水泥用量對塑性混凝土抗滲性能影響研究

黃紹芳

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330025)

隨著我國水利水電行業施工技術的發展，水利水電工程向著更高更大方向發展，因此水利水電工程的關鍵結構如壩體、危壩加固、壩基和壩后擋土均存在不同程度的滲漏問題。根據工程建設情況，以往水利水電工程多采用剛性混凝土(E≥10000MPa)進行防滲結構的處理，鑒于剛性混凝土彈性模量大，是地基土的幾十倍甚至上百倍，因此在上部荷載作用下，變形與地基變形不一致，導致防滲墻和地基圍巖的變形應力存在較大差別，這會造成防滲墻內存在較多裂縫，甚至存在防滲墻被壓碎的可能性，嚴重影響水利水電工程的安全運營。如何才能在既能保證防滲墻的強度，同時又能對于防滲性能有所保證。塑性混凝土一經推出便得到了大量廣泛的應用，相比普通剛性混凝土，塑性混凝土不僅具有剛性混凝土的骨架作用，膨潤土和粉煤灰的加入對于防滲性能也有較大的增強作用，因此在水利水電防滲墻中得到了較為廣泛的應用。自20世紀60年代以來，隨著施工技術的不斷進步和施工工藝的成熟發展，塑性混凝土在國內外得到了較為廣泛的應用。相比剛性混凝土，塑性混凝土的彈性模量較低，極限變形較大，這對于塑性混凝土保證較大的變形有了最基礎的保證，同時塑性混凝土必要的強度和抗滲性能對于塑性防滲墻的應力狀態還有一定程度的改善；同時摻入大量粉煤灰和膨潤土，塑性混凝土對于水泥原材料的需求有所降低，使得水利水電工程造價在一定程度上有所降低。

鑒于當前塑性混凝土的大量應用，因此對于塑性混凝土的性能需要有充分的研究，尤其是其防滲機理需要有清晰精確的研究；根據查閱文獻，當前對于塑性混凝土的研究，多是集中在其工程應用，性能多是根據實驗室適配確定，缺乏定性的研究，因此本文從塑性混凝土典型材料方面展開研究，通過相對滲透系數法，對于水泥用量對塑性混凝土抗滲性能的影響進行了研究，結果表明，水泥用量的增加，對于塑性混凝土的抗滲性能具有一定程度的增強作用。相關研究對于未來類似工程設計、施工和后期維護具有一定的指導意義。

1 塑性混凝土防滲性能分析

1.1 材料組成

對于塑性混凝土而言，相比普通剛性混凝土，水泥用量相對降低，膨潤土摻入，和易性相對較高，由于水泥含量相對較低，因此強度和彈性模量均低于普通剛性混凝土，而極限應變大大增加，因此能夠與地基基礎進行較好的適應，鑒于其在塑性防滲墻的防滲要求和強度要求，塑性混凝土配合比組成如下：

(1)水泥用量。相比普通剛性混凝土，塑性混凝水泥用量相對較低，一般為80～150kg/m3。

(2)膠凝材料總量。針對防滲墻用塑性混凝土而言，膠凝材料的含量一般為270～360kg/m3，膨潤土和黏土總用量占總量的40%～70%，同時一些塑性防滲墻中還應用了粉煤灰。

(3)水膠比。鑒于塑性混凝土中大量摻加膨潤土和黏土，具有較大的吸水率，為了滿足流動性與和易性的要求，水膠比多為0.8～1.3。

(4)骨料含量。為了降低塑性混凝土的變形模量，對于骨料粒徑要求不得低于20mm，且砂石比例不得小于1∶1，骨料含量多為1300～1600kg/m3。

1.2 塑性混凝土滲透產生的原因

對于塑性混凝土，其滲透性能主要由其微觀結構決定，如孔隙率、孔徑大小和骨料-界面區的骨料組成等?；炷羶炔坑捎跍囟葢蛘呤湛s徐變引起的微裂縫，也是其產生滲透的原因之一。對于塑性混凝土的滲透，當前主流觀點如下：

(1)毛細孔越多越大，則會導致塑性混凝土的強度降低，同時滲透系數增大。毛細孔的增多主要是由于在塑性混凝土澆筑過程中較大的水膠比造成的，主要是塑性混凝土原材料中包括大量膨潤土和黏土，能夠吸收較多的水。為了塑性混凝土的流動性和和易性，需要選擇大水膠比，這樣在塑性混凝土凝固過程中，內部含量大量自由水，水化完成后，水化產物無法完全占據自由水的空間，導致產生大量空隙和毛細孔。

(2)塑性混凝土的界面區疏松多孔，這會導致Ca(OH)2富集并大量增長，使得塑性混凝土界面區更加疏松，惡性循環，導致大量有害介質侵入塑性混凝土內部，對于塑性混凝土的滲透性能產生較大的影響。

(3)塑性混凝土的收縮徐變性能也會造成在塑性混凝土內部產生裂縫，在水壓作用下，液體分子會沿著塑性混凝土內部空隙和微裂縫進行滲透，造成較大的滲透損壞。

1.3 塑性混凝土的抗滲機理

查閱相關文獻，對于塑性混凝土的抗滲機理，主要存在以下定性解釋：

(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，因此相應的網狀結構較普通混凝土單薄，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能力，保證其穩定性，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滲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，對于塑性混凝土配合比沒有一個定論，在實際工程中，多通過經驗或者通過實驗室進行適配，根據工程需要選擇合適的配合比，通過多次試驗，本文塑性混凝土具體配合材料參數見表1。

表1 塑性混凝土的配合比

2.2 試驗方法

2.2.1 試件要求

對于塑性混凝土的抗滲性能，鑒于其抗滲性能的大小，當前多采用滲水高度方法進行測試，即相對滲透系數法進行測試，試件為圓柱體，具體標準如下：

(1)上口直徑175mm；

(2)下口直徑185mm；

(3)高度150mm。

試驗方法具體如圖1所示。

圖1 滲透示意圖

2.2.2 施壓方式

通過抗滲儀施加水壓力，一次性加到0.4MPa，并詳細記錄時間，然后保證抗滲儀水壓力恒定，直至24h。

如果恒壓過程中，發生滲水，則停止試驗，記錄下出水試件。

2.2.3 抗滲性能研究

24h后，開始降壓。降壓完成后，劈開試件，測量平均滲水高度，通過計算即可得到相對滲透系數，相關計算公式如下：

(1)

式中：Kr—相對滲透系數，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。

3 水泥用量對塑性混凝土抗滲性能的影響

對于塑性混凝土，水泥和骨料對于其強度具有較大的影響，與骨料影響不同，水泥水化作用產物對于其抗滲性能具有一定程度的影響作用，這是因為水泥水化作用如下：

2C3S+6H→C3S2H3+3CH

(2)

水泥發生水化作用，即C3S發生水化反應生成C-S-H和CH的過程。具體反應過程和分析如下：

(1)氫氧化鈣結晶后，水化后的硅膠將會在硅酸三鈣表面形成包裹層，包裹層隨著水化作用的進行不斷變厚，鑒于水化硅膠的粒徑僅為1mm，吸附氫氧化鈣后則能有效地降低水分擴散。

(2)水泥用量的多少，對于水化產物的形成也會有著較大的影響，水化產物的形成和生成速度對于塑性混凝土的抗滲性能有著較大的影響。根據相對滲透系數法測定相關滲透系數，則水泥用量對于塑性混凝土抗滲性能的影響結果：水泥摻量的大小，影響著水化產物層的形成，從而影響到塑性混凝土的抗滲性能(如圖2所示)。

圖2 水泥用量與滲透系數之間的關系

根據圖2可知，水泥用量增加，則塑性混凝土的滲透系數呈現降低趨勢，且越來越為明顯，即塑性混凝土抗滲性能與水泥用量呈正相關趨勢。這是因為根據水泥水化反應方程式，水化過程會產生一定量的膠體，對于結晶的硅酸三鈣產生一定的包裹作用，水泥用量越大，包裹性能越強，塑性混凝土中的空隙率則會大大降低，對于抗滲性能具有較大程度的提高。

4 結語

鑒于塑性混凝土與剛性混凝土相近的剛度，且存在較大的抗滲性能和極限應變能力，在水利工程防滲墻項目中得到了較為廣泛的應用。由于膨潤土的大量摻加，減少了水泥用量，大大降低了工程成本，優異的性能和低廉的成本使得塑性混凝土在防滲墻中得到了較為廣泛的應用。對于塑性混凝土而言，膨潤土的添加，不僅大大降低了水泥用量和工程成本，也在一定程度上降低了水泥水化熱的產生，對于塑性混凝土裂縫的產生具有一定程度的抑制作用，對于水利水電工程項目具有較強的適用性。