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输变电工程边坡治理用混凝土改性及施工技术研究

2025-05-12 111 上传者：管理员

摘要：针对输变电工程中滑坡病害、水土流失等问题，使用玄武岩纤维改性碱激发泡沫混凝土，以混凝土干燥收缩值、吸水率、抗压强度、孔隙率这4个指标优化了玄武岩纤维体积掺量，然后基于该混凝土研究输变电工程边坡治理锚固工艺。结果表明，应当在碱激发泡沫混凝土中掺入0.3%玄武岩纤维，此时混凝土材料干燥收缩值为基准混凝土的64.1%,吸水率和抗压强度均处于最大值，分别是31.08%、7.26 MPa,孔隙率最小，仅为57.15%。该混凝土具有良好的吸水性能、力学性能、干燥收缩性能和孔结构性能，不容易出现收缩开裂等现象，可提高边坡稳定性，在输变电工程边坡治理锚固工艺中有一定应用价值。

关键词：
吸水率
干燥收缩
泡沫混凝土
玄武岩纤维
边坡治理
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目前,针对边坡水土流失问题,常使用混凝土材料提高边坡稳定性｡研究适用于边坡治理的混凝土材料对输变电工程的发展意义重大｡阙陈燕等为提高边坡坡体的稳定性,在边坡防护中应用了轻质混凝土｡经ABAQUS模拟,这种轻质混凝土构件可以减少裂缝产生,具有良好的延性,裂缝最大约为0.7mm[1]｡陈建立针对露天煤矿边坡问题,制备了一种粉煤灰喷射混凝土,在这种喷射混凝土中,粉煤灰最佳掺量为20%,经过该混凝土加固后,边坡稳定系数增大至1.48[2]｡王俊则基于轻质泡沫混凝土,通过有限元软件优化了高陡边坡路基施工方案,优化后的施工方案可以有效抑制路基变形,提高路基稳定性[3]｡泡沫混凝土在边坡治理中的应用逐渐成为一种趋势｡为进一步提高输变电工程边坡治理效果,采用玄武岩纤维对碱激发泡沫混凝土进行改性,并研究输变电工程边坡治理锚固工艺｡

1、试验部分

1.1材料与设备主要材料:

I级粉煤灰(工业纯,太原市恒鑫景程);S95级炉渣(工业纯,石家庄元晶矿产);P.O42.5硅酸盐水泥(工业纯,唐山金马启新水泥);水玻璃(AR,济南泽盛化工,固含量35%);发泡剂(工业纯济南海瑞宝化工);玄武岩纤维(工业纯,泰安浩松纤维,长8mm)｡

主要设备:40型发泡机(任县通泰机械);HJW-60型砂浆搅拌机(山东屹盛重工科技);WDW-600型万能材料试验机(济南新试金试验机);BC-35型比长仪(河北广惠试验仪器)｡

1.2试验方法

1.2.1碱激发泡沫混凝土配合比为更好地进行输变电工程水土保持边坡治理,试验选用轻质､施工便捷､抗震性良好､环保性强的碱激发泡沫混凝土｡碱激发泡沫混凝土配合比见表1[4⁃7]｡

表1碱激发泡沫混凝土配合比

在碱激发泡沫混凝土中,采用了粉煤灰､炉渣这2种碱激发材料替代水泥,干密度等级为800kg/m3｡由于碱激发泡沫混凝土约束骨料少､孔隙率高等特点,这种泡沫混凝土材料在实际应用中容易开裂,且强度较低｡因此在表1基础上,向碱激发泡沫混凝土添加玄武岩纤维,并考察不同玄武岩纤维掺量对碱激发泡沫混凝土性能的影响｡

1.2.2碱激发泡沫混凝土的制备

(1)配制一定模数和碱当量的水玻璃溶液和水溶液,然后分别向各溶液中添加发泡剂,再通过发泡机制备泡沫,备用;

(2)向砂浆搅拌机中加入水泥､炉渣和粉煤灰,干搅拌3min,得胶凝材料混合干料｡然后加入一定量配制好的碱性激发剂材料,搅拌3min,得碱激发净浆;

(3)向碱激发净浆中加入一定量泡沫,搅拌2min,得碱激发泡沫混凝土浆料;

(4)将一部分碱激发泡沫混凝土浆料保存到量筒中,便于后续的早期试验研究｡另一部分碱激发泡沫混凝土浆料则添加到模具中,成型后脱模,转移到标准养护室,一定养护龄期后取出,得碱激发泡沫混凝土试样｡

1.3性能测试

1.3.1干燥收缩值

参考GB/T11969—2020,使用比长仪测试碱激发泡沫混凝土试样的干燥收缩值｡

1.3.2吸水率

参考JG/T266,使用烘箱､电子天平等设备测试碱激发泡沫混凝土试样的吸水率｡

1.3.3抗压强度

使用万能材料试验机测试碱激发泡沫混凝土试样的28d抗压强度｡

1.3.4孔隙率

使用扫描电镜对碱激发泡沫混凝土试样进行图像信息采集,然后结合Origin等数据处理软件分析孔结构数据,分析材料孔隙率｡

2、结果与分析

2.1干燥收缩值分析

在养护时间28d的条件下,考察不同玄武岩纤维掺量对碱激发泡沫混凝土干燥收缩值的影响,结果见图1｡

图1玄武岩纤维掺量对干燥收缩值的影响

由图1可知,当碱激发泡沫混凝土中掺入的玄武岩纤维逐渐增多时,材料干燥收缩值在不断减小｡当未掺入玄武岩纤维时,基准碱激发泡沫混凝土试件的干燥收缩值最大;当掺入0.1%玄武岩纤维时,材料干燥收缩值缩小至基准试件的80.1%;当掺入0.2%或者0.3%玄武岩纤维时,材料干燥收缩值继续减小,分别缩小至基准试件的71.3%､64.1%;当掺入0.4%玄武岩纤维时,材料干燥收缩值最小,为基准试件的59.1%｡这些变化是因为,适当的玄武岩纤维添加到碱激发泡沫混凝土中后,材料基体中可以形成纤维空间骨架｡同时玄武岩纤维具有良好的吸水性,在一定程度上能够抑制材料基体中的水分迁移[8⁃10]｡由此可见,玄武岩纤维的添加有利于抑制碱激发泡沫混凝土的干燥收缩现象｡

2.2吸水率分析

在养护时间28d的条件下,考察不同玄武岩纤维掺量对碱激发泡沫混凝土吸水率的影响,结果见图2｡

图2玄武岩纤维掺量对吸水率的影响

由图2可知,当碱激发泡沫混凝土中掺入的玄武岩纤维逐渐增多时,材料吸水率先逐渐增大再逐渐减小｡可以看到,未掺入玄武岩纤维的基准碱激发泡沫混凝土试件吸水率最小,为25.62%;当掺入0.1%玄武岩纤维时,碱激发泡沫混凝土试件的吸水率增大至28.14%;当掺入0.3%玄武岩纤维时,碱激发泡沫混凝土试件的吸水率增大至最大值,为31.08%;当继续添加玄武岩纤维至0.4%时,吸水率减小,为29.24%｡这是因为,玄武岩纤维的添加在一定程度上能够改善碱激发泡沫混凝土基体的孔隙结构｡同时玄武岩纤维本身具有一定的吸水性能,所以材料吸水率增大[11⁃13]｡由此可见,为保证碱激发泡沫混凝土良好的吸水性能,玄武岩纤维掺量应为0.2%或者0.3%｡

2.3抗压强度分析

在养护时间28d的条件下,考察不同玄武岩纤维掺量对碱激发泡沫混凝土抗压强度的影响,结果见图3｡

图3玄武岩纤维掺量对抗压强度的影响

由图3可知,当碱激发泡沫混凝土中掺入的玄武岩纤维逐渐增多时,材料抗压强度先逐渐提高再降低｡当未掺入玄武岩纤维时,基准碱激发泡沫混凝土试件抗压强度处于最小值,为5.08MPa;当掺入0.1%玄武岩纤维时,材料抗压强度提高至6.41MPa;当掺入0.3%玄武岩纤维时,碱激发泡沫混凝土试件抗压强度最大,为7.26MPa;当继续增加玄武岩纤维掺量时,抗压强度降低｡这是因为,当玄武岩纤维掺量适量时,纤维在碱激发泡沫混凝土材料基体中均匀分布,并形成三维空间骨架,具有桥接作用｡这种骨架不仅可以减缓材料基体塌陷现象,还能够使材料基体中的有害孔洞减少,增强孔壁强度｡同时玄武岩纤维可以促进碱激发材料与各胶凝材料充分接触,使水化反应更加充分,因此碱激发泡沫混凝土抗压强度提高[14⁃15]｡而过多掺入玄武岩纤维则会导致碱激发泡沫混凝土基体中的孔隙结构被破坏,因此抗压强度降低｡由此可见,为保证碱激发泡沫混凝土良好的力学性能,玄武岩纤维掺量应为0.3%｡

2.4孔隙率分析

在养护时间28d的条件下,考察不同玄武岩纤维掺量对碱激发泡沫混凝土孔隙率的影响,结果见图4｡

图4玄武岩纤维掺量对孔隙率的影响

由图4可知,随着碱激发泡沫混凝土中玄武岩纤维掺量逐渐增多,材料孔隙率先减小后增大｡当碱激发泡沫混凝土中未掺入纤维时,基准试件的孔隙率较大,为62.56%;当在碱激发泡沫混凝土中掺入0.1%玄武岩纤维时,孔隙率减小至59.61%;当掺入0.3%玄武岩纤维时,碱激发泡沫混凝土的孔隙率最小,为57.15%;当继续增加玄武岩纤维掺量至0.4%时,材料孔隙率反而增大,为58.66%｡这是因为,玄武岩纤维改善了碱激发泡沫混凝土材料基体的孔隙结构,从而使水分子进入材料基体的通道被阻断｡这也在一定程度上抑制了孔隙连通,因此孔隙率减小[19⁃20]｡而纤维掺量过多引起的纤维局部团聚现象则会使材料孔隙结构增多,孔隙率增大｡由此可见,孔隙率较小的碱激发泡沫混凝土可以更好地阻止外界水分子侵入,从而保障材料性能,使材料耐久性良好｡因此玄武岩纤维应为0.3%｡

2.5边坡治理应用研究

试验将0.3%玄武岩纤维掺量的碱激发泡沫混凝土应用到输变电工程边坡治理锚固工艺中｡该工艺过程为:先将碱激发泡沫混凝土､填土等施工材料准备好,然后在输变电工程边坡区域安装混凝土结构物,再进行混凝土喷射､注锚等,最后将锚洞锁定,安装锚杆即可｡在喷射碱激发泡沫混凝土时,要先确保输变电工程边坡区域的清洁性以及润湿性,从上到下进行混凝土喷射,同时保证喷射口与边坡表面距离小于1m｡具体的锚固工艺参数设计见表2｡

表2锚固工艺参数设计

为进一步考察0.3%玄武岩纤维掺量的碱激发泡沫混凝土的边坡治理效果,基于以上锚固工艺及参数设计,将输变电工程边坡区域岩石进行台阶式建模,从上到下依次为杂填土､粉质黏土和砂岩｡具体模型设计见图5｡

图5输变电工程边坡稳定性模型

经测试,自然条件下该边坡土层的稳定性为1.28,已达到相关安全要求｡经碱激发泡沫混凝土的边坡治理后,该边坡土层的稳定性提高至1.51｡由此可见,这种边坡治理方式可以使岩土层整体强度增强,在一定程度上可防止输变电工程边坡水土流失｡

3、结语

(1)在玄武岩掺量0.1%~0.4%,玄武岩纤维掺量越多,碱激发泡沫混凝土干燥收缩值越小｡当掺入0.4%玄武岩纤维时,材料干燥收缩值最小,为基准试件的59.1%;

(2)当掺入0.3%玄武岩纤维时,碱激发泡沫混凝土试件的吸水率增大至最大值,为31.08%,此时材料吸水性能最佳;

(3)玄武岩纤维的添加可以增大碱激发泡沫混凝土抗压强度｡掺入0.3%玄武岩纤维时材料抗压强度最大,为7.26MPa;

(4)玄武岩纤维可以改善碱激发泡沫混凝土材料孔隙结构,使材料孔隙率减小｡掺入0.3玄武岩纤维时材料孔隙率最小,为57.15%;

(5)该玄武岩纤维改性碱激发泡沫混凝土在输变电工程边坡治理锚固工艺中具有良好适应性,可提高边坡稳定性至1.51,减缓边坡水土流失现象｡

参考文献:

[1]阙陈燕,林福,陈善良.轻质混凝土在破碎岩质边坡支护中的应用与性能分析[J].粘接,2023,50(10):173⁃176.