再生骨料改性土用于水工堤壩芯土的性能試驗研究

張奇智

(喀左縣水利局,遼寧 喀左 122300)

1 研究背景

降雨是十分普遍的自然現象，同時也是堤壩穩定性的重要影響因素。降雨不僅會改變土石壩的滲流場，同時還會使堤壩的土體軟化，使大壩土體的抗剪強度明顯降低，并對大壩的穩定性造成負面影響[1]。在降雨初期，雨水的入滲主要發生在堤壩壩坡的表層非飽和區，隨著雨水的持續入滲，就會達到飽和區，并直接補充地下水，造成潛水的水面提高，并在堤壩邊坡的表層形成暫態飽和區，隨著雨水入滲面部位土體的軟化，堤壩壩坡的穩定性也會逐漸降低[2]。在我國，江河湖泊堤防以土質為主，強降雨造成的堤壩滲流和滑坡十分頻繁，同時也是堤防安全的主要影響因素。當然，要防止堤防的滲流破壞，除了提高工程設計建設標準之外，提高堤壩芯土的抗滲性也是十分重要和有效的途徑[3]。隨著我國城鎮化建設的不斷推進，勢必會產生大量以磚和混凝土為主的建筑垃圾，而再生骨料就成為上述建筑垃圾回收再利用的重要方式[4]。根據相關研究，在黏土材料中添加一定量的骨料，可以有效改善土體的滲透性和強度。但是對于再生建筑骨料改性土的應用方面尚沒有深入研究[5]。

2019年太子河觀音閣水庫下游段堤防維修養護工程是遼寧省本溪市重點投資的水利工程，主要是對觀音閣水庫下游42.5 km的河堤進行維修養護，對部分堤段進行加高加固。施工區域內有本溪市城中村改造產生的大量建筑垃圾，可以為堤壩建設提供必要的再生骨料，不僅可以減少取土和建筑垃圾堆放對環境造成的破壞，還可以降低施工成本。因此，本次研究以上述工程為依托，通過試驗的方法檢測再生骨料改性土的滲流、強度性能以及用于堤壩芯土的可行性。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗用的原狀土取自項目區的原始土體，屬于粉土類型，利用10 mm篩對其進行篩分。經實驗室測定其密度為1.82 g/cm3，含水率為10.3%，土粒的相對密度為2.65 g/cm3，塑限為8.6%，液限為19.8%。磚和混凝土等建筑垃圾通過研磨之后獲得試驗所需的建筑骨料。為了避免骨料粒徑差異對試驗結果的影響，試驗中選擇同一批次的建筑垃圾進行研磨。經實驗室測定磚骨料和混凝土骨料的比表面積分別為852.3 m2/kg和827.1 m2/kg。由此可見，再生骨料的活性明顯強于原狀土，可以對土粒產生較強的吸附作用，并可以通過水化反應形成膠凝性水化物，提高改性土的抗滲性[6]。

2.2 試驗方案

為了研究兩種再生骨料量和主要因素對原狀土改性的影響作用，試驗中參考相關研究經驗，設計了0%、20%、40% 3種不同配比磚骨料和混凝土骨料，并利用正交試驗的方法，設計出如表1所示的9種試驗方案。

表1 正交試驗方案設計

2.3 試驗方法

由于原狀土為粉土，因此需要在通風處自然風干，并利用5 mm篩進行篩分。按照確定的試驗方案配比，量取原狀土、磚骨料和混凝土骨料，并按照10%的含水率量取自來水，將材料攪拌均勻后，利用環刀制作直徑70 mm，高20 mm的圓柱形試件。

由于試驗的改性土滲透性較好，因此采用常水頭法進行滲透性試驗[7]。試驗采用的設備為MST-60型滲透儀，首先將制作好的試樣放入儀器的滲透圓筒，并分層填充夯實。向供水瓶中注入自來水，然后打開供水管排除水瓶中的全部空氣，調節供水速率和排水速率相同，以3 h為觀測時間并記錄好滲出水量。

試件的強度試驗采用ZJ型電動直剪儀進行，分別對制作的4個試樣施加50 kPa、100 kPa、150 kPa 和200 kPa的垂向應力，剪切速率設定為0.8 mm/min。根據試驗結果，建立起試樣的抗剪強度和豎向應力之間的關系曲線，該曲線的傾角即為試樣的內摩擦角，豎向坐標的截距即為試樣的黏聚力[8]。

3 試驗結果與分析

3.1 滲透系數試驗結果與分析

按照試驗方案和試驗方法，對不同配比的試樣進行滲透性試驗，結果如表2所示。由表中的試驗結果可知，各方案的滲透系數與時間之間的變化趨勢具有十分明顯的規律性，即滲透系數隨著時間的增加而逐步減小最終趨于穩定。同時，添加再生骨料后的改性土的滲透系數顯著低于未添加再生骨料的原狀土。從單摻磚骨料和混凝土骨料的方案對比來看，試樣的滲透系數會隨著骨料摻加量的增大而減小。因此，從單摻骨料來看，增加骨料的摻量有利于降低改性土的滲透性。方案5為磚骨料和混凝土骨料各含20%，而方案7為磚骨料含量40%，而兩種方案3 h滲透系數分別為2.87和5.46，方案5的滲透系數減小了47.44%；兩種方案24 h滲透系數分別為1.30和2.74，方案5的滲透系數減小了52.55%。由此可見，采用混合再生骨料配比有利于降低改性土的滲透系數。

表2 滲透性試驗結果 10-5cm·s-1

根據表中的計算結果，改性土的滲透系數與再生骨料摻量之間并非線性關系，因此利用試驗數據構建不同時間節點的滲透系數回歸模型，利用SPSS軟件和最小二乘法進行試驗數據的擬合分析，獲得回歸模型如式(1)：

k=5.955-11.431m1-12.456m2-

0.256e-m1-0.063e-m2

(1)

式中：k為滲透系數；m1為磚骨料摻入量；m2為混凝土骨料摻入量。

對上述回歸模型進行t檢驗，結果如表3所示。由檢驗結果可知，該模型在95%置信度水平下對再生骨料改性土抗滲性顯著，可以用于相關研究。

表3 回歸模型t檢驗結果

3.2 強度特性試驗結果分析

強度特性也是影響再生骨料改性土實際應用的重要指標，對試件進行快剪試驗，結果如表4所示。由試驗結果可知，改性土的內摩擦角隨著骨料摻入量的增大而減小，主要由于摻入的再生骨料比表面積和活性較大，可以吸附在顆粒表面，起到一定的潤滑作用，從而降低顆粒表面的粗糙程度和嵌固作用，因此隨著再生骨料摻入量的增加，改性土土體的內摩擦角會逐步減小。從黏聚力來看，整體呈現出隨著再生骨料摻入量的增加而增大的趨勢。再生骨料比表面積和活性較大，摻入之后土粒之間的距離減小，氫鍵增強，同時通過水化反應增加顆粒之間的膠結力，最終使改性土黏聚力的增大。從最優配比的方案5來看，其內摩擦角與原狀土相比減小了5.65%，黏聚力增加了32.50%。因此，該配比具有良好的強度特征，與原狀土相比，抗剪強度有所提高，有利于堤壩在降雨條件下保持安全穩定狀態。

表4 正交快剪試驗結果

4 結 論

(1)添加再生骨料后的改性土的滲透系數明顯低于未添加再生骨料的原狀土。

(2)在單摻骨料情況下，改性土的滲透系數會隨著骨料摻加量的增大而減小。

(3)在降低改性土的滲透系數方面，采用混合再生骨料配比優于單摻骨料；采用混合骨料時，磚骨料和混凝土骨料的最佳摻量約為20%。

(4)隨著骨料摻入量的增大，改性土的內摩擦角略微減小，而黏聚力則顯著增加，土體的整體抗剪強度有所提高，可以用于堤壩建設工程。