塑性混凝土抗?jié)B性能研究

吳俊姿

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025)

隨著水利科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水利水電工程的堤壩建設(shè)規(guī)模也發(fā)生了較大的變化，因此對(duì)于防滲的要求也逐漸提高，促進(jìn)了防滲墻的設(shè)計(jì)建造方法、設(shè)備和防滲材料的不斷改進(jìn)。水利水電工程中，多采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理。根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐和研究成果，剛性混凝土在防滲墻工程中存在一定的弊端：首先是適應(yīng)能力較差，這是因?yàn)槠胀ɑ炷恋膹椖６酁?×104MPa，是壩體地基的數(shù)百倍，彈模高則意味著荷載作用下防滲墻變形較小，與地基變形不能協(xié)調(diào)一致，這會(huì)導(dǎo)致墻體與土結(jié)合面脫開，在防滲性能較差的情況下也不利于壩體的穩(wěn)定[1]。其次是因?yàn)樗姽こ潭酁榇篌w積工程，對(duì)于水泥的需求量較大，同時(shí)為了抗?jié)B防裂性能，在墻內(nèi)增加了較多的抗裂鋼筋，大大提高了工程造價(jià)。

如何更好地解決普通混凝土防滲墻所產(chǎn)生的這些問題，能否找到一種合適的材料來代替普通混凝土的缺陷，在這種情況下，塑性混凝土也就應(yīng)運(yùn)而生了。塑性混凝土是一種介于土與普通混凝土之間的柔性工程材料。由于塑性混凝土具有很低的彈性模量和良好的塑性變形特性，能與周圍地基圍巖協(xié)調(diào)變形，另外塑性混凝土不僅能保證足夠的力學(xué)強(qiáng)度，而且抗?jié)B性尤佳，因而在水利水電工程中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于塑性混凝土，國(guó)內(nèi)外展開了大量研究。1994年，三峽二期圍巖防滲墻中通過摻加粉煤灰的方式降低了水泥用量，有效降低了防滲墻的彈性模量并增加了抗?jié)B性能[2]。2006年，魏光輝結(jié)合減水劑和粉煤灰的摻加，有效降低了水泥水化熱，大大減少了裂縫的產(chǎn)生，還有效減弱了水化過程那種堿性集料的反應(yīng)，有效降低了塑性混凝土受到水熔鹽的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)[3]。上述均為對(duì)于塑性混凝土定性的研究，陳磊在2008年研究了粉煤灰的摻入量與塑性混凝土的彈性模量的關(guān)系[4]；周梅教授在2009年，研究了橡膠微粒在塑性混凝土中的摻加，通過對(duì)比試驗(yàn)分析了橡膠微粒在塑性混凝土中的工作性、彈性模2a、強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響[5]。楊林在2012年，通過摻加硅灰的方式定量研究了硅灰摻量的增加，對(duì)于塑性混凝土彈性模量和強(qiáng)度的影響，這對(duì)于塑性混凝土的推廣應(yīng)用起到了較大的推動(dòng)作用[6]。

鑒于塑性混凝土防滲性能受到多種因素的影響，同時(shí)對(duì)于塑性混凝土的抗?jié)B性能需要進(jìn)行適配，確定最終配合比。本文通過滲水高度方法研究水膠比、水泥用量和外加劑摻量對(duì)于塑性混凝土滲透性能的影響，相關(guān)研究結(jié)果對(duì)于未來類似工程設(shè)計(jì)、施工和后期維護(hù)提供最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

1 圍堤結(jié)構(gòu)對(duì)塑性混凝土的要求

1.1 圍堤結(jié)構(gòu)的要求

大型水利水電工程項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)于堤壩具有較高的防滲要求，堤壩的防滲功能有缺陷會(huì)大大降低水利水電工程的安全使用性能。隨著水利水電工程的規(guī)模越來越大，在高水頭作用下，堤壩對(duì)防滲的要求則更高，由此將對(duì)維持水利水電工程的正常運(yùn)營(yíng)造成較大的影響，甚至發(fā)生滲漏問題，造成嚴(yán)重的后果，具體如下[7]：

(1)滲漏造成堤壩揚(yáng)壓力太高，對(duì)于堤壩的抗滑穩(wěn)定性有著較大的影響，甚至造成失穩(wěn)破壞。

(2)滲漏降低堤壩耐久性。如果堤壩發(fā)生滲漏作用，則會(huì)在裂縫處析出鈣化物，造成混凝土疏松，嚴(yán)重則會(huì)影響大壩耐久性。

(3)滲漏加劇混凝土凍融破壞。對(duì)于堤壩而言，尤其是高寒地區(qū)的堤壩，滲漏條件下，滲入混凝土內(nèi)部水分會(huì)發(fā)生結(jié)冰膨脹，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生凍融循環(huán)破壞，嚴(yán)重影響堤壩安全。

1.2 塑性混凝土的基本特點(diǎn)

與普通剛性混凝土相比，塑性混凝土原材料增加了膨潤(rùn)土和外加劑等多元材料，因此在性質(zhì)上也與普通混凝土有較大的不同。鑒于本文是研究塑性混凝土在堤壩工程中的應(yīng)用，因此以下對(duì)于塑性混凝土在堤壩工程應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述[8]。

(1)彈性模量低。相對(duì)普通剛性混凝土，塑性混凝土加入了部分膨潤(rùn)土，在一定程度上增加了塑性混凝土的塑性，對(duì)應(yīng)的其彈性模量也大大降低，使得塑性混凝土具有較大的極限應(yīng)變。

(2)抗裂性能好。鑒于塑性混凝土彈性模量較低，因此相比普通剛性混凝土具有較大的極限應(yīng)變，使得塑性混凝土防滲墻在荷載作用下具有較大的變形，與周圍土體有較好的變形協(xié)調(diào)能力，幾乎不會(huì)因變形產(chǎn)生裂縫，即抗裂性能優(yōu)良。

(3)三向受力強(qiáng)度大。相比普通混凝土，塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度較低，但對(duì)于堤壩工程等對(duì)于強(qiáng)度要求不高的工程能夠滿足結(jié)構(gòu)要求。然而由于塑性混凝土的塑性變形較大，在三向力作用下，塑性混凝土強(qiáng)度會(huì)得到較大的提高，不會(huì)因?yàn)槭軌狠^大而發(fā)生破壞現(xiàn)象。

(4)抗?jié)B性能好。塑性混凝土摻入大量低透水性材料，尤其是膨潤(rùn)土的摻加，不僅降低了其彈性模量，對(duì)于其滲透系數(shù)也有較大程度的降低，這正好符合防滲墻的要求；在塑性混凝土設(shè)計(jì)中，多考慮摻入粉煤灰，粉煤灰的二次水化作用進(jìn)一步降低了塑性混凝土的滲透系數(shù)。

(5)良好的抗震性。根據(jù)上述分析，塑性混凝土彈性模量較低，具有較大的應(yīng)力變形能力，因此在地震力作用下，能夠吸收較多的振動(dòng)能力，極大地提高了防滲墻的抗震能力。

1.3 塑性混凝土滲透產(chǎn)生的原因

對(duì)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[7]。

對(duì)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，因此防滲方面需要進(jìn)行特殊的處理。因此為了防滲方面的考慮，對(duì)于塑性混凝土的水膠比有一定程度的限制，這是因?yàn)樵诨炷林写嬖谥欢康淖杂伤谒嗨^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，因此在塑性混凝土內(nèi)部殘留的自由水，蒸發(fā)后存在一定量的毛細(xì)孔。同時(shí)施工中振搗不密實(shí)也會(huì)造成內(nèi)部空隙。在澆筑完成后，內(nèi)部骨料會(huì)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(shí)混凝土在運(yùn)營(yíng)過程中的干縮效應(yīng)，也會(huì)在內(nèi)部和表面產(chǎn)生裂縫，在運(yùn)營(yíng)過程中，在水壓作用下，水分子會(huì)沿著內(nèi)部存在的空隙和微裂縫進(jìn)行滲透。

1.4 塑性混凝土的抗?jié)B機(jī)理

塑性混凝土的抗?jié)B性能，即塑性混凝土抵抗水、油等溶液的滲透作用的能力，這也是衡量塑性混凝土質(zhì)量的指標(biāo)之一，同時(shí)對(duì)于塑性混凝土的耐久性也有較大的影響。塑性混凝土抗?jié)B性能，除了對(duì)水等溶液的滲透有抵抗能力，同時(shí)對(duì)于碳化、凍融循環(huán)破壞具有一定的抵抗能力。根據(jù)工程實(shí)踐，塑性混凝土在水利工程中的應(yīng)用，對(duì)于防滲均具有一定程度的要求，當(dāng)前對(duì)于其防滲機(jī)理的研究，多集中在以下幾個(gè)方面[8]：

(1)對(duì)于塑性混凝土的水膠比降低以后，水泥水化物會(huì)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(duì)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(yàn)確定。這是因?yàn)檫m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(rùn)土或黏土顆粒堵塞。

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

2 塑性混凝土的試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方法

塑性混凝土相對(duì)滲透系數(shù)測(cè)定的試驗(yàn)方法參考DL/T5303-2013《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，采用混凝土抗?jié)B儀一次加壓進(jìn)行，具體試驗(yàn)過程如下：

(1)試件要求。對(duì)于塑性混凝土的抗?jié)B性能，鑒于其抗?jié)B性能的大小，當(dāng)前多采用滲水高度方法進(jìn)行測(cè)試，即相對(duì)滲透系數(shù)法進(jìn)行測(cè)試，試件為圓柱體，具體標(biāo)準(zhǔn)為：上口直徑175mm、下口直徑185mm、高度150mm。試驗(yàn)方法具體如圖2所示。

圖2 滲透示意圖

(2)施壓方式。將抗?jié)B儀的水壓力一次性加到0.4MPa，并記錄時(shí)間(精確至分)。保持恒定壓力24h。

(3)抗?jié)B性能公式推導(dǎo)。24h后，開始降壓。然后劈開試件，測(cè)量試件的平均滲水高度，根據(jù)計(jì)算得到相對(duì)滲透系數(shù)，有關(guān)計(jì)算公式為：

(1)

式中，Kr—相對(duì)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(shí)間，h；H—水壓力，以水柱高度表示，cm；若在恒壓的過程中，試件出現(xiàn)滲水，則停止試驗(yàn)，記下出水時(shí)間，試件的滲水高度為150mm。

2.2 試驗(yàn)配合比

當(dāng)前缺少塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程，本次試驗(yàn)原理主要借鑒DL/T5199-2004《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T5150-2001《水利水電工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》，對(duì)于塑性混凝土抗?jié)B性能的相關(guān)影響因素進(jìn)行研究。鑒于水膠比、水泥用量和減水劑含量對(duì)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、水泥用量和減水劑的方法，進(jìn)行塑性混凝土的抗?jié)B性能試驗(yàn)[9]。

迄今為止，關(guān)于塑性混凝土的配合比，國(guó)內(nèi)外沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，在具體工程應(yīng)用中，往往依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多組配合比進(jìn)行試配工作，從中選擇符合工程要求的配合比，以供工程施工使用，本文通過多次試驗(yàn)，選擇的配合比見表1。

表1 塑性混凝土試驗(yàn)配合比

圖3 塑性混凝土試件滲水高度

試驗(yàn)塑性混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為0.6MPa，水泥采用P.O32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)級(jí)配碎石，最大粒徑為25mm，天然河沙，級(jí)配曲線位于II區(qū)，屬于中砂；膨潤(rùn)土采用四川樂山生產(chǎn)的鈉質(zhì)膨潤(rùn)土。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

作為塑性混凝土較為重要的技術(shù)指標(biāo)，抗?jié)B性能直接關(guān)系著塑性混凝土防滲性能的好壞，基于上節(jié)對(duì)于塑性混凝土3種不同材料對(duì)比的工況，根據(jù)相對(duì)滲透系數(shù)法進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同工況下?lián)郊硬牧蠈?duì)于塑性混凝土滲透系數(shù)的影響，根據(jù)公式計(jì)算得到塑性混凝土相對(duì)滲透系數(shù)，具體見表2。

表2 塑性混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)計(jì)算圖如3所示。

3.2 水膠比對(duì)塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

水膠比是塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)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(cè)量原理，對(duì)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4所示。

圖4 滲透系數(shù)與水膠比之間的關(guān)系

根據(jù)圖4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?yàn)樵谒苄曰炷涟韬线^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(huì)有更多的自由水，大量自由水的存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(huì)導(dǎo)致塑性混凝土的抗?jié)B性能下降，即滲透系數(shù)會(huì)有一定程度的增加。同時(shí)，水膠比過大，在塑性混凝土凝固后，自由水會(huì)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、滲透系數(shù)大大增加。

3.3 水泥用量對(duì)塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

對(duì)于塑性混凝土而言，水泥和骨料是影響其強(qiáng)度的主要因素，與骨料含量不同的是，水泥用量對(duì)于塑性混凝土的抗?jié)B性能也有一定程度的影響，這是與水泥水化反應(yīng)方程式有較大的區(qū)別：

2C3S+6H→C3S2H3+3CH

(2)

式(2)即為硅酸鹽水泥發(fā)生水化反應(yīng)的方程式，即硅酸三鈣發(fā)生水化反應(yīng)生成硅酸(C—S—H)和氫氧化鈣(CH)的過程。具體反應(yīng)過程和分析如下。

(1)氫氧化鈣結(jié)晶，水化后的硅膠將會(huì)在硅酸三鈣表面形成包裹層，包裹層隨著水化作用的進(jìn)行不斷變厚。鑒于水化硅膠的粒徑僅為1mm，吸附氫氧化鈣后則能有效的降低水分?jǐn)U散。

(2)對(duì)于水泥用量的多少，對(duì)于水化產(chǎn)物的形成也會(huì)有著較大的影響，水化產(chǎn)物的形成和生成速度對(duì)于塑性混凝土的抗?jié)B性能有著較大的影響，根據(jù)相對(duì)滲透系數(shù)法測(cè)定水泥用量對(duì)于塑性混凝土抗?jié)B性能的影響，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 水泥用量與滲透系數(shù)之間的關(guān)系

根據(jù)圖5可以看出，隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的滲透系數(shù)呈下降趨勢(shì)，即塑性混凝土的抗?jié)B性能隨著水泥用量的增加而增加。這是因?yàn)楦鶕?jù)水泥水化反應(yīng)方程式，水化過程會(huì)產(chǎn)生一定量的膠體，對(duì)于結(jié)晶的硅酸三鈣產(chǎn)生一定的包裹作用，水泥用量越大，包裹性能越強(qiáng)，塑性混凝土中的空隙率則會(huì)大大降低，對(duì)于抗?jié)B性能具有較大程度的提高。水泥摻量的大小，影響著水化產(chǎn)物層的形成，從而影響到塑性混凝土的抗?jié)B性能。

3.4 外加劑對(duì)塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

塑性混凝土中摻加外加劑，在一定程度上降低塑性混凝土的滲透系數(shù)，具體如圖6所示。

圖6 滲透系數(shù)與減水劑摻量之間的關(guān)系

根據(jù)圖6可知，隨著減水劑摻量的增加，塑性混凝土的抗?jié)B性能有所降低。這是因?yàn)闇p水劑中含有的親水基團(tuán)能夠吸附大量水分子，懸浮的水分子包裹水泥顆粒，形成水層，使得水泥顆粒之間的滑動(dòng)性能得到一定程度的提高。同時(shí)導(dǎo)致塑性混凝土中產(chǎn)生大量小氣泡，在混凝土小氣泡一方面可以有效組織塑性混凝土中固體顆粒的沉降和水分子的上升，同時(shí)氣泡形成薄膜也在一定程度上消耗了水分，降低了自由水的含量；上述作用使得自由水的游移作用降低，同時(shí)切斷水分傳輸?shù)拿?xì)管，大大降低了塑性混凝土的滲透系數(shù)。

4 結(jié)論

鑒于塑性混凝土的的大變形、地彈性模量、高抗?jié)B性能的特征，在水利東湖店工程防滲施工、加固處理工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。通過水膠比、水泥用量和減水劑摻量的不同，研究塑性混凝土的抗?jié)B性能，得到以下結(jié)論：

(1)針對(duì)塑性混凝土水膠比對(duì)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(huì)大幅度增加。

(2)通過研究塑性混凝土水泥用量對(duì)于塑性混凝土防滲性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的滲透系數(shù)會(huì)大幅度降低。

(3)減水劑的添加，對(duì)于塑性混凝土的防滲性能有較大的影響，隨著減水劑用量的增加，塑性混凝土抗?jié)B性能有較大程度增強(qiáng)。