塑性混凝土防滲墻的抗?jié)B性能研究

周衛(wèi)國

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025)

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的大型水利建設(shè)得到了較大的發(fā)展，隨著水利工程的規(guī)模越來越大，相應(yīng)的水位也隨之增高，高水位下工作的水利工程對于混凝土的抗?jié)B性能有著較為苛刻的要求。抗?jié)B性能，即混凝土在正常狀態(tài)下抵抗水、油等溶液滲透的能力，是衡量混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有著較大的影響。這是因為抗?jié)B性能的增加，對于混凝土的抗碳化能力和抗凍融破壞能力也有一定程度的提高。隨著混凝土防滲墻的應(yīng)用，一些隱藏的設(shè)計和施工問題逐漸暴露出來，主要在于剛性混凝土的力學(xué)性能和剛度與周圍土體存在較大的差別：混凝土彈性模量遠(yuǎn)大于土體，且極限變形較小；同時防滲墻兩側(cè)受到較大摩擦力，使得防滲墻的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計值，造成應(yīng)變大于設(shè)計應(yīng)變。上述作用使得剛性混凝土防滲墻的推廣應(yīng)用受到一定程度的限制，因此塑性混凝土防滲墻在水利工程中一經(jīng)推出便得到了較大的發(fā)展。

開始于20世紀(jì)50年代的塑性混凝土，最早應(yīng)用于意大利于1959年建成的SantaLuce壩，早期的塑性混凝土主要應(yīng)用于大壩心墻堆石的防滲，主要有西班牙的阿爾翁壩、英國的巴德巴爾赫德壩。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，對于塑性混凝土的特性展開了研究，尤其是試驗方面進(jìn)行了大量的研究，使得塑性混凝土的性能得到了更加深入的了解，為在水利工程方面進(jìn)一步的應(yīng)用起到了較為積極的推動作用。然據(jù)可查文獻(xiàn)，當(dāng)前對于塑性混凝土的研究主要集中在力學(xué)性能方面，對于其防滲性能多依靠工程經(jīng)驗，缺乏定量的研究。本文針對塑性混凝土在水利工程中的防滲性能影響進(jìn)行了綜合分析，尤其是水膠比對于塑性混凝土的防滲性能的影響，進(jìn)行了研究，相關(guān)研究結(jié)果對于未來類似工程提供一定的理論和工程經(jīng)驗。

1 塑性混凝土防滲性能分析

1.1 塑性混凝土材料組成

與普通混凝土類似，塑性混凝土包括膠凝材料、骨料和水，然而由于塑性混凝土應(yīng)用環(huán)境的差別，塑性混凝土的組成材料具有以下特性：

(1)水泥用量。塑性混凝土的水泥用量為80～150kg/m3，與普通混凝土的水泥用量有著較大的區(qū)別，同時國內(nèi)外關(guān)于水泥用量也存在一定的區(qū)別：國內(nèi)最大210kg/m3，國外為195kg/m3，前后相差15kg/m3。

(2)膠凝材料。關(guān)于膠凝材料，國內(nèi)一般為270～360kg/m3，而國外相對較低，僅達(dá)到170～250kg/m3，有著較大的差別。同時對于膨潤土和黏土的用量能夠占到膠凝材料的40%～70%，同時粉煤灰的摻加，可以大大增加膠凝材料的占比。

(3)水膠比。鑒于膨潤土和黏土吸水率大于水泥，為了滿足澆筑對于塑性混凝土和易性的要求，因此相比普通混凝土，塑性混凝土的水膠比一般為0.8～1.3，而國外相對更高，則為1.7～2.0。

(4)骨料。與普通混凝土類似，塑性混凝土的骨料用量為1300～1600kg/m3，鑒于塑性混凝土的變形量較大，因此對于骨料的粒徑有一定的要求，多數(shù)要求不得大于20mm，同時砂石質(zhì)量比，不得小于1∶1。

1.2 塑性混凝土滲透產(chǎn)生的原因

對于塑性混凝土的滲透原理，目前多數(shù)認(rèn)為是混凝土內(nèi)部的空隙、微裂縫造成了混凝土內(nèi)部的裂縫，流體通過裂縫滲透進(jìn)入混凝土中，具體方式如圖1所示。

圖1 塑性混凝土滲透性能影響因素

對于多孔非均質(zhì)材料的塑性混凝土，內(nèi)部存在著大量的空隙以及微裂縫，防滲方面需要進(jìn)行特殊的處理。為了防滲方面的考慮，對于塑性混凝土的水膠比有一定程度的限制，這是因為在混凝土中存在著一定量的自由水，在水泥水化過程完成后，水化產(chǎn)物卻不能完全占據(jù)自由水所占的空間，因為在塑性混凝土內(nèi)部殘留的自由水，因此蒸發(fā)后存在一定量的毛細(xì)孔。同時施工中振搗不密實也會造成內(nèi)部空隙。在澆筑完成后，內(nèi)部骨料會有一定程度的沉降和上升，骨料的沉降和上升在混凝土內(nèi)部形成貫通的毛細(xì)管通道，成為后期液體分子滲透的途徑；同時混凝土在運營過程中的干縮效應(yīng)，也會在內(nèi)部和表面產(chǎn)生裂縫，運營過程中，在水壓作用下，水分子會沿著內(nèi)部存在的空隙和微裂縫進(jìn)行滲透。

1.3 塑性混凝土的抗?jié)B機理

根據(jù)工程實踐，塑性混凝土在水利工程中的應(yīng)用，對于防滲均具有一定程度的要求，當(dāng)前對于其防滲機理的研究，多集中在以下幾個方面：

(1)對于塑性混凝土的水膠比降低以后，水泥水化物會有一定程度的減小，因此相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較普通混凝土單薄，然而卻能夠組成完整的骨架，對于大部分的骨料具有一定的黏結(jié)能力，保證其穩(wěn)定性，足以抵抗一定程度的滲水壓力。

(2)骨料和土料的含量要根據(jù)試驗確定。這是因為適量的骨料和土料使得塑性混凝土不僅能夠滿足塑性混凝土的和易性和變形要求，使得單位體積的孔隙率大大降低。

(3)水泥顆粒及其水化產(chǎn)物間的空隙大部分被膨潤土或黏土顆粒堵塞。

(4)膨潤土和黏土顆粒的存在，使得正負(fù)電荷能夠吸附大量水分子，使得自由水分子變成化合水分子，降低滲水的過水面積。

(5)對于塑性混凝土而言，水泥和膨潤土水化過程，使得水化產(chǎn)物的密度和強度不斷加大，造成自由水含量減少，對于混凝土的密實性和抗?jié)B性能具有一定程度的增強作用。

2 試驗分析

2.1 試件材料

迄今為止，關(guān)于塑性混凝土的配合比，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的設(shè)計方法，在具體工程應(yīng)用中，往往依靠經(jīng)驗設(shè)計多組配合比進(jìn)行試配工作，從中選擇復(fù)核工程要求的配合比，以供工程施工使用，本文通過多次試驗，選擇的配合比如下：

試驗采用300mm(直徑)×700mm(高)的圓柱，設(shè)計強度為0.6MPa，水泥采用P.O32.5號普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)級配碎石，最大粒徑為25mm，天然河沙，級配曲線位于Ⅱ區(qū)，屬于中砂；膨潤土采用四川樂山生產(chǎn)的鈉質(zhì)膨潤土。

2.2 試驗方法

對于塑性混凝土的防滲性能，當(dāng)前多采用滲水高度法，即相對滲透吸水發(fā)，通過測量塑性混凝土在恒定水壓下的滲水高度，通過公式計算塑性混凝土的相對滲透系數(shù)，試驗步驟如下：

(1)按照塑性混凝土抗?jié)B性能試驗規(guī)程制備和養(yǎng)護(hù)混凝土，養(yǎng)護(hù)完畢后進(jìn)行安防和密封。

(2)調(diào)節(jié)抗?jié)B儀的水壓力，一次性調(diào)整到0.4MPa，持續(xù)加壓24h。

(3)持續(xù)加壓24h后，降壓處理，將試件取出放在壓力機上，平行放置2根Φ6mm鋼墊條，然后開動壓力機，劈開試件。將劈開后試件底面10等分，測出不同分點的滲水高度。

在恒壓加載過程中，如果試件出現(xiàn)滲水過程，則需要停止試驗，記下出水試件，對于塑性混凝土的相對滲透系數(shù)計算公式如下：

(1)

式中，Kr—相對滲透系數(shù)，cm/h；α—塑性混凝土的吸水率；Dm—平均滲水高度，cm；T—恒壓保持時間，h；H—水壓力，以水柱高度表示，cm。

鑒于滲水高度法加壓采用一次加壓，大大縮短了試驗時間，適用于研究低滲透性的混凝土，綜合考慮，本文選擇滲水高度法研究塑性混凝土的滲透性能與水膠比之間的關(guān)系。

2.3 試驗工況

鑒于水膠比對于塑性混凝土抗?jié)B性能的影響較大，本文以其他參數(shù)為定值，通過改變水膠比的方法，進(jìn)行塑性混凝土的抗?jié)B性能試驗，塑性混凝土配合比見表1。

表1 塑性混凝土試驗配合比

3 試驗結(jié)果分析

水膠比是塑性混凝土配合比設(shè)計中的重要指標(biāo)，同時也對于塑性混凝土的抗?jié)B性能有較大的影響。根據(jù)滲水高度法的測量原理，對于塑性混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行研究，如以滲透系數(shù)研究塑性混凝土的抗?jié)B性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 滲透系數(shù)與水膠比之間的關(guān)系

根據(jù)圖2可知，塑性混凝土的水膠比越大，則塑性混凝土的滲透系數(shù)越大。這是因為在塑性混凝土拌合過程中，水膠比越大，則需要越多的水，塑性混凝土凝固過程中則會有更多的自由水，大量自由水的存在在一定程度上影響著塑性混凝土結(jié)構(gòu)中膠凝材料的連續(xù)性。膠凝材料的連續(xù)性不好，則會導(dǎo)致塑性混凝土的抗?jié)B性能下降，即滲透系數(shù)會有一定程度的增加。同時，水膠比過大，在塑性混凝土凝固后，自由水會有一定程度的蒸發(fā)，造成塑性混凝土內(nèi)部孔隙率變大，導(dǎo)致滲透能力增加，導(dǎo)致滲透系數(shù)大大增加。

4 結(jié)語

鑒于塑性混凝土低彈性模量、強變形的特點，在水利工程防滲墻中得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文通過分析塑性混凝土材料組成，對于其滲透機理進(jìn)行了研究，并針對性地分析了塑性混凝土的抗?jié)B機理。參考普通混凝土的防滲性能，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙率也是影響塑性混凝土防滲性能的主要因素，根據(jù)普通混凝土抗?jié)B影響因素分析，本文針對塑性混凝土水膠比對于塑性混凝土的防滲性能影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著水膠比的增加，塑性混凝土的滲透系數(shù)會大幅度增加。相關(guān)研究結(jié)論，對于未來工程設(shè)計、施工和搶險加固具有一定程度的指導(dǎo)意義。

[1] 王迎春, 李家正, 朱冠美, 等. 三峽工程二期圍堰防滲墻塑性混凝土特性[J]. 長江科學(xué)院院報, 2001, 18(01): 31- 34.

[2] 何潤芝, 何麗娟. 防滲墻低彈塑性混凝土的試驗研究與應(yīng)用[J]. 混凝土, 2006(09): 7- 10.

[3] 冷發(fā)光, 戎君明, 丁威, 等. 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082- 2009簡介[J]. 施工技術(shù), 2010, 39(02): 6- 9.

[4] 李松. 防滲墻塑性混凝土的性能研究[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2016.

[5] 賈佳. 防滲墻塑性混凝土抗壓性能的影響因素研究[J]. 中國水能及電氣化, 2016(02): 41- 43.

[6] 賈佳. 基于滲水高度法的防滲墻抗?jié)B性能影響因素研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016, 24(04): 68- 70.

[7] 秘金印. 防滲墻塑性混凝土力學(xué)性能及抗?jié)B性能研究[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2013.

[8] 楊小剛, 王晶, 周永祥, 等. 混凝土滲透性測試方法的相關(guān)性研究[J]. 施工技術(shù), 2014(15): 59- 62.

[9] 趙鐵軍. 如何評定高性能混凝土的滲透性[J]. 混凝土, 1995(03): 19- 21.