非飽和粉土土模壓實(shí)度對(duì)現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度影響研究

韓成國

（中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司 山西太原 030032）

1 研究背景

呂梁地下綜合管廊工程地處呂梁市大武鎮(zhèn)，擬建線路全長13.8 km，管廊主體設(shè)計(jì)高度約4.5 m，寬度約12 m。本工程屬于深基坑開挖，支護(hù)形式為混凝土灌注樁排樁支護(hù)，樁體頂端設(shè)計(jì)冠梁連成整體。本工程一期全線施工緊鄰209國道，施工過程中發(fā)現(xiàn)由于冠梁施工受國道護(hù)欄影響，國道側(cè)模板施工難度大。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本工程擬用土模進(jìn)行施工，并就土模施工的可行性進(jìn)行研究。

2 水在土體中滲透的影響因素

土是自然界的產(chǎn)物，是由巖石經(jīng)過長期的物理、化學(xué)風(fēng)化作用以及剝蝕、搬運(yùn)、沉積作用等交錯(cuò)復(fù)雜的自然環(huán)境中所生成的各類沉積物。土的類別分為飽和土和非飽和土，由固相、液相兩相組成的土為飽和土，由固相、液相、氣相3項(xiàng)組成的土為非飽和土，本工程研究的土為非飽和土［1］。

有研究認(rèn)為非飽和土中水的運(yùn)動(dòng)能量分為動(dòng)能和勢能［2］，通過觀察發(fā)現(xiàn)水在土體孔隙間的流動(dòng)緩慢，所以由動(dòng)能催動(dòng)水遷移的動(dòng)力幾乎不起作用，因此土中水遷移的動(dòng)力主要體現(xiàn)為勢能，稱之為土水勢。

土水勢分為重力勢、壓力勢、基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢，其中重力勢是高位水相較于低位的所具有的勢能；壓力勢是水分在大氣壓與土體中閉口孔隙壓力差作用下所具有的勢能；基質(zhì)勢是由水分抵抗土體的毛細(xì)管力和吸附力產(chǎn)生的勢能；溶質(zhì)勢又稱為滲透勢，是由于土體中水分所含有的離子態(tài)或非離子態(tài)的溶質(zhì)對(duì)于水分的吸持作用所產(chǎn)生的勢能。

由于土的碎散性和多向性，衍生出土力學(xué)的一個(gè)概念“土骨架”，土骨架中含有連接的孔隙，孔隙中的流體在勢能差的作用下會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此，土體中具有被水等液體滲透通過的性質(zhì)稱為土的滲透性。

非飽和土的滲透系數(shù)是反映水分在土體中運(yùn)動(dòng)快慢的指標(biāo)，影響滲透系數(shù)的因素有土的粒徑大小與級(jí)配、孔隙比、礦物成分、結(jié)構(gòu)、飽和度。其中土的粒徑與級(jí)配、孔隙比對(duì)土體滲透系數(shù)影響起決定性作用。當(dāng)外界存在自由水時(shí)，水會(huì)向土體進(jìn)行滲透，非飽和土向飽和土方向發(fā)展［3］，也有應(yīng)用表明土越密實(shí)，孔隙比越小，滲透系數(shù)越低［4］。

3 混凝土水泥水化、硬化過程及原理

有研究指出混凝土中水泥水化過程分為五個(gè)階段，即誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期、穩(wěn)定期［5］。

（1）誘導(dǎo)前期是指水泥在加水后引起的劇烈反應(yīng)，該階段一般在15 min左右。

（2）誘導(dǎo)期是指水化速率極其緩慢的階段，是混凝土保持塑性的重要原因，該階段一般在2～4 h。

（3）加速期是指水化速率重新加快，并隨著時(shí)間的增加而增加的階段，是漿體結(jié)構(gòu)成型的重要階段，該階段在4～8 h。

（4）減速期是指水化速率開始下降，并隨著時(shí)間的推移而持續(xù)降低的階段，該階段在12～24 h。

（5）穩(wěn)定期是指水化速率重新變得很低，反應(yīng)過程基本趨于穩(wěn)定，該階段一般在24 h之后。

T.C.Powers模型［6］認(rèn)為水在混凝土體系中分為兩類，即蒸發(fā)水和非蒸發(fā)水，蒸發(fā)水不參與水化反應(yīng)，非蒸發(fā)水參與水化反應(yīng)。在理想狀態(tài)下，當(dāng)所加水量全部為非蒸發(fā)水時(shí)，混凝土水膠比為0.227，但實(shí)際施工中的混凝土水膠比遠(yuǎn)大于該值。因此在混凝土水化前期沒有形成漿體結(jié)構(gòu)的階段，其內(nèi)部還有大量未參與水化且不受漿體結(jié)構(gòu)限制的自由水。

4 研究內(nèi)容與方法

4.1 研究內(nèi)容

由于混凝土強(qiáng)度影響因素眾多，除了混凝土自身及原材、環(huán)境等因素外，土體的各項(xiàng)性質(zhì)及狀態(tài)對(duì)現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度有重要影響，本文著重研究土的密實(shí)程度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

4.2 試驗(yàn)方案

在現(xiàn)場劃出十個(gè)試驗(yàn)區(qū)段，各個(gè)區(qū)段通過機(jī)械碾壓，使每個(gè)區(qū)段土體形成不同的壓實(shí)度，在每個(gè)區(qū)段內(nèi)制作出若干試坑，模擬施工澆筑混凝土的狀態(tài)，并預(yù)制對(duì)比試件。經(jīng)28 d后，對(duì)不同條件下混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，并將現(xiàn)場澆筑取樣試件、現(xiàn)場預(yù)制同條件標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件進(jìn)行28 d強(qiáng)度對(duì)比。

4.3 試驗(yàn)步驟

4.3.1 土樣制取及室內(nèi)試驗(yàn)

為保證對(duì)施工的指導(dǎo)性，本試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在離石大武鎮(zhèn)工地，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)地點(diǎn)現(xiàn)場取土樣［7］，現(xiàn)場應(yīng)去除表面浮土和雜質(zhì)方可進(jìn)行取土。將土樣在室內(nèi)進(jìn)行天然含水率、顆粒分析、液塑限、重型擊實(shí)等試驗(yàn)。

由表1可知小于0.075 mm組分的含量為58.7%，塑性指數(shù)為8.7，文獻(xiàn)［8］中關(guān)于土類劃分該土質(zhì)應(yīng)為粉土。

表1 土樣各項(xiàng)指標(biāo)

4.3.2 現(xiàn)場壓實(shí)度控制

本試驗(yàn)段全長約100 m，寬約2 m，在全段長度內(nèi)采用環(huán)刀法取得10個(gè)土樣測得原狀土的干密度。根據(jù)要求，原狀土樣同一組試樣間密度的允許差值為0.03 g/cm3，本試驗(yàn)測得原狀土密度為1.40～1.42 g/cm3之間，極差為0.02 g/cm3，符合要求的允許差值，故以壓實(shí)度的平均值為代表值即78.4%。將全試驗(yàn)段分為10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長度約10 m，利用壓實(shí)機(jī)械將每個(gè)區(qū)域壓實(shí)度都提高到一定數(shù)值，即從原狀土初始?jí)簩?shí)度開始，每個(gè)區(qū)域壓實(shí)度以1%～3%遞增。壓實(shí)機(jī)械采用JM812HB垂直振動(dòng)壓路機(jī)，作業(yè)前清除地表浮土、垃圾等，在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行靜壓或者振動(dòng)壓實(shí)過程中，及時(shí)測取每段干密度，以保證將壓實(shí)度控制在預(yù)期要求范圍內(nèi)。為保證每段壓實(shí)度的均勻性和代表性，應(yīng)在距原地面10～20 cm深度進(jìn)行環(huán)刀法試驗(yàn)，每段測定壓實(shí)度的樣本均不少于6個(gè)，測點(diǎn)距每區(qū)段長度方向邊緣至少2 m，同一測區(qū)干密度極差不大于為0.03 g/cm3，以平均值作為區(qū)域代表值（見表2）。

表2 各區(qū)域壓實(shí)度代表值

4.3.3 混凝土準(zhǔn)備及試件制作、養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，設(shè)計(jì)坍落度為180～220 mm，配合比依據(jù)文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)配合比

準(zhǔn)備22組邊長為150mm×150 mm×150 mm經(jīng)校準(zhǔn)合格的試模，刷油后備用。在現(xiàn)場用平鏟將各段分別挖出6個(gè)邊長約為20 cm和6個(gè)邊長為15～16 cm的立方體試坑，試坑邊緣間距不少于1 m且距各區(qū)段邊緣不少于2 m。在拌和站按照表3配比拌制混凝土，拌制過程應(yīng)按照文獻(xiàn)［10］執(zhí)行，通過混凝土罐車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，將混凝土卸到小推車上人工制作試件，試件制作整個(gè)過程應(yīng)按照文獻(xiàn)［11］執(zhí)行。

將制作好的2組試?；炷练旁?0℃±5℃的室內(nèi)靜置，剩余20組試件放在試驗(yàn)現(xiàn)場靜置。24 h后將室內(nèi)及現(xiàn)場的試件脫模、編號(hào)。將室內(nèi)脫模的試件放到溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將現(xiàn)場脫模的試件分別放入每段已挖好的邊長約15～16 cm的立方體試坑中，并用擾動(dòng)土填補(bǔ)到試件與試坑的縫隙中，保證試件與土體完全接觸。

4.3.4 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

從加水拌和開始28 d后，在20 cm的立方體試件上制取φ100×100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件?？紤]圓柱體試件的代表性，成型后的圓柱體試件應(yīng)取自立方體試件的中心部位，試件尺寸偏差要求應(yīng)符文獻(xiàn)［12］規(guī)定，并對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，將標(biāo)養(yǎng)試件、同條件試件和圓柱體試件分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（見表4）。

圖1 混凝土強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化曲線

表4 圓柱體及立方體試件抗壓強(qiáng)度

從圖1、表4中可以發(fā)現(xiàn)：（1）芯樣試件的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增長，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土強(qiáng)度增長放緩；（2）同條件標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加緩慢增長，壓實(shí)度較高時(shí)幾乎不增長；（3）在低壓實(shí)度時(shí)同條件的試件強(qiáng)度明顯高于圓柱體試件，隨著壓實(shí)度不斷升高，同條件立方體試件與圓柱體試件強(qiáng)度差距逐漸變??；（4）當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)，標(biāo)養(yǎng)立方體試件強(qiáng)度與折算后同條件立方體試件強(qiáng)度相差無幾［13］。

4.3.5 結(jié)果分析

對(duì)于上述結(jié)果，通過結(jié)合土體及混凝土理論可以發(fā)現(xiàn)：

（1）芯樣試件的強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增長的原因是由于在同土質(zhì)條件下，低壓實(shí)度中土體氣相占比較大，孔隙率較高，滲透系數(shù)較大，導(dǎo)致水在土體中更加容易流動(dòng)；另一方面由于混凝土水泥漿體在水化前期自身結(jié)構(gòu)沒有形成，自由水因?yàn)楸换炷磷陨斫Y(jié)構(gòu)限制較小，所以在土體的滲透作用下向土體中遷移，而且水泥水化是一個(gè)長期過程，在水泥水化穩(wěn)定期以后混凝土中水泥水化程度會(huì)因水分減少而逐漸受到限制，甚至停滯，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展達(dá)不到預(yù)期，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。隨著壓實(shí)度逐漸升高，土體密實(shí)度增加，土體氣相占比變小，孔隙比變小，滲透系數(shù)下降，導(dǎo)致水在土體中流動(dòng)變得困難，水的滲透、遷移特性越不明顯。這種狀況下使得混凝土內(nèi)部的水分流失逐漸變慢，混凝土中水泥水化的限制減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以逐漸完善，使混凝土強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加逐漸增長。

（2）當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí)，土體非常密實(shí)，孔隙比很小，滲透性也變得很小，混凝土中的水遷移更加緩慢，幾乎不影響混凝土內(nèi)部水泥的水化進(jìn)程，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展非常完善，故芯樣強(qiáng)度與同條件立方體試件相差無幾。

（3）因混凝土硬化漿體結(jié)構(gòu)性能與水化早期漿體結(jié)構(gòu)形成密切相關(guān)，試?；炷羶?nèi)自由水除少量蒸發(fā)外，沒有因土體的滲透性而遷移。因此，混凝土在水化前期漿體結(jié)構(gòu)形成幾乎不受影響，且在漿體結(jié)構(gòu)形成之后，內(nèi)部自由水的移動(dòng)會(huì)因漿體結(jié)構(gòu)的存在而受到限制，土體滲透性影響力下降，在低壓實(shí)度下，混凝土自由水遷移量減少，較大程度保證了混凝土后續(xù)的水化硬化，因此在土體中的混凝土立方體試件強(qiáng)度隨著壓實(shí)度降低而略有下降。也因?yàn)橥馏w中成型的混凝土在前期漿體結(jié)構(gòu)未形成前，由于土體滲透作用，使混凝土中自由水流失，導(dǎo)致在低壓實(shí)度條件下，試模中成型的混凝土強(qiáng)度要高于土體中混凝土的強(qiáng)度。

（4）同條件立方體試件的強(qiáng)度受土體影響較小，只受外界溫度、濕度影響，因此當(dāng)壓實(shí)度到達(dá)89%以上時(shí)，同條件立方體試件的強(qiáng)度經(jīng)過折算系數(shù)修正后與標(biāo)養(yǎng)試件的強(qiáng)度幾乎相同。

（5）需要指出的是混凝土中摻了粉煤灰，粉煤灰的二次水化對(duì)混凝土后期強(qiáng)度幫助較大，但粉煤灰的二次水化程度也受水泥前期水化產(chǎn)生的Ca（OH）2數(shù)量的影響，由于混凝土前期水化受限，產(chǎn)生的Ca（OH）2數(shù)量不足，所以粉煤灰對(duì)圓柱體試件的強(qiáng)度發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)和分析可以得出結(jié)論，不飽和粉土在低壓實(shí)度條件下，現(xiàn)場澆筑的混凝土強(qiáng)度受土體作用的影響，并隨壓實(shí)度增加而增長；當(dāng)不飽和粉土壓實(shí)度達(dá)到95%以上時(shí)，現(xiàn)場澆筑混凝土強(qiáng)度不受土體作用影響，并能達(dá)到混凝土強(qiáng)度的預(yù)期要求。