利用数值方法分析透水混凝土力学性能在护坡工程稳定性中的应用

  绪论

  1.1课题研究背景及意义

  近年来,在我国城市化的迅猛发展的大环境下,环境问题已经成为我国的最热门的问题之一,在工程建设中,时时刻刻都离不开环境因素。伴随着大规模基础建设的投入,岩质边坡的工程数量也在逐年增加,从而引起的水土流失现象十分严重,水土流失的同时也在破坏我们的绿色家园[1]。目前我国水土流失的现象已经十分严峻,并且导致了经济与环境、发展与制约的矛盾问题。在近几年的金融危机的大环境下,国家为了发展解决就业和刚需,使我国资源利用率得以提高,普通基本设施得到快速的发展。从而出现了比较多的裸露边坡,现在限制我国发展的最重要的问题是怎样才能阻止这些边坡的水土流失,防止土地沙漠化等这些问题[2]。
  在保护环境的大前提下,现代工程要求边坡防护工程不仅要考虑其稳固性还要考虑其环保的要求。在传统的护坡技术中,通常只从力学的角度出发,仅仅是为了满足边坡的稳定性要求。没有考虑或者忽略了构筑物对原有生态环境的破坏,并且最重要的是已经破坏的植被很难恢复到原来状态,在外部环境下,建筑物的本身强度会由于受到风雨侵蚀而降低,保护生态环境的效果很差[3]。
  绿色生态护坡理念与传统的护坡技术会有些相似也有些不同,绿色生态护坡理念的诞生有着重大的意义。绿色生态护坡就是通过植被来对土体达到锚固的作用,来减轻坡面的破坏,对于一般的土质边坡,植被在土壤没有被破坏的前提下,绿色生态护坡具有非常好的生态以及经济发展潜能[3]。由于没有植被所生长的环境等问题,对于岩质边坡而言,它的生态环境要比土质的边坡生态环境恶略的多,这种情况很容易在高陡岩质边坡发现。
  而绿色生态混凝土的诞生很好的解决了这一问题,绿色生态透水混凝土在对其强度和耐久性的基础上,为了保护环境开发出的一种新型混凝土[4]。该混凝土不仅能起到护坡的作用,其孔隙率大,有良好的透气性,还具有透水性。能实现植被生长的需求,具有净化水源,美化环境,改善护坡外观和保护生态环境的优点。与护坡相结合,研究出一种新型技术——锚喷绿色生态透水混凝土生态护坡技术。本文会从实验研究、工程实际经验以及数值模拟三方面展开探讨。

  1.2边坡防护工程的基本概念以及研究现状

  边坡防护的意思是为了避免人类因为受人为或者受自然破坏而配套的具有保护性能的结构[5]。其主要分为传统护坡工程和绿色生态护坡工程。
  1.2.1传统护坡工程
  传统护坡结构以结构分类大致有6种:扶壁式挡墙、重力式挡墙、锚喷挂网支护、排桩式锚杆挡墙支护、悬臂式挡墙、板肋式或格构式锚杆挡墙支护。锚喷挂网支护主要应用在:(1)边坡的表面有比较恶劣的分化,但坡体的岩性表面坚硬;(2)容易受到外部环境的影响,岩质边坡节理发育容易碎裂和塌落,导致部分块石崩塌;(3)边坡周围的岩石不稳定、强度不高,岩石边坡易发生崩塌[5]。
  在传统的护坡技术中通常只从力学的角度出发,仅仅是为了满足边坡的稳定性要求。没有考虑或者忽略了构筑物对原有生态环境的破坏,破坏的植被往往很难恢复平衡,保护生态环境的效果很差。
  1.2.2生态护坡工程
  生态护坡之所以常常被人称为植被固坡,是因为绿色生态护坡的原理就是利用植被的根系来锚固土体,进而减轻坡面的破坏[6]。
  绿色生态护坡的形式包括6种:(1)人工种植草皮支护;(2)客土植生植物护坡;(3)网格生态护坡;(4)生态袋护坡;(5)平铺草皮护坡;(6)液压喷播植草护坡。它存在在人工种植草坡护坡工程中,以及液压喷播护坡等都有这个问题;在后期,生态袋护坡的主要问题是稳定性不高;客土植生植物护坡可用与岩质边坡,前提是坡度不能太大。
  1.2.3生态边坡的研究现状
  (1)国外研究现状
  生态护坡技术在国外开始的时间,例如在欧洲国家和美国、日本和其他国家,开始的时间比较早,比国内的要早得多。第一次将此技术应用于实际工程中的是德国人,把植被应用到公路领域,并随之生态护坡技术得到了广泛的使用,扩大到其他各大工程领域[7]。在某些亚洲国家,生态护坡技术已经存在有60多年了,称其为坡面绿化。
  20实际60年代,川瑞勇作用草来用于道路坡面防护。
  20实际60年代,日本大学研究出喷射种子法,即将这种把种子喷射到边坡的方法,大量运用到高速道路的建设中,来减少日本的水土流失。
  20世纪70年代,日本从美国引进更为先进的喷射纤维,第二年通过自己的研究与实验实现了喷射纤维的国产化。
  20世纪80年代,日本开发出纤维绿化工法,这种方法也是最先把坡面绿化应用到岩体坡面的,经过多年的不断的改进,该技术在20世纪80年代获得广泛的传播并延续到今天。
  20实际60年代,日本又着手绿色生态透水混凝土的研究,且实现了实验目的,取得了想要的实验结果。
  日本作为发达国家在绿色护坡的领域中,作出了重大贡献,并且工程应用技术与研究领先于西欧东欧等国家[8]。
  (2)国内的研究现状
  我国植物护坡的技术已经相对成熟,且已应用多年,其中1969年通过两岸种植柳树,来保护黄河的河岸可知道我国在植物护坡领域中也是早有实例。虽然我国该技术发展迅猛,但是相对于欧美等发达国家,技术还是相差很远。
  1990年以前,我国的技术还在探索当中,常用的方法是种草以及空心六棱砖等比较传统的护坡方法[9]。
  20世纪初,我国科学家研究员在黄土治山培训中心与日本联合,在黄土高原第一次展开了从今以后得到迅猛发展的坡面绿化的试验与实践的技术[10]。
  20世纪初,我国成功突破技术限制,根据技术要求引进了土工网植草护坡,在公路等工程应用中的作用显著。

  1.3生态透水混凝土的基本概念和研究现状

  透水混凝土因为有使用习惯的不同就有多种不相同的名称,比如,中文有无砂混凝土、多孔混凝土[11]、等,而英文名称则有pervious concrete,porous concrete等,21世纪初,日本混凝土协会将“连续孔隙率约为20%的混凝土”,用来描述透水混凝土;20世纪90年代,中国建筑科学研究所(China construction science research institute)将透水混凝土定义为“由水泥、粗骨料和水组成的无砂混凝土”。
  透水混凝土最明显的特点是骨料直径很大的粗骨料作为胶凝体的骨架,在这种直径较大的骨料之间中加入少量细骨料的砂浆形成薄层,在这些骨料之间形成界面,这种界面紧紧将骨料和砂浆结合,形成胶结层,进而形成骨架---孔隙结构,由图1-1可以看出透水混凝土内部含有大量的孔隙,它是一种多孔堆积结构,在颗粒间,这种多孔堆积结构通过硬化的水泥砂浆薄层胶结而成,所以该结构具有良好的透水性,但是由于孔隙结构较多的存在,其强度要比普通混凝土低很多[12]。
  在此基础上,生态型透水混凝土具有一定的孔隙率,并且对孔隙内的碱性水环境进行改造,孔隙内需要添加一定的保水剂,来保持植被生长所需要的水份。并对植被提供长期的缓释肥料,对于植被的生长都有着至关重要的因素,因此也叫作植生型透水混凝土[13]。
  Fig.1-1 structural model of permeable concrete
  1.3.2生态透水混凝土的国内外研究现状
  (1)国外研究现状
  在20世纪70年代,美国中部的一个停车场就用了生态透水混凝土进行铺装,美国环境保护署(EPA)已采取政策[14],建议使用透水路面用来减轻和管理路面雨水径流的问题。一般来说,使用透水混凝土的停车场空气温度比使用沥青路面停车场更冷,因此,透水混凝土停车场已被建议作为一个冷却社区的计划,用来解决路面温度过高的问题。透水混凝土停车场也减少了冬天冰雪的堆积。此外,透水混凝土被认为是对环境无污染的路面材料,其在停车场铺装设计的厚度应该在5到10英寸。由于空气和水的物理关系,导致植被在不透水的路面、人行道和景观中获取空气和水比较困难,而透水混凝土则可以在相同条件下,让植被获取更多的空气和水使其更好的成长。美国的庭院设计师和建筑师们希望透水混凝土多利用在停车场和市区的绿化方案中。美国环境保护署(EPA)认为由透水混凝土铺筑的路面有以下这些优点:①可以借助其透水性,直接利用水来清洗去除路面的各种灰尘脏污;②在下暴雨时,减轻对城市下水道的排水压力;③使道路更加安全,提高道路的防滑性;④补充当地的地下水资源。
  90年代中期,日本成立了“生态混凝土研究院”,对生态混凝土研究长达三年,取得了相当可观的研究成果。
  21世纪,日本对其又进步一探索,"高端技术委员会”制定了一种护坡功法,该做法适用于生态型透水混凝土,推进了生态混凝土在工程应用当中的重要作用。
  (2)国内研究现状
  20世纪末,清华大学的杨静[15]等人为了改善混凝土块的内部结构,在试验中加入了测试外加剂、6%的硅粉、增强剂等,提升了水泥胶粘剂的黏结能力。这种做法能够使透水混凝土的性能得到提高,比如工作性,其抗渗性、耐磨性、耐久性比较好;比如在28 d时候混凝土砌块的抗折强度达到6 MPa,并且它的抗压强度也能够到不低于50 MPa。由此,中国建材科学研究院得以在防水混凝土领域取得较为瞩目的成绩。并且,在我国南方大学中,中南大学的陈瑜教授、长安大学的郑幕廉教授等人为改善透水混凝土的力学性能发挥了重要作用,他们深入的将透水性混凝土的强度曲线发展关系、混凝土的弹性模量正确测试方法以及透水混凝土的比较经济适用的制备条件等领域进行了深入的研究。透水混凝土在其它工程实例中,虽然技术还不够完整全面,不够成熟,没有可用的统一标准,但是我们还是勇于实践,该技术被推广到环境、生态工程中,其中通过对邹常伟对透水混凝土的研究,发现了在外界环境的影响下,微生物总量发生改变,并且根据地下污水的悬浮膜特质和发生机制,研究出仪器中的生物膜特征和脱氮性能。在迅速发展的外界研究的大力向前,并且取得了很多瞩目的成就,于08、09年颁布了《透水砖路面(地面)设计与施工技术规程》(DBJ 13104—2008)和《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJT 135—2009),这意味着我国透水混凝土方面打开了新篇章。
  21世纪初,在郑幕廉教授等人在长安大学[16],做了一系列实验,应用比较先进的技术来对它展开研究,该技术通过应用恒定的水位测试实验,通过孔隙率和渗透率系数指标的参数。实验结果表明,有效孔隙率与全孔隙率有相关的线性关系,他们之间存在一种函数关系,当前者增大的时候,后者也会随之变大;抗压强度和总孔隙率也有一定的函数关系,当前者增大,后者逐渐减小,所以抗压强度与总孔隙率的相关性优于有效孔隙率。
  2007年,西南科技科技大学的蒋友新、张开猛[17]等人对生态型透水混凝土进行了进一步研究,主要研究了粉煤灰的比例以及其在混凝土当中的活性对生态型透水混凝土的强度的影响。

  1.4本文的研究内容

  本文以研究锚喷透水混凝土护坡方案为基础,着手通过岩质边坡防护工程,对其抗压强度和抗压强度、边坡防护在实际工程中的建设方法、施工特点等进行主要研究,大致研究方面如下:
  (1)结合实例,我们早就知道,粉煤灰是从燃煤电场中的锅炉烟气手机到的一种废弃物。首先我们确定了以粉煤灰替代率和骨料粒径对透水混凝土进行配合比设计,粉煤灰的化学成分因煤种和燃烧条件而异,在这里我们就是以不同骨料粒径和适当类型的粉煤灰进行分组配合比设计,然后根据实验数据进行调整用量。
  (2)孔隙率就是空隙占自然状态体积的百分数,它的多少影响孔结构,由于孔结构有很重要的地位,我们不能忽略这些。通过根据不同配合比设计下的试件进行标准抗压强度试验的测定;最好能够找出满足一定的喷锚需要的条件。从实验结果来看,集料颗粒形状和表面粗糙程度会影响混凝土的流动性。这表明当骨料粒径是10-15mm,粉煤灰替代率是20%,20d抗压强度为21.89MPa、孔隙率是21.3%的结果是满足的。
  (3)实验数据表明,透水性混凝土的孔隙率随骨料粒径的增大而增大,其抗压强度和抗压强度、渗透系数和粒径大小也成正比关系;随着粉煤灰替代率的增加,透水混凝土透水系数变小,孔隙率减小,当粉煤灰替代率为20%时,抗折和抗压强度均得到明显的提高。
  (4)利用ABQUES来分析边坡稳定性的前后变化,来验证透水混凝土在边坡防护方面的可行性。

  第2章新型透水混凝土的材料性能研究

  2.1透水混凝土配合比设计

  2.1.1配合比设计方法
  在对透水混凝土配合比在设计的时候,最经常用的方法有三种:体积法、质量法、比表面积法。
  从微观角度看,细分颗粒内部仍有不少空隙,所以不能达到最好的利用率,体积法砂子的孔隙刚好被水泥浆体所填充,是以粗集料空隙的大小为基础,按照实际需要的目标孔隙率经过具体的计算,算出所需水泥浆体的体积,再分别求出各材料质量;质量法是利用经验图表,所以凝固后会形成坚固的密实整体,能很快的计算得出每种原材料的用量,是易于现场施工和拌和的方法;绝对的来讲,质量法和体积法是绝对不同的两个概念,其中它的定义可以理解为:假设粗集料颗粒近似为完美的球体,用球的表面积与球的体积之比就可以求出比表面积的值[17]。下表2.1为三种配合比设计方法的对比:
  表2-1三种配合比设计的优缺点
  Table 2-1 the advantages and disadvantages of the design of the three combinations.
  配合比方法优点缺点
  质量法精简了配合比设计计算,利于现场拌合施工填充量大小没有依据
  体积法控制填浆体积,有利于计算目标孔隙率填充量增大时,实测孔隙率与目标孔隙率落差增大
  比表面积法传统混凝土骨料由浆体包裹的理论相符合必须先计算各个骨料的比表面积,浆膜厚度需多次实验
  根据现有试验设备以及透水混凝土的结构特点,更好的与实际工程相结合,本次研究方法采用体积法。
  体积法的理论基本思路如下:
  (1)砂子的空隙刚好被水泥浆体所填充;
  (2)石子的空隙又刚好被砂浆所填充,凝固后形成坚固的密实整体。
  根据透水混凝土要求的孔隙率和透水的特性,可以将这个理想状态表示如下:集料在紧密堆积的状态下,被水泥等胶结材料均匀的包裹粘连在一起,凝固后形成了多孔的堆积结构,其中,剩余的空隙就连接形成了混凝土内部相连通的孔隙。
  2.1.2实验原材料
  (1)水泥
  选用的水泥需强度至少42.5MPa。本次试验使用的水泥为P.O 42.5某牌普通硅酸盐水泥,技术指标见表2-2。强度指标见表2-3。
  表2-2 42.5普通硅酸盐水泥品质表
  Table 2-2 42.5 ordinary Portland cement quality table.
  品质指标标准值检测值品质指标标准值检测值
  细度(%)≤10.0 5.4三氧化硫(%)≤5.0 2.01
  初凝时间
  (h:min)≥45 2h氧化镁(%)≤3.5 2.78
  终凝时间
  (h:min)≤10 3.5h烧失量(%)≤5.0 2.93
  安定性合格合格混合材料(%)//
  表2-3普通硅酸盐水泥强度指标
  Table 2-3 ordinary Portland cement strength index.
  强度(MPa)抗折强度抗弯强度
  龄期(d)3 28 3 28
  标准值≥3.5≥6.5≥16≥42.5
  实测值5.0 7.3 25.6 45.5
  (2)粗骨料
  因为透水混凝土的特殊性,所以使用的骨料级配一般是间断级配或者单一级配骨料,使其堆积的粗细骨料中含有大量的空隙[18]。这种渗透型混凝土的骨料可采用碎石、普通砂,也可以使用陶粒、浮石等轻骨料,甚至可以使用废弃建筑的碎砖、混凝土起到环保的作用。骨粒粒径的选择对透水混凝土的强度和结构厚度起到重要作用,骨料的粒径不可以过大。根据研究表明,骨料的粒径越小,导致集料堆积表面积变大,颗粒之间的接触面变多,粘结的强度也会随之增强,使其混凝土整体强度增大。为了研究骨料粒径对具有能够抵抗渗水压力的混凝土的透水性的影响,实验把粗骨料分为2.5mm到5mm、5mm到10mm、10mm到15mm三组。骨料的实测指标如表2-4。
  表2-4粗骨料技术指标
  Table 2-4 technical indexes of coarse aggregate
  石子大小(mm)表观密度紧密堆积密度空隙率(%)
  2.5-5 2564 1520 40.7
  5-10 2540 1488 41.4
  10-15 2524 1456 42.32
  (3)矿粉掺合料
  在试验中可以采用的矿物掺合料种类有很多种,比如颗粒较细的粉煤灰、在高炉炼铁时所得的熔融物,也就是矿渣。这些掺合料,我们可以选择一种来掺加,也可以多种一起掺加使用,并且每种矿物掺合料使用的量不同,都会对混凝土的性能有所影响。因此对矿物掺合料的使用要慎重,不能随便使用其分量。在实际的使用中,硅灰是非常常见的,可是硅灰也有不利因素,硅灰会影响混凝土拌和物的流动性,所以通常会加入减水剂来使硅灰充分分散在水泥浆体中,但是硅灰的价格偏高,对生产成本有很大影响,又因为粉煤灰的性能主要有细度、颗粒形状,活性等。其中需水量常以粉煤灰需水量与水泥质量的比值来评论材料的这项指标[19]。所有指标中,我们通常要收集7d、28d、60d的试块强度值。在比较之下,前者的抗压强度不高,但是随着养护时间的增加,其28d的抗压强度有着明显的提高,在对比之下60d的抗压强度比不加粉煤灰的试块数值高很多。为了保证经济环保和材料的高效利用,通常,采用粉煤灰来代替硅灰。本次试验所用的粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,用同等质量来代替水泥,替代的比例为0、10%、20%、40%。
  表2-5粉煤灰化学成分
  Table 2-5 chemical composition of fly ash.
  化学成分二氧化硅氧化铝三氧化而铁氧化钙
  含量(%)52.21 27.42 3.32 3.56
  2.1.3配合比设计
  跟其他类型的混凝土不同,透水混凝土的配合比设计有如下几点差异:
  (1)透水混凝土基本上使用的是粗集料,不用考虑砂率的问题,细集料基本不用加入,我们按照材料的堆积密度,来确定使用量的多少[20]。
  (2)在设计配合比时,应该要同时考虑到孔隙率和强度。
  根据配合比设计的原则,将1m³的透水混凝土表观体积看做由骨料堆积而成,骨料的颗粒表面沾满了砂浆和水泥,由它们所覆盖。根据实际工程经验,骨料紧密堆积密度和水泥用量以及水量之和等于1m³透水混凝土的重量[21]。根据以上所述内容,透水混凝土的实验室配合比就能够顺利进行设定了。

  2.2透水混凝土的制备及养护

  2.2.1试件制备
  (1)确定试验用量
  在上一节的配合比设计中,我们得到了在不同水灰比和目标孔隙率下的各个材料的用量,混凝土的强大等级按立方体抗压强度标准值划分[22]。结合研究内容,采用的实验用量为如下表所示。实验试件分为两种:一种为边长为150mm的立方体试件,做三组试件,每组6个分为一组,来分别测量强度,抗折、抗压强度、孔隙率以及透水性;另一种为100mm×100mm×550mm的试块,每三个分为一组,用来测量抗弯强度。
  表2-7试验材料用量表
  Table 2-7 test material scale.
  组号(骨料粒径mm)粗骨料(kg)水(kg)水泥(kg)粉煤灰(kg)水灰比
  1(2.5-5)59.6 4.2 14.08 0 0.3
  2(2.5-5)59.6 4.2 12.672 1.408 0.3
  3(2.5-5)59.6 4.2 11.264 2.816 0.3
  4(2.5-5)59.6 4.2 8.448 5.632 0.3
  5(5-10)58.3 4.36 14.52 0 0.3
  6(5-10)58.3 4.36 13.068 1.452 0.3
  7(5-10)58.3 4.36 11.616 2.904 0.3
  8(5-10)58.3 4.36 8.712 5.808 0.3
  9(10-15)57.1 4.52 15.08 0 0.3
  10(10-15)57.1 4.52 13.572 1.508 0.3
  11(10-15)57.1 4.52 12.064 3.016 0.3
  12(10-15)57.1 4.52 9.048 6.032 0.3
  (2)透水混凝土拌和物的试拌
  此次实验搅拌为机械搅拌,因为透水混凝土为干硬性混凝土,所以拌和必须为强制搅拌机,如图2.1。
  此次实验在搅拌前把粒径大于3.7mm-3.1mm的骨料进行清理、干燥,目的是排除其中的杂质的干扰,因为这些杂质会形成低强度的胶结层影响强度的发展。同样搅拌机也需要进行清洗,以免内部有杂质,影响实验结果,拌出的混凝土如图2.2
  Fig.2.1 single horizontal concrete mixer Fig.2.2 concrete mix.
  (3)试件成型
  本次试验采用塑料模具成型,模具的规模大小为150mm×150mm×150mm以及100mm×100mm×550mm的模具,将拌和好的透水混凝土分三次装入试模中,每次装入时,用铁棒进行人工插捣压实,插捣次数为10次。待混凝土全部装入后用抹刀将表面抹平压实,做好标记放入标准养护室养护24h后脱模。
  一般混凝土采用的成型方式为振动成型,但是透水混凝土的成型没有采用这种方法,原因是透水混凝土所具有的胶结材料的量相对不多,如果通过机器振动的话,会使水泥浆从骨料之间的间隙流入到底部,堵住孔隙,造成封底的现象,若振动时间过长,水泥浆甚至全部流到试件底部(如图2.3)。封底现象的发生会使透水混凝土失去透水性,所以本次试验选择人工插捣成型。
  Fig.2.3 the phenomenon of excessive vibration time.
  (3)试件养护
  与普通混凝土相比而言,透水混凝土具有大量的连续孔隙的特点,比较容易干燥失水导致前期的强度很小。所以对其前期的养护极其重要,为了保证其不过分干燥、保持湿度,本实验采用薄膜洒水养护,将脱模后的试件洒水后用保鲜膜包裹后进行养护,注意每隔一段时间要重复对试件洒水,保持充分的水分,养护28天后进行实验(图2.4)。
  2.3透水混凝土力学性能抗压强度实验
  2.3.1试件抗压强度实验
  本次研究中,对试件强度进行测试的主要依据是GB50010《混凝土结构设计规范》[22]中对混凝土强度的说明内容,试件的面积为100mm×100mm,受力面积为100mm×100mm。本次试验所用仪器为吉林建筑大学所用DYE-2000型数字式压力试验机和RFP-03型智能测力仪,仪器为下图2.5所示。试验过程中,试件承受荷重的增加以及增加速度都是在参考相应规范下进行。本次研究中透水混凝土的设计强度为30MPa以下,所以荷重速度应该控制0.3MPa/s到0.5MPa/s。
  抗压强度的计算公式如下2-5:
  (2-5)
  其中:P为破坏荷载,A为实验试件的表面积。
  图2.5 DYE-2000型数字式压力试验机和RFP-03型智能测力仪
  Fig 2.5 DYE-2000 digital pressure tester and RFP-03 intelligent dynamometer
  2.3.2实验结果分析
  表2-8为立方体抗压测试的结果。在一定的水灰比和目标孔隙率下,粗骨料与粉煤灰替代率的不同的结果。
  表2-8立方体抗压强度测试结果
  Table 2-8 results of cube compressive strength test
  编号骨料粒径(mm)水灰比目标孔隙率(%)粉煤灰替代率(%)抗压强度(MPa)
  1 2.5-5 0.3 20 0 14.23
  2 2.5-5 0.3 20 10 15.74
  3 2.5-5 0.3 20 20 18.23
  4 2.5-5 0.3 20 40 15.21
  5 5-10 0.3 20 0 16.34
  6 5-10 0.3 20 10 16.56
  7 5-10 0.3 20 20 20.20
  8 5-10 0.3 20 40 17.25
  9 10-15 0.3 20 0 17.64
  10 10-15 0.3 20 10 18.23
  11 10-15 0.3 20 20 21.89
  12 10-15 0.3 20 40 18.33
  图2.6为在不同骨料粒径抗压强度随着粉煤灰替代率的变化的趋势图,可以得出结论:
  图2.6不同骨料粒径抗压强度随粉煤灰替代率的变化的趋势图
  Fig.2.6 the trend diagram of the change of compressive strength of different aggregate particle size with the substitution rate of fly ash
  从图中可以得以下结论:
  (1)在骨料粒径相同下,粉煤灰替代率小于20%的时候,粉煤灰替代率越高,实验研究表明,用粉煤灰取代30%的水泥,可使用水量降低,而且抗压强度会变高;但是当细度超过45mm的粉煤灰替代率大于20%时,替代率越高,其28d标准抗压强度值会变低。
  (2)粉煤灰水泥中三氧化硫不能超过3.5%,比较合理的方法就是将熟料和磨石膏进行磨碎。
  2.3.3抗弯强度测试
  抗折强度是评价透水混凝土强度扥力学性能的重要参数,本实验是以100mm×100mm×550mm的非标准梁试件。混凝土内微观结构研究表明,结构内部会有空隙,当试件取出,用湿毛巾进行覆盖,多余的水分在水泥硬化后或残留在水泥石中,并及时将试件用于试验。混凝土试件在轴向拉力作用下,抗拉强度比抗压强度小很多。中部量出其宽度和高度。调整两个可移动支座,将试件安放在支座上,试件成型时的侧面朝上,一定要让支座和承压面与接触面的底下的垫块保持水平,如图2.7、图2.8。加荷速度为5MPa/s-0.08MPa/s。同时观察混凝土试件是否将要被破坏,当发现试件将要被破坏时,当试件断面为一个加荷点时,抗弯拉度强按下式2-6计算,如表2-9:
  (2-6)
  式中:—抗弯拉强度(MPa);
  F—极限荷载(N);
  L—支座间距离(mm);
  b—试件宽度(mm);
  h—试件高度(mm);
  —为非标准的抗折强度折减系数,取0.85。
  图2.7抗弯拉实验数据图2.8混凝土抗折试件
  Figure 2.7 Flexural tensile test data figure 2.8 concrete flexural specimens
  表2-9弯曲抗折强度实验结果
  Table 2-9 Experimental results of flexural strength
  编号骨料粒径(mm)水灰比目标孔隙率(%)粉煤灰替代率(%)抗折强度(Mpa)
  1 2.5-5 0.3 20 0 2.40
  2 2.5-5 0.3 20 10 2.88
  3 2.5-5 0.3 20 20 3.60
  4 2.5-5 0.3 20 40 3.00
  5 5-10 0.3 20 0 3.25
  6 5-10 0.3 20 10 3.60
  7 5-10 0.3 20 20 4.55
  8 5-10 0.3 20 40 3.73
  9 10-15 0.3 20 0 2.75
  10 10-15 0.3 20 10 3.35
  11 10-15 0.3 20 20 4.20
  12 10-15 0.3 20 40 3.25
  图2.9不同骨料粒径抗折强度随着粉煤灰替代率变化的趋势图
  Fig.2.9 trend diagram of different aggregate particle size flexural strength changing with fly ash substitution rate
  从图2.9我们可以得出:
  (1)在相同的骨料粒径,且粉煤灰替代率不大于20%的时候,抗折强度随着粉煤灰的增加而增加;但是当粉煤灰替代率大于20%的时候,粉煤灰的增加反而导致了混凝土试件抗折强度的减小。
  (2)在粉煤灰替代率相同的时候,骨料粒径在5-10mm区间的时候,其抗折强度最大,10-15mm其次,2.5-5mm的抗折强度最小。

  2.4透水混凝土力学性能透水性能实验

  2.4.1透水系数
  透水系数是透水混凝土的重要性能指标,测定透水系数的试验一般有两种。一种是较为简单的用简式透水仪,本文主要用第二种方法参考日本提出的《固定水位透水性测定法》进行试验。采用的试验仪器为自制透水仪如图2.11所示,自制透水仪器的示意图如图2.10所示;
  Figure 2.10 water pervious to Tutu 2.11 homemade pervious meter
  试验操作流程如下:第一步,测量试验时水的温度T;第二步,用橡皮圈将透水混凝土试块周围牢牢裹住,并放入内筒,确保橡皮圈与筒壁紧紧贴纸,注意试块与内筒四个角有空隙时,需要用保鲜膜将其堵住防止水从周围渗透注意每一次试验都应该进行密封性测试;第三步,从内筒上面开始注水,水从内筒流向下部水槽,下部水槽的水从出水口流出,调整进水口,使筒内的水位保持在一定高度,此时用钢直尺测量出透水混凝土上部的平均水位高度H;第四步,用秒表器计时,在开始计时后马上用量筒接住下部水槽的出水口,5s后停止装水,读出此时量筒的刻度。重复试验5次,去掉最大值和最小值,求出平均数Q即为规定时间内排出水量。
  采集数据后,利用达西公式(见公式2-7)计算出透水混凝土的透水系数,如表2.10;
  (2-7)
  式中:
  —水温为T℃时试件的透水系数(mm/s);
  Q—时间t秒内排出的水量();
  L—试块厚度(mm);
  A—试块上表面面积(mm²);
  H—平均水位高度(mm);
  t—测试试件(s)。
  表2-10透水系数测定试验结果
  Table 2-10 determination of permeability test results
  编号骨料粒径(mm)水灰比目标孔隙率(%)粉煤灰替代率(%)渗透系数(mm/s)
  1 2.5-5 0.3 20 0 33.1
  2 2.5-5 0.3 20 10 29.8
  3 2.5-5 0.3 20 20 23.3
  4 2.5-5 0.3 20 40 17.9
  5 5-10 0.3 20 0 39.8
  6 5-10 0.3 20 10 35.6
  7 5-10 0.3 20 20 28.7
  8 5-10 0.3 20 40 21.6
  9 10-15 0.3 20 0 55.0
  10 10-15 0.3 20 10 48.9
  11 10-15 0.3 20 20 41.7
  12 10-15 0.3 20 40 32.3
  Fig.2.12 change curve of water permeability coefficient of different aggregate particle size with fly ash substitution rate
  从图2.12可以得出:
  1、在相同的骨料粒径下,粉煤灰代替率的增加与透水混凝土试件的透水系数成反比。
  2、在粉煤灰替代率相差不大,相同的骨料粒径下,如果骨料粒径减小。那么透水混凝土的渗透系数也会减小;反之,如果骨料直径变大,混凝土的透水系数也会跟着变大。
  2.4.2孔隙率测试
  透水混凝土的组成为骨料、灰浆、孔隙三部分组成。孔隙又分为连通、半连空、闭口三种孔隙。我们把有连通、半连空称为有效孔隙。此次实验测得的数据为有效孔隙率,孔隙率的测得有质量法和体积法,由于实验设备所限,本次实验采取体积法。
  体积法步骤:
  (1)将期龄为28d后的试件从水中取出,然后晾干,测得体积记做;
  (2)把试件放在体积相同并且四周湿润的模具内,在试件表面寻找一个比较大的孔隙,并用量筒往里面注水,直到试件表面形成一层薄层水膜,其灌水的体积为
  有效孔隙率的测定公式2-8为,结果如表2-11:
  (2-8)
  式中:
  —灌入水水的体积();
  —试块的体积()。
  表2-11透水混凝土试件孔隙率测定结果
  Table 2-11 porosity of pervious concrete specimens
  编号骨料粒径(mm)水灰比目标孔隙率(%)粉煤灰替代率(%)孔隙率(%)
  1 2.5-5 0.3 20 0 21.30
  2 2.5-5 0.3 20 10 18.20
  3 2.5-5 0.3 20 20 14.63
  4 2.5-5 0.3 20 40 12.56
  5 5-10 0.3 20 0 22.80
  6 5-10 0.3 20 10 20.40
  7 5-10 0.3 20 20 17.10
  8 5-10 0.3 20 40 15.81
  9 10-15 0.3 20 0 24.85
  10 10-15 0.3 20 10 23.22
  11 10-15 0.3 20 20 21.30
  12 10-15 0.3 20 40 17.40
  图2.13不同骨料粒径孔隙率随粉煤灰代替率变化曲线
  Fig.2.13 change curve of porosity of different aggregate particle size with fly ash substitution rate
  从图2.13我们可以得知:
  (1)在相同的骨料粒径下,粉煤灰替代率的增加与混凝土孔隙率为反比关系。
  (2)当粉煤灰替代率一定时,如果骨料粒径变小,则透水混凝土的孔隙率也变小。

  2.5实验数据结果分析

  通过对透水混凝土进行抗压、抗折、孔隙率、透水系数等基本力学性能试验的数据分析,大家能够知道:
  (1)骨料粒径和渗透型混凝土有比较密切的关系,呈线性相关。当骨料直径偏小时,混凝土的抗压、抗折强度明显降低,并且所测的混凝土孔隙会有所改善,透水系数都随着骨料粒径呈正相关。
  (2)用粉煤灰混凝土原材料时,用量减小,则透水性混凝土孔隙率升高、透水系数随之变大。反之,孔隙率会减小。但当粉煤灰替代率为20%的时候,抗压强度与抗折强明显增加。
  (3)实验目标孔隙率为20%,随着骨料粒径的增大,其空间空隙越大,所以在试件的制备当中容易出现灰浆不固定,伴有流出的现象,从而孔隙率和透水系数也随之增大,与实验结果相同。
  (4)为了找出满足喷射透水混凝土的最佳配合比要求,其孔隙率要在20%以上,抗压强度不得少于20MPa,实验数据如图2.14所示。
  图2.14各配合比下透水混凝土的抗压强度和孔隙率
  Fig.2.14 Compression strength and porosity of permeable concrete under various mix ratios
  从图中可以看出,11号数据满足孔隙率以及压强的要求,其抗压强度为21.89MPa,孔隙率为21.3%。故该实验符合其透水混凝土的最佳配合比如表2-12。
  表2-12最佳配合比
  Table 2-12 Best mix ratio
  骨料粒径(mm)骨料(kg)水(kg)水泥(kg)粉煤灰(kg)
  10-15 1427 113 301.6 75.4

  2.6总结

  本章主要通过研究不同粒径的材料,以及用粉煤灰材料作为掺合料研究其对水泥混凝土的影响,主要考虑孔隙率、抗折、抗弯、抗压强度等混凝土的力学性能。为了满足喷锚透水混凝土技术要求,我们进行了透水系数测定试验,得出以下结论:
  (1)满足适合喷锚透水混凝土的要求的配合比,当它的骨料直径为10-15mm,在粉煤灰替代率为20%的时候,抗压强度和抗折强度均有明显提高;粉煤灰掺加量占总比例的20%。
  (2)通过实验我们得出,在骨料粒径和混凝土的空隙和抗压抗折强度有线性关系。当使用较粗的骨料时,它的孔隙率、抗压强度、透水系数也会呈现出线性上升或者下降,存在一个比例关系。但是在粉煤灰替代率为20%的时候,抗压强度和抗折强度均有明显提高。

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