隧道初期支护模袋混凝土抗压强度试验研究

2024-01-18李鹏飞张明聚刘雅丹贺维国

铁道标准设计 2024年1期

李鹏飞，滕卓，张明聚，刘雅丹，贺维国，房倩

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124; 2.北京市建设工程安全质量监督总站,北京 100073; 3.中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300133; 4.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室,北京 100044)

引言

暗挖法隧道多采用由初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌,其中初期支护的主要形式为锚喷支护,而喷射混凝土技术更是锚喷支护的核心支柱,但是喷射混凝土具有回弹量大、粉尘大、容易开裂等局限性[1-6]。在此背景下,张明聚等[7]提出了采用模袋混凝土替代喷射混凝土,配合钢波纹板的地下工程支护结构方案,其中钢波纹板和模袋工厂预制,现场安装后采用小型高压混凝土输送泵往模袋内加压灌注细石混凝土,分析了圆形竖井支护结构在施工过程中的受力特性。本文对此支护方案应用于隧道初期支护时的模袋混凝土抗压力学性能展开研究。钢波纹板-模袋混凝土隧道初期支护效果如图1所示。

图1 钢波纹板-模袋混凝土隧道初期支护Fig.1 Initial support of steel corrugated plate-mold bag concrete tunnel

支护结构主要由钢波纹板和模袋混凝土组成。现场施工时混凝土被高压混凝土输送泵加压灌注到模袋内,在钢波纹板、模袋和围岩的共同约束作用下,可充分充填钢波纹板与围岩之间的构造间隙。并且在施工期间灌注压力和模袋透气、透水、不透浆的特性使得混凝土能够快速凝固,凝固成型后与钢波纹板形成组合结构,具有一定的刚度和承载力,可共同承担荷载作用,达到隧道快速支护、绿色环保的目的。

模袋混凝土作为一种新型施工技术,广泛应用于水利、海港、公路、铁路工程建设等领域中[8]。其概念最初由荷兰人Henry Helon提出,将两层轻而致密的尼龙编织物用铁钉和垫圈联接在一起,然后灌注混凝土,模袋混凝土结构由此诞生[9]。20世纪60年代,机织土工模袋技术最先在美国实现了工业化发展并在水利工程中取得了良好的效果。20世纪80年代,欧美日等国在水坝、海岸、公路等领域防护工程中大规模使用模袋混凝土技术[8]。该项先进的混凝土施工技术也引起了我国学者的关注,我国于20世纪70年代开始引进模袋混凝土技术并将其成功应用到弯道护岸中。随着社会的发展以及可持续发展战略的提出,高性能、低能耗、环保和改善施工质量的模袋混凝土技术在国内众多航道、渠道、护坡、护岸中得到了广泛应用,并取得了显著的经济和社会效益[10-13]。

模袋混凝土是利用织物袋充灌填料后具有的透水不透浆特性,依靠自重和泵压从模袋的孔隙中排出多余水分,降低水灰比,凝固后达到设计强度。汪玉君等[14]较早指出实验室内制作模袋混凝土应模拟其施工条件,将新拌混凝土装入模袋内,使其吊离地面进行自然排水,利用排水后的混凝土制作试件,而吊袋时间则通过试验确定。叶远胜等[15]指出模袋混凝土成型的施工工艺特点,即混凝土充填到模袋内后,首先依靠自重作用进行流淌、扩散,此时,模袋混凝土受泵送压力影响很小,排水方式为自由泌水,而当模袋充满后,泵送压力急剧增大,自由泌水变有压排水,多余水分进一步排出。并在文中比较了不同水灰比混凝土脱水后的抗压强度。而徐德儒[8]、郑新[10]、牛德元[16]、刘昱等[17]制作模袋混凝土试件则与普通混凝土相同。

目前关于模袋混凝土抗压强度的研究较少且尚无统一明确的研究方法,鉴于此,通过模拟模袋混凝土施工工艺制作试件,研究模袋、有压排水对不同养护龄期混凝土强度的影响规律,以期为探究模袋混凝土力学性能及强度试验方法提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

模袋原材料为高强丙纶短纤针刺土工布,以高强丙纶短纤维为主要原料,经开松、梳理、杂乱、铺网针刺以及喷洒拒水剂等工艺生产而成,后经过裁剪、缝纫制成模袋成品,如图2所示。

试验原材料采用钧牌P.O 42.5级水泥;细骨料采用细度模数2.0的细砂;粗骨料采用粒径5～20 mm连续级配碎石;水采用实验室自来水,如图3所示。

配合比按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[18]要求设计,如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

1.2 试验方案及设备

(1)试验工况

为研究模袋、混凝土成型方式对不同龄期(3,7,28 d)混凝土抗压强度的影响规律,本试验制作了12组试件,每组3块,共计36块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体混凝土试件;每个龄期混凝土试件包括4个工况,如表2所示。

表2 试验工况Table 2 Test conditions

需要说明的是,本次试验共有两种类型模袋,一种是用于有压排水操作的大模袋,另一种是包裹混凝土试块的小模袋。表2中“有无模袋”指的是混凝土试块成型后表面有无包裹模袋。“是否经过有压排水”指的是混凝土在搅拌机搅拌完成之后,装入混凝土试模之前混凝土拌合物是否用大模袋进行有压排水操作。

(2)有压排水过程

已有研究表明,在模袋混凝土施工过程中,当混凝土的坍落度由初始值降低至100～150 mm,泵压力基本释放完毕,有压脱水过程结束[15]。

本试验将按配合比准备好的粗骨料、细骨料和水泥倒入搅拌机干拌2 min,然后将水倒入,继续搅拌2 min;搅拌机完成后,取一部分混凝土拌合物按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[19]的要求进行第一次坍落度测定,简称“灌前坍落度”,同一批剩余部分混凝土拌合物装入模袋进行压力X和时间Y的有压排水;有压排水完成之后,取出模袋内的混凝土拌合物进行第二次坍落度测定,简称“灌后坍落度”。然后,查看灌后坍落度是否在100～150 mm区间内,如未在此区间,重复以上步骤直至灌后坍落度满足此区间,并以此压力X和时间Y为标准制作后续模袋混凝土试件。

本试验灌前坍落度265 mm,经多次试验发现,经压力X=850 N,时间Y=1 min的有压排水,灌后坍落度为110 mm,如图4所示。

图4 坍落度及有压排水照片Fig.4 Slump and pressurized drainage photos

(3)试件制备与养护

对于工况1(无模袋、不排水)和工况2(有模袋、不排水),没有经过有压排水过程,采用普通混凝土试件成型方式,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[20]的要求制备。对于工况3(无模袋、排水)和工况4(有模袋、排水),需经过有压排水过程,首先将混凝土装入模袋,进行压力X=850 N、时间Y=1 min的有压排水,后续操作同普通混凝土试件的制备方式。

在试件经过振动台振动成型抹面后立即用塑料薄膜覆盖表面,然后在温度20 ℃±5 ℃、相对湿度大于50%的室内静置1 d后拆模。工况1(无模袋、不排水)和工况3(无模袋、排水)为无外覆模袋试件,拆模后立即放入温度20 ℃±2 ℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中养护至测试时间;工况2(有模袋、不排水)和工况4(有模袋、排水)为外覆模袋试件,拆模后套入同样尺寸大小的模袋,进行缝合后立即放入同等养护条件的标准养护室中养护至测试时间。

(4)抗压强度试验

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[20],在北京工业大学力学实验室建仪EHC-3100型200 t电液压力机上进行抗压试验,试件放置中心与压力机上下承压板中心线对齐,加载速率0.3 MPa/s,保持加载速率不变,观察试验现象,直至试件破坏,依据测试结果记录峰值荷载,计算得到立方体抗压强度fcc,每组测试3个试件,强度结果取平均值。根据规范规定的公式进行混凝土试件抗压强度计算。

(1)

式中,fcc为混凝土立方体试件抗压强度,MPa;F为试件破坏荷载,N;A为混凝土立方体试件承压面积,mm2。

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变曲线影响因素分析

混凝土应力-应变曲线是分析混凝土结构承载力及变形破坏的重要依据。对所测得的同工况试件3条试验曲线进行统计分析,得到曲线均值,绘制出各工况应力-应变曲线如图5、图6所示。

图5 同工况不同龄期应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of different ages under the same working conditions

图6 同龄期不同工况应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of different working conditions at the same age

2.1.1 模袋

由图5可知,模袋对混凝土抗压强度总体影响不大。就本试验而言,由于“环箍效应”,即混凝土试件在试验机上单轴受压时,竖向缩短,横向扩张,由于压力机承压板的横向变形远小于混凝土的横向变形,所以承压板通过接触面上的摩擦力约束混凝土试件的横向变形,就像在试件上、下端各加了一个套箍。混凝土试件外覆模袋会降低其抗压强度,且降低率随着养护龄期的增加而增加。工况1(无模袋、不排水)和工况3(无模袋、排水)的试件表面没有包裹模袋,“环箍效应”比较强,所以抗压强度比没有约束的情况要高;工况2(有模袋、不排水)和工况4(有模袋、排水)的试件表面包裹模袋,相当于在压力机上下承压板与混凝土试件之间涂了一层“润滑剂”,导致试件与压力机承压板间的摩擦力大大减小,其横向变形几乎不受影响,受压时“环箍效应”的影响较小,所以测得的抗压强度较低。

模袋可以有效提高整体变形能力。有模袋混凝土(工况2和工况4)的应力-应变曲线经历了上升段、平台段、上升段和下降段等4个阶段,相较于无模袋混凝土(工况1和工况3),增加了平台段。有模袋混凝土平台段几乎只增加应变不增加应力,这是因为有模袋混凝土与压力机上下承压板表面隔着一层模袋,而模袋富有弹性,压力机上下承压板接触模袋之后先进行压实,增加承压板、模袋和混凝土试块之间的摩擦力,而后进行压力施加。

2.1.2 有压排水

由图5可知,有压排水可以大幅度提升混凝土抗压强度。在相同模袋条件下,相较于不排水混凝土(工况1和工况2),有压排水混凝土(工况3和工况4)应力-应变曲线上升段曲线斜率明显增大,极限应力对应的应变则基本相同,这表明经过有压排水的混凝土弹性模量要大于未经过有压排水的混凝土。又因为此时混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形,而水泥胶体的黏性流动以及初始微裂缝变化的影响一般很小,所以应力-应变关系接近直线;在下降段中有压排水混凝土(工况3和工况4)的曲线下降速度较不排水混凝土(工况1和工况2)快,最终因裂缝迅速发展,混凝土内部结构的整体受到愈来愈严重的破坏而结束。

在相同模袋条件下,将有压排水、不排水的混凝土试件抗压强度进行对比。工况3(无模袋、排水)相对于工况1(无模袋、不排水)的抗压强度在3,7,28 d时分别提高了70.8%,98.5%,38.7%;工况4(有模袋、排水)相对于工况2(有模袋、不排水)的抗压强度在3,7,28 d时分别提高了72.3%,97.0%,47.2%。

试验结果表明,混凝土在经过有压排水后抗压强度明显提高,且提高率随着养护龄期的增加呈现先增加后减少的规律,其中在养护龄期7 d时抗压强度提高率最大。原因是混凝土在经过有压排水之后,水灰比迅速减小,凝结时间缩短,成型更加密实,所以抗压强度较未排水混凝土普遍提高且在前期混凝土强度增长较快,后期逐渐放缓。

2.1.3 养护龄期

由图6可知,养护龄期对不同工况混凝土抗压强度的提升效果不同。无模袋混凝土(工况1和工况3)的应力-应变曲线有着相似的形状,过程都分为上升段和下降段两个部分,但也有实质性差别。上升段的斜率随着养护龄期的提高而提高;下降段随着养护龄期越大,坡度越陡,即应力下降相同幅度时变形越小,延性越差。有模袋混凝土(工况2和工况4)的应力-应变曲线形状除有一定长度的平台段外,与无模袋混凝土(工况1和工况3)无异。

各工况在同等养护条件下随着养护龄期的增加抗压强度均有不同程度的增长,如图7所示。

图7 混凝土抗压强度曲线Fig.7 Concrete compressive strength curve

随着养护龄期增长,不排水混凝土(工况1和工况2)的抗压强度前期增长较慢后期较快,而有压排水混凝土(工况3和工况4)则正好相反。无模袋、不排水(工况1)时,3,7 d抗压强度分别是28 d抗压强度的23.5%,33.3%;有模袋、不排水(工况2)时,3,7 d抗压强度分别是28 d抗压强度的26.1%,36.7%;无模袋、有压排水(工况3)时,3,7 d抗压强度分别是28 d抗压强度的28.9%,47.5%;有模袋、有压排水(工况3)时,3,7 d抗压强度分别是28 d抗压强度的30.6%,49.1%。

2.2 破坏形态

在相同试件成型方式前提下,将有模袋、无模袋的混凝土试件破坏形态进行对比,如图8所示。需要说明的是,为保持有模袋的混凝土试件完整性,不至于散落成块,故试验时只拆除了大部分模袋进行观察。

图8 混凝土试件破坏形态Fig.8 Concrete specimen failure form

由图8可以得出以下结论。

(1)试件破坏形态的不同点:工况1(无模袋、不排水)和工况3(无模袋、排水)由于试件无模袋,“环箍效应”较强,致使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面,如图8(a)所示。工况2(有模袋、不排水)和工况4(有模袋、排水)由于试件表面增加了一层模袋,导致“环箍效应”减弱,试件受压时横向变形几乎不受约束,所以试件破坏时裂缝是沿着平行于力的作用方向产生的,如图8(b)所示。

(2)试件破坏形态的相同点:不管是无模袋试件(工况1和工况3)还是有模袋试件(工况2和工况4),混凝土边缘部分皆出现较大的贯穿裂缝,进而碎裂、侧面整面脱落,这是由于粗骨料为小粒径的碎石,混凝土的骨架作用较差,骨料的连接作用较小,并不能提供较强的咬合力,所以在压力机上持续加载直至破坏的过程中,可以发现,产生的裂缝不再局限于骨料和浆体之间,试件表面也会迅速产生裂纹[16]。