塑性混凝土在水電工程中的應用及相關問題探討

陳 仁 峰

(四川省能源投資集團有限責任公司，四川 成都 610081)

1 概 述

塑性混凝土是用膨潤土、粘土等摻和料取代普通混凝土中的水泥用量，經攪拌、澆筑凝結而成的具有低強度、低彈模和大應變的防滲材料。塑性混凝土從二十世紀六十年代開始應用到防滲墻工程中，在國內防滲工程中的應用已有近四十年的歷史。塑性混凝土的主要優勢在于其彈性模量低、極限變形大，適應變形的能力強，克服了剛性混凝土變形能力小，易造成應力集中、易產生裂縫的缺點，作為一種相對廉價、良好的防滲材料較廣泛地應用于各種工程的防滲體中。

2 塑性混凝土具有的特性

2.1 塑性混凝土的優良性能

與剛性防滲墻相比，塑性混凝土的優良性能主要體現如下：

(1)具有極低的變形模量。通過調整配合比，其變形模量可在較大范圍內變化。

(2)其性質介于土與混凝土之間，具有與土層形態非常相似的應力應變曲線，可以選擇與周圍土層應力應變曲線相吻合的塑性混凝土配合比。

(3)塑性混凝土在無側限條件下的極限應變超過1%，比普通混凝土(0.08%～0.3%)大幾倍甚至幾十倍，能隨堰體一起變形，墻體內部應力小。

(4)在三向受力條件下，塑性混凝土的強度有一定的提高，極限應變增長更大，意味著隨著圍壓的增加，塑性混凝土的強度亦增加了、隨堰體變形的能力增強了，防滲墻的安全度得以提高。三峽工程二期圍堰塑性混凝土不同圍壓(σ3)下的應力應變關系見圖1。

圖1 不同圍壓(σ3)下的應力——應變關系圖

2.2 塑性混凝土性能的微觀分析

塑性混凝土具有上述優良性能的主要原因是其摻入了膨潤土。膨潤土的礦物組成主要為蒙脫石，一般含量達80%以上，其次為石英，方解石含量較少。膨潤土細顆粒硬化后會形成含有許多缺陷和空隙的多相非均質復合材料。當承受荷載時，其缺陷和空隙閉合，因而塑性混凝土比普通混凝土變形要大得多，彈性模量亦低得多。

從微觀結構看，膨潤土具有復雜的網狀結構，其由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構成，這一特殊的結構使其具有優異的離子交換性和吸水膨脹性。另外，由于其結構中Al3-可被Mg2+所取代，從而使每一層復網層并不呈現電中性，而是帶負電荷，導致略帶正電荷的水化正離子易于進入；又因水的極化和氫鍵作用，水亦進入層間，使其產生膨脹。因此，塑性混凝土在滲水壓力的作用下具有較好的吸水膨脹性能，從而具備良好的抗滲性。

2.3 影響因素

總體來看，水泥用量對塑性混凝土強度、彈模的影響為正相關關系，即水泥用量越高，混凝土強度、彈模越高；膨潤土用量對塑性混凝土強度、彈模的影響為負相關關系，即膨潤土用量越高，混凝土強度、彈模越低。為此，需要找到一個合適的點，進而保證混凝土強度、彈模滿足工程要求。

(1)膨潤土對混凝土性能的影響。

從塑性混凝土的組成材料和作用機理看，其材料的組合和作用機理與普通混凝土不一樣，在性能上表現為彈、塑、粘性，其力學性能主要受膠凝材料的影響。

《水利水電工程混凝土防滲墻施工規范》(DL/T5199-2004)將膨潤土作為膠凝材料。相關試驗成果表明：膨潤土作為膠凝材料，膨潤土每m3混凝土用量不同時，塑性混凝土抗壓強度——膠水比為非線性關系(圖2)。當膨潤土每m3混凝土用量相同時，不將膨潤土作為膠凝材料，塑性混凝土抗壓強度——膠水比相關性較好(圖3)。

圖2 塑性混凝土抗壓強度——膠水比關系圖(膨潤土作為膠凝材料)

(2)引氣劑對彈性模量的影響。

試驗證明：當適當、均勻地引入微氣泡，對降低塑性混凝土的彈性模量具有較好的效果(圖4)。但混凝土含氣量過大時，對塑性混凝土的強度影響較大。

圖3 塑性混凝土抗壓強度——膠水比關系圖(膨潤土用量相同)

圖4 含氣量對塑性混凝土初始切線模量影響圖

3 常用的設計指標及配合比

由于對塑性混凝土的系統研究還不夠深入，目前的塑性混凝土設計指標基本參照三峽等大型工程的指標確定。國內部分大型水電工程采用的塑性混凝土設計指標見表1。

表1 國內部分大型水電工程圍堰防滲墻塑性混凝土設計指標表

注：除此以外，大部分水電工程塑性混凝土要求為自密實，坍落度一般為200～240 mm，部分工程對1～1.5 h后的坍落度以及凝結時間有要求。

國內部分工程采用的塑性混凝土配合比見表2。

4 施工質量控制

混凝土防滲墻的施工質量主要包括成槽質量控制、嵌巖深度質量控制、清孔質量控制。槽孔清孔換漿經檢查合格后，在4 h內開澆混凝土，澆筑混凝土一般采用直升導管法。

表2 國內部分工程防滲墻采用的塑性混凝土配合比表

施工質量控制除了控制混凝土的拌和、澆筑質量外，還包括墻身質量檢查。

(1)嚴格控制稱量偏差。

(2)合理確定拌和時間以保證混凝土的均勻性、和易性，必要時通過試驗確定拌和時間。

(3)混凝土澆筑應連續進行, 泵送能力大于最大澆筑強度，以保證泵至槽口的混凝土具有良好的和易性。

(4)導管埋入混凝土的深度不小于1 m，不大于6 m；混凝土面應均勻上升，各處高差應控制在0.5 m以內。

(5)墻身質量檢查的內容包括墻體的均勻性、可能存在的缺陷和墻段接縫。檢查常采用無損檢測和鉆孔取芯方法。無損檢測常用的方法有彈性波CT 技術、垂直反射法、層析成像法等，需根據實際情況選擇。使用鉆孔取芯法一方面檢查墻體材料的均勻、完整情況以及有無孔洞、夾泥和混漿等質量問題；另一方面通過芯樣檢測其抗壓強度、抗拉強度、變形模量、抗滲等級或滲透系數等物理力學性能指標。

5 相關問題探討

目前，國內大部分工程的塑性混凝土設計指標主要參照以往大型水電工程的指標與經驗。另外，由于對塑性混凝土的研究不像普通水工混凝土那樣系統、深入，試驗方法還有進一步改進的余地。筆者根據多年從事塑性混凝土試驗與施工取得的經驗，對以下問題提出了具體的建議，供探討。

(1)關于設計指標。

①抗壓強度。

三峽工程二期圍堰防滲墻設計要求其抗壓強度為4～5 MPa，而三峽工程二期圍堰防滲墻最大墻高為74 m。根據三峽工程二期圍堰、錦屏一級水電站圍堰等工程應力變形有限元分析成果看，其堰體應力水平較低，且基本為壓應力。而國內目前很多工程的圍堰防滲墻高度比三峽工程低得多，但其抗壓強度設計指標甚至高于三峽工程，偏于保守。

②彈性模量。

目前國內對塑性混凝土的彈性模量要求一般為兩種：一種是以三峽工程為代表的初始切線模量，另一種為彈性模量，限定值一般在1 500 MPa以內。根據大量的試驗數據，同一試件初始切線模量要低于彈性模量，且彈性模量要控制在1 500 MPa以內很困難。塑性混凝土彈性階段之后的塑性變形較大，在有圍壓(即三向受力)的情況下其極限應變更大，因此，從充分利用塑性混凝土特性(塑性變形)的角度考慮，對彈性模量的限定可適當放寬。

③抗滲能力。

國內塑性混凝土的抗滲能力一般對滲透系數有要求，少量工程對抗滲等級有要求。由于塑性混凝土強度低，若按普通混凝土抗滲等級試驗方法測試抗滲等級容易導致試件破壞，且抗滲等級W1混凝土滲透系數為3.91×10-8cm/s，抗滲等級W2混凝土滲透系數為1.96×10-8cm/s。國內塑性混凝土滲透系數普遍要求

(2)關于塑性混凝土的試驗方法。

水工塑性混凝土已有相應的試驗規程《水工塑性混凝土試驗規程(DL/T 5303-2013)》，對塑性混凝土相關性能試驗及取值進行了規定。

①彈性模量試驗方法。

《水工塑性混凝土試驗規程》規定彈性模量測試的標距為整個試件的長度(即300 mm)，經過不少于三次預壓，測試20%至40%應力之間的彈性模量。考慮到端面約束對混凝土變形能力的影響，筆者建議參照普通混凝土彈模試驗取中部150 mm作為測量標距。

②抗滲試驗方法。

由于塑性混凝土強度低，故國內目前大部分將其強度控制在4～5 MPa。使用水工混凝土上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高150 mm的截頭圓錐體進行抗滲試驗時，當試件底部水壓力為0.8 MPa時，試模側面對塑性混凝土試件的壓力已大大超過5 MPa，進而導致試件受壓破壞，而不是產生滲透破壞。筆者建議：降低試驗水壓力或采用其他方式進行抗滲試驗。

(3)關于是否選用引氣劑。

引氣劑在混凝土中起到的作用是明顯的。在塑性混凝土中摻加引氣劑，可以改善塑性混凝土拌和物的和易性、提高塑性混凝土的耐久性能、降低塑性混凝土的彈性模量。不同工程摻用引氣劑對降低塑性混凝土彈性模量的幅度存在較大差異，但總體來看，摻引氣劑后塑性混凝土的性能更有優勢，因此，筆者建議在工程中宜使用引氣劑。

6 結 語

目前國內水電工程塑性混凝土的應用已較普遍，但對其系統性的研究仍較缺乏。隨著研究的逐步深入，塑性混凝土配合比設計、試驗、施工的經驗將會更加豐富，塑性混凝土的應用將會迎來更廣闊的前景。