后邊坡的抗滑穩(wěn)定問題，其最危險(xiǎn)滑面貫穿了回填區(qū)的土體，由于邊坡的滑動總是從最薄弱的地方發(fā)生的，這說明水泥含量為10kg/m3的貧混凝土其加固效果不能夠很好的處理該處陡坎。

圖2 不同水泥含量貧混凝土加固邊坡安全系數(shù)

圖2(c)為水泥含量為20kg/m3時(shí)利用碾壓貧混凝土加固的邊坡的最危險(xiǎn)滑面及其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，由圖可知其最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.536，能夠保證整個陡坎以及整個邊坡的安全穩(wěn)定，而且其最小滑弧主要是位于原邊坡內(nèi)，這說明已經(jīng)達(dá)到了陡坎的加固效果。

圖2(d)為水泥含量為30kg/m3時(shí)利用碾壓貧混凝土加固的邊坡的最危險(xiǎn)滑面及其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，由圖可知其最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.598，由此可知經(jīng)過該貧混凝土加固處理后的陡坎以及該邊坡整體都能夠滿足抗滑要求。

對比圖2(a)至(d)，可以發(fā)現(xiàn)隨著貧混凝土中水泥含量的增加，加固該陡坎后邊坡的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在逐漸提高，但是提高的幅度卻在減小，水泥含量從0增加到10kg/m3時(shí)，安全系數(shù)增加了37.2%；水泥含量從10kg/m3增加到20kg/m3時(shí)，安全系數(shù)增加了24.5%；水泥含量從20kg/m3增加到30kg/m3時(shí)，安全系數(shù)增加了4.0%。這是由于水泥含量增大后，貧混凝土的強(qiáng)度已經(jīng)足夠大了，影響該邊坡穩(wěn)定的主要因素在于原始的巖體抗剪強(qiáng)度而不是回填的貧混凝土的抗剪強(qiáng)度。因此，從方案安全可行以及經(jīng)濟(jì)合理的角度考慮，本次回填陡坎所用的貧混凝土的水泥含量為20kg/m3。

4 結(jié)論

本文通過開展不同水泥含量貧混凝土的三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，得到不同水泥含量貧混凝土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，利用Geo-studio有限元軟件模擬貧混凝土回填邊坡陡坎，得到的結(jié)論如下。

(1)貧混凝土強(qiáng)度會隨著水泥含量的增加而大幅度的增加，這是由與水泥水化作用把粗細(xì)集料膠結(jié)成整體，提高了其抗剪強(qiáng)度。

(2)不同水泥含量的貧混凝土回填邊坡陡坎后，邊坡的最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸加大，這是由于貧混凝土已有足夠強(qiáng)度，能夠保證陡坎以及整個邊坡的穩(wěn)定性。

(3)當(dāng)水泥含量為20kg/m3時(shí)，回填該邊坡上的陡坎能夠起到最優(yōu)的效果。