輕質(zhì)混凝土在破碎巖質(zhì)邊坡支護(hù)中的應(yīng)用與性能分析

闕陳燕,林 福,陳善良

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

破碎巖質(zhì)在人為擾動(dòng)或者降雨、地震等自然因素影響下極易發(fā)生危巖崩塌、邊坡滾落石和局部溜塌的災(zāi)害,這些災(zāi)害給破碎巖質(zhì)區(qū)域的城鎮(zhèn)、礦山以及高速公路等都帶來(lái)了極大的安全隱患。目前已有多種多樣的邊坡支護(hù)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中,如排樁支護(hù)、錨桿框架梁支護(hù)、擋土墻支護(hù)等。但應(yīng)用的依舊多為傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)和加固技術(shù),不僅施工工程量大、施工工期長(zhǎng)、材料搬運(yùn)困難大,并且無(wú)法做到對(duì)邊坡邊開(kāi)挖邊支護(hù)[1-2]。因此,提出將輕質(zhì)混凝土應(yīng)用到破碎巖質(zhì)邊坡支護(hù)工程中,設(shè)計(jì)組合護(hù)坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),優(yōu)化混凝土配合比,經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬與承載試驗(yàn)驗(yàn)證,得到質(zhì)輕、高強(qiáng)的預(yù)制裝配式邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。輕質(zhì)混凝土護(hù)坡構(gòu)件的質(zhì)量顯著減小,且承載能力有保障,安裝便捷、高效,大大節(jié)省了人力物力。將輕質(zhì)混凝土護(hù)坡構(gòu)件工廠化生產(chǎn)后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng),可實(shí)現(xiàn)邊開(kāi)挖邊支護(hù)。保障破碎巖質(zhì)邊坡支護(hù)效果的同時(shí)顯著縮短施工周期。

1 輕質(zhì)混凝土概況

1.1 輕質(zhì)混凝土材料性能

1.1.1質(zhì)輕

輕質(zhì)混凝土又名泡沫混凝土,在建筑工程中應(yīng)用廣泛,主要由發(fā)泡劑、膠凝材料、水和減水劑等材料組成。輕質(zhì)混凝土是將空氣、氧氣、氮?dú)獾葰怏w在砂漿混合物攪拌過(guò)程中引入混凝土漿體中,從而在內(nèi)部隨機(jī)形成大量細(xì)小的封閉氣孔的混凝土制品[3]。因此與普通混凝土相比,其密度較低、質(zhì)量較輕,采用輕質(zhì)混凝土可降低建筑物對(duì)地基的重力,不僅可降低人力、物力的支出,基礎(chǔ)成本也隨之降低。

1.1.2保溫隔熱性好

由于制備輕質(zhì)混凝土?xí)r引入了大量的泡沫,制備完成后其內(nèi)部充滿了大小適中、分布均勻的空隙。空氣本身的導(dǎo)熱系數(shù)較小,且孔隙是封閉的,很難形成對(duì)流傳熱,無(wú)法將熱量大量傳遞出去,因此,孔隙中空氣的存在使得其保溫隔熱性能較好。建筑領(lǐng)域也常將輕質(zhì)混凝土作為一種保溫材料應(yīng)用。

1.1.3施工便捷

輕質(zhì)混凝土施工流程較為簡(jiǎn)單、所用施工周期短,還可現(xiàn)場(chǎng)澆筑使用,可顯著提升破碎巖質(zhì)地區(qū)邊坡治理效果,減少邊坡的沉降量,增強(qiáng)邊坡的完整性和耐用性。輕質(zhì)混凝土中礦物摻合料的活性成分能夠與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成凝膠,使得漿料之間緊密粘接,從而增強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度[4-5]。

1.1.4強(qiáng)度低

輕質(zhì)混凝土也存在一些缺點(diǎn),如混凝土表面易開(kāi)裂、吸水、強(qiáng)度低等。輕質(zhì)混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度都不如普通混凝土,這也使其使用受到了一定局限。同時(shí)在外界溫度、載荷等因素的影響下,也容易出現(xiàn)一定程度的微裂紋和損傷。

1.2 輕質(zhì)混凝土材料的發(fā)展前景

輕質(zhì)混凝土保溫隔熱、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn),使其在提倡綠色節(jié)能的今天,輕質(zhì)混凝土相關(guān)產(chǎn)品如輕質(zhì)混凝土墻板、輕質(zhì)混凝土砌塊、輕質(zhì)混凝土耐火保溫制品以及輕質(zhì)混凝土現(xiàn)澆市場(chǎng)的發(fā)展必將更加廣闊。由于該材料的強(qiáng)度較低,實(shí)際工程中使用容易出現(xiàn)裂縫,而環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑是混凝土防護(hù)與修復(fù)工作中應(yīng)用非常廣泛的一種膠粘材料,膠粘材料與輕質(zhì)混凝土的結(jié)合使用也是一大趨勢(shì)。如BE14耐潮濕無(wú)溶劑型環(huán)氧底漆,可直接涂裝在濕的或干的混凝土表面,無(wú)有害揮發(fā)物,具有優(yōu)異的基底和內(nèi)層粘附力,可發(fā)揮超強(qiáng)的防水、防蝕和保護(hù)作用[6];PU-20高黏度環(huán)保膠水,是可用于混凝土的防滲堵漏粘合劑,是聚氨酯、環(huán)氧群和醚的聚合物,與水起反應(yīng)逐漸達(dá)到高彈性,用于裂縫處可防止水的滲透?？梢?jiàn),環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的應(yīng)用可顯著提升混凝土材料的承載能力、抗?jié)B透能力以及延長(zhǎng)其使用壽命等,可促進(jìn)其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用[7]。

1.3 輕質(zhì)混凝土在工程中的應(yīng)用

可將輕質(zhì)混凝土用于高速鐵路陡坡路基工程中,減小路基的沉降值,較好的控制支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,減小路基橫向差異沉降等,解決高速鐵路陡坡路基施工的技術(shù)難題?？刹捎幂p質(zhì)混凝土進(jìn)行山區(qū)公路高陡邊坡路基填筑,增強(qiáng)路基抗滑穩(wěn)定性,減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞、縮短工期。同時(shí),在實(shí)際的邊坡支護(hù)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,往往先需要修坡,由于邊坡的巖層已經(jīng)破碎,修坡的難度較大,容易出現(xiàn)局部垮塌的現(xiàn)象,不利于坡面的平整。設(shè)計(jì)時(shí)盡量規(guī)避風(fēng)化嚴(yán)重、巖體破碎的區(qū)域,保障施工人員安全[8]。

2 輕質(zhì)混凝土邊坡支護(hù)組合式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 裝配式組合護(hù)坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是連接整個(gè)邊坡支護(hù)工程的關(guān)鍵,與邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著密切關(guān)聯(lián)。該裝配式組合結(jié)構(gòu)分為上、下兩層,節(jié)點(diǎn)上下部分預(yù)留有定位裝置。裝配式護(hù)坡節(jié)點(diǎn)側(cè)視圖如圖1所示[9]。

圖1 裝配式護(hù)坡節(jié)點(diǎn)側(cè)視圖

凹凸碗型的定位設(shè)計(jì)可以更好連接分層節(jié)點(diǎn),并增加該分層構(gòu)件的抗滑移效果。構(gòu)件中留有一個(gè)直徑為86 mm的錨孔,錨孔中嵌有一個(gè)內(nèi)徑為76 mm的套筒。構(gòu)件之間的連接可靠程度是決定邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)整體支護(hù)能力的重要因素。在復(fù)雜的邊坡支護(hù)工程中,一個(gè)便捷、靈活、可靠的支護(hù)構(gòu)件連接方式,可直接縮減施工周期,因此,該支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用高強(qiáng)螺栓預(yù)緊鋼板的連接方式,以適應(yīng)復(fù)雜的邊坡情況。螺栓連接構(gòu)件主要由15 mm厚的連接鋼板、10 mm厚的壓塊、螺桿和螺帽組成[10-11]。

2.2 輕質(zhì)化泡沫配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)“強(qiáng)度弱化”原理進(jìn)行輕質(zhì)混凝土材料的配比,先制作強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土試樣和高強(qiáng)度的輕質(zhì)混凝土試樣,然后不斷增加發(fā)泡劑以不同體積的泡沫代替原有的粗骨料。該試驗(yàn)初步確定C50混凝土的各種材料配合比為水∶水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶外加劑=1.6∶4.6∶0.5∶6.78∶1.06∶0.1,C50混凝土的水膠比為0.3。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果中水灰比、膠體用量等比例對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響程度,在該配合比的基礎(chǔ)上對(duì)輕質(zhì)混凝土的配合比進(jìn)行了調(diào)整,并按照輕質(zhì)混凝土填筑相關(guān)技術(shù)規(guī)程制備輕質(zhì)混凝土試樣,制備流程如圖2所示。

圖2 輕質(zhì)混凝土的制備流程

將制得的輕質(zhì)混凝土試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折性能、導(dǎo)熱系數(shù)等測(cè)試,依據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整與優(yōu)化原材料的配合比。調(diào)整后的輕質(zhì)混凝土水膠比為0.2,泡沫摻入體積量為5 L,最佳的試驗(yàn)配合比為水∶水泥∶砂∶礦粉∶減水劑=1.6∶5.4∶9.6∶2.6∶0.18。制得的輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度高達(dá)41 MPa,密度為2.0×103kg/m3[12-13]。

2.3 數(shù)值模擬

組合護(hù)坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)混凝土配合比確定之后,借助ABAQUS工程模擬的有限元軟件,以其豐富的材料模型庫(kù)對(duì)邊坡支護(hù)構(gòu)件進(jìn)行分層建模,模擬在外力作用下邊坡支護(hù)工程材料的性能和構(gòu)件受力情況,如節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)整體切面、局部碗口抗滑移處、鋼板連接處局部的應(yīng)力大小與分布[14]。該試驗(yàn)輕質(zhì)混凝土模型采用C40 混凝土進(jìn)行折減,僅改變強(qiáng)度。其中構(gòu)件連接所用的螺桿和鋼板按照Q345 鋼材進(jìn)行建模。建模所用參數(shù)取值如表1所示。

表1 建模所用參數(shù)取值表

利用ABAQUS軟件模擬護(hù)坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的受力情況,通過(guò)觀察與分析構(gòu)件整體和不同部位的應(yīng)力分布云可以得出,節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在錨索錨固局部范圍內(nèi)呈現(xiàn)應(yīng)力顯著增大的情況[15]。在護(hù)坡結(jié)構(gòu)中,節(jié)點(diǎn)是錨索張拉和封錨的位置,幾乎承擔(dān)了錨索的全部預(yù)應(yīng)力荷載。錨固區(qū)又是混凝土構(gòu)件中承受錨具傳來(lái)的預(yù)加力的構(gòu)件區(qū)段,是節(jié)點(diǎn)的核心受力部位。因此在混凝土護(hù)坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,將錨孔區(qū)做了局部加強(qiáng),提高了配筋率,以混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度。

3 承載性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)概況

為進(jìn)一步探究輕質(zhì)混凝土構(gòu)件上下層的整體性和破壞形式,利用與實(shí)際邊坡支護(hù)工程中所用構(gòu)件相同尺寸的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件,進(jìn)行節(jié)點(diǎn)承載性能試驗(yàn)。對(duì)于輕質(zhì)混凝土構(gòu)件,每次增加100 kN的荷載,探究0～500 kN荷載之間構(gòu)件的撓度變化,每級(jí)荷載持荷8 min。400 kN增加至500 kN時(shí),先增加至450 kN持荷8 min,然后再增加至500 kN;得出的節(jié)點(diǎn)加載全程的荷載-撓度曲線如圖3所示。同時(shí)記錄每增加100 kN荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)的破壞情況和裂縫的發(fā)展情況,推理混凝土構(gòu)件的破壞形式。

圖3 輕質(zhì)混凝土構(gòu)件荷載-撓度曲線

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

在荷載加載至150 kN之前,輕質(zhì)混凝土護(hù)坡節(jié)點(diǎn)構(gòu)件沒(méi)有明顯損壞趨勢(shì);當(dāng)加載至150 kN時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)明顯的損壞現(xiàn)象,在上層十字節(jié)點(diǎn)頂部出現(xiàn)了一條裂縫,裂縫有緩慢發(fā)展趨勢(shì);加載至250 kN時(shí),上層十字節(jié)點(diǎn)的側(cè)面也出現(xiàn)了裂縫;在400 kN 加載至500 kN過(guò)程中,裂縫由上層十字節(jié)點(diǎn)側(cè)面的中部延伸到了側(cè)面的底部,且加載至設(shè)定的最大荷載時(shí),上層十字節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的裂縫最大可達(dá)0.7 mm,下層節(jié)點(diǎn)頂面也開(kāi)始出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。在500 kN荷載時(shí)撓度最大,為5.508 mm。整個(gè)試驗(yàn)中沒(méi)有達(dá)到混凝土構(gòu)件的最大承載力,裂縫開(kāi)展較少,在達(dá)到屈服狀態(tài)后仍能吸收一定能量,避免脆性損壞的發(fā)生,良好的延性可較好保證邊坡支護(hù)工程中混凝土構(gòu)件的安全性[16-17]。

雖然混凝土護(hù)坡節(jié)點(diǎn)構(gòu)件出現(xiàn)的裂縫和撓度在可允許范圍內(nèi),能夠滿足正常承載力要求,但混凝土構(gòu)件是在破碎巖質(zhì)、環(huán)境惡劣的野外工作,裂縫的存在勢(shì)必會(huì)加快構(gòu)件中鋼筋的氧化速度,影響邊坡支護(hù)工程的防護(hù)效果。因此在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)輕質(zhì)混凝土構(gòu)件表面的防水性能,增強(qiáng)構(gòu)件的使用壽命。在后期的應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)的經(jīng)常性養(yǎng)護(hù)和破壞后的修復(fù)。

3.3 環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的修復(fù)工藝

可使用復(fù)合型環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修復(fù),修復(fù)工藝流程如下:

(1)清縫:首先將混凝土裂縫中的灰塵、砂礫等雜質(zhì)清除干凈。不易清潔的小縫隙,可用水或吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行清除,以更好發(fā)揮膠粘劑超強(qiáng)的附著力;

(2)埋設(shè)漿嘴:一般將漿料噴嘴埋在混凝土裂縫較寬處、交錯(cuò)處和裂縫端部等,需結(jié)合漿料的黏度、設(shè)備壓力以及裂縫特性等因素確定噴嘴的間距,工業(yè)領(lǐng)域漿料噴嘴的間距大多在0.4～2.0 m;

(3)糊縫:給漿料施加一定的壓力,避免環(huán)氧樹(shù)脂漿料泄漏的同時(shí),還可使?jié){料達(dá)到混凝土裂縫深處;

(4)注膠:將復(fù)合型環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑放入罐中,并用氣泵向罐施加壓力,以使膠粘劑流過(guò)軟管進(jìn)行注膠。一條裂縫上的注膠可由淺到深、由上而下,從裂縫的一端到另一端。以較低的壓力和較長(zhǎng)的注膠時(shí)間可獲得更好的注膠效果;

(5)可采用巖心鉆孔法檢驗(yàn)?zāi)z粘劑是否充滿裂縫。膠粘劑修復(fù)達(dá)到要求后,拆除漿嘴,抹平糊縫,即可完成以環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑對(duì)混凝土裂縫的修復(fù)流程[18-19]。

4 結(jié)語(yǔ)

輕質(zhì)混凝土護(hù)坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用分層設(shè)計(jì),相比于普通混凝土,構(gòu)件施工質(zhì)量得到明顯減輕。構(gòu)件的定位連接方式可更好地將分層節(jié)點(diǎn)疊合,提升施工效率和質(zhì)量。通過(guò)調(diào)整水膠比、膠體總量等,得到最佳試驗(yàn)配合比,水∶水泥∶砂∶礦粉∶減水劑=1.6∶5.4∶9.6∶2.6∶0.18。輕質(zhì)混凝土構(gòu)件在荷載不斷增加過(guò)程中,裂縫產(chǎn)生較少,構(gòu)件延性較好,在實(shí)際的邊坡支護(hù)工程中應(yīng)用建議做好防水和修復(fù)措施,以提高輕質(zhì)混凝土構(gòu)件的耐久性[20]。