紅黏土膨潤土塑性件混凝土在土石壩防滲工程中的應(yīng)用研究

劉文龍

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

1 概 述

在土石壩除險(xiǎn)加固工程中，塑性混凝土防滲墻可有效彌補(bǔ)剛性混凝土防滲墻在高烈度或地基承載力較弱地區(qū)應(yīng)用的缺陷，故塑性混凝土防滲墻加固技術(shù)應(yīng)用得越來越廣泛[1-2]。

隨著塑性混凝土防滲墻在水庫除險(xiǎn)加固工程及相關(guān)工程的應(yīng)用，采用壓縮性低、抗剪強(qiáng)度高、承載能力較好和弱透水性等特點(diǎn)的紅黏土作為塑性混凝土原材料，成為一種有效的解決措施[3-8]，故通過試驗(yàn)研究分析紅黏土對塑性混凝土防滲墻性能影響顯得非常重要。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

紅黏土取自某水庫庫區(qū)，水泥采用型號為PO42.5的普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢測均符合要求。采用的河砂細(xì)度模數(shù)為3.0，屬中砂，顆粒級配屬于II區(qū)，級配良好，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。碎石粗骨料采用粒徑為5～20 mm的碎石顆粒級配，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。膨潤土采用某膨潤土廠生產(chǎn)的特級泥漿膨潤土。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 設(shè)計(jì)紅黏土配合比

對取自贛南紅土地區(qū)的紅黏土，通過改變紅黏土含量設(shè)計(jì)試樣，制備紅黏土含量分別在0、30、60、90、120、150、180和210 kg/m3(每種紅黏土含量試件為3塊，以便減小試驗(yàn)誤差)的紅黏土膨潤土塑性件混凝土，水泥含量均為150 kg/m3。國內(nèi)尚無明確的紅黏土膨潤土塑性件混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，本次試驗(yàn)中的紅黏土膨潤土塑性件混凝土配合比設(shè)計(jì)以四川南部某水庫除險(xiǎn)加固工程需要為背景，要求滿足相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。取水膠比為0.9，濕容重為2 000 kg/m3，含砂率為50%，膨潤土含量為65 kg/m3。制備成100 mm×100 mm×100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。

2.2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

參照《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5303-2013)的有關(guān)規(guī)定，將試樣(每種紅黏土含量為3個(gè)試樣，以減少試驗(yàn)誤差)放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓盤上，試樣中心應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)的下壓盤中心對準(zhǔn)。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，上壓板快速接觸試樣時(shí)調(diào)整球座，使接觸平衡，測量抗壓強(qiáng)度。以0.05 MPa/s的速度連續(xù)均勻加載，當(dāng)試件接近失效并開始快速變形時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的節(jié)流閥應(yīng)停止調(diào)整，直到試件損壞，并記錄失效載荷和變形。為計(jì)算試件的壓縮彈性模量，在20%極限載荷和40%極限載荷下，安裝兩個(gè)測微計(jì)來記錄試件的變形。

2.2.3 滲透試驗(yàn)

參照《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5303-2013)的相關(guān)規(guī)定，具體步驟為：

1) 首先將試件(每種紅黏土含量試件為3塊，以便減小試驗(yàn)誤差)放入真空飽水裝置中進(jìn)行飽和。在試驗(yàn)過程中，將試樣擦拭干凈。在試樣側(cè)面涂上一層合適尺寸的橡膠膜或一層密封材料，然后用螺旋加壓器將試樣壓入試驗(yàn)?zāi)＞撸乖嚇优c模型底面齊平。

2) 啟動(dòng)抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)，打開試驗(yàn)位置下的閥門，將試驗(yàn)坑注滿水，關(guān)閉抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)，將密封試樣安裝在抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)上。試驗(yàn)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的水力坡度，計(jì)算試驗(yàn)中的水壓。計(jì)算時(shí)，將不透性計(jì)的水壓加在水壓上一次，直到發(fā)生滲漏為止。用中性濾紙或吸水性好的材料吸水，開始記錄時(shí)間。

3) 根據(jù)滲水量準(zhǔn)備足夠的中性濾紙，稱取其重量。然后將中性濾紙覆蓋在滲水試樣表面，蓋上玻璃板，每隔2 h取出中性濾紙，稱取其重量。前后兩個(gè)質(zhì)量差為該時(shí)期滲水量，即試件測試可以停止。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同紅黏土含量下抗壓強(qiáng)度規(guī)律探究

按照下列公式計(jì)算混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度：

(1)

式中：Pa為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；F為破壞時(shí)的極限荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

經(jīng)過試驗(yàn)，得到各混凝土立方體試件單軸抗壓強(qiáng)度，見表1、圖1、圖2。

表1 不同紅黏土含量下混凝土立方體試件單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同紅黏土含量下單軸抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖2 各含量下強(qiáng)度降幅曲線

由表1和圖1可以看出，紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤土塑性件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別下降了10%、15%、24%、30%、34%、36%、38%、41%，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

其中，當(dāng)紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60和90 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低0.72、1.13和1.42 MPa，降幅十分顯著；當(dāng)紅黏土含量從90 kg/m3增加至210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低0.18、0.27、0.37和0.52 MPa，降幅明顯放緩。

從圖2可以看出，隨著紅黏土含量的增加，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度在各階段的降幅逐漸變緩，整體表現(xiàn)出指數(shù)規(guī)律。以90 kg/m3含量為界，單軸抗壓強(qiáng)度在各階段的降幅從一個(gè)快速下降進(jìn)入到一個(gè)緩慢下降的階段。試驗(yàn)結(jié)果表明，在水泥含量一定的情況下，以紅黏土含量90 kg/m3含量為界，紅黏土含量小于90 kg/m3紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體的單軸抗壓強(qiáng)度對紅黏土含量十分敏感；超過90 kg/m3含量范圍，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體的單軸抗壓強(qiáng)度對紅黏土含量的敏感程度逐漸降低；當(dāng)紅黏土含量接近100%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度也接近紅黏土的單軸抗壓強(qiáng)度。

3.2 壓縮彈性模量規(guī)律探究

靜力抗壓彈性模量按下式計(jì)算：

(2)

式中：Ec為壓縮彈性模量，MPa；F2為最大荷載的40%，N；F1為最大荷載的20%，N；ΔL為荷載從20%增加到40%時(shí)的變形量，mm；L為測量變形的標(biāo)距，mm；A為試件受壓面積，mm2。

試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖3。

表2 紅黏土膨潤土塑性件混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同紅黏土含量下彈性模量曲線

由表2和圖3可以看出，紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤土塑性件混凝土立方體彈性模量分別下降了5%、11%、13%、21%、26%、28%和29%，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。圖3表明在水泥含量一定的條件下，在0～210 kg/m3的紅黏土含量范圍內(nèi)，隨著紅黏土含量的增加，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體試件的彈性模量在各階段的降幅幾乎相等，整體表現(xiàn)出線性規(guī)律。

3.3 滲透結(jié)果分析

混凝土的滲透系數(shù)按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：K20為室溫為20℃時(shí)的滲透系數(shù)，cm/s；Q為總滲透水量，cm3；J為滲透比降；t為間隔時(shí)間，s；A為試件平均截面面積，cm2；τT為實(shí)際試驗(yàn)條件下的水動(dòng)力黏滯系數(shù)；τ20為室溫為20℃時(shí)的水動(dòng)力黏滯系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖4。

表3 紅黏土膨潤土塑性件混凝土滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同紅黏土含量下試件滲透系數(shù)曲線

由表3和圖4可以看出，紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤土塑性件混凝土立方體滲透系數(shù)分別下降了21%、31%、46%、52%、55%、56%和57%，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

圖4表明，紅黏土含量與滲透系數(shù)的下降呈現(xiàn)出先陡降后緩降的變化規(guī)律，整個(gè)變化過程表現(xiàn)出二次函數(shù)規(guī)律。與抗壓強(qiáng)度類似，同樣以紅黏土含量90 kg/m3為界定點(diǎn)，滲透系數(shù)在各階段的降幅從一個(gè)快速下降進(jìn)入到一個(gè)緩慢下降的階段。結(jié)果表明，在水泥含量一定的情況下，以紅黏土含量為90 kg/m3含量為界，紅黏土含量小于90 kg/m3紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體的滲透系數(shù)對紅黏土含量十分敏感，超過90 kg/m3含量范圍，紅黏土膨潤土塑性件混凝土立方體試件的滲透系數(shù)對紅黏土含量的敏感程度逐漸降低；當(dāng)紅黏土含量接近100%時(shí)，滲透系數(shù)也接近紅黏土的滲透系數(shù)。

4 結(jié) 論

1) 在水泥含量一定的條件下，紅黏土含量對紅黏土膨潤土塑性件混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)起著決定性的作用。隨紅黏土含量增加，紅黏土膨潤土塑性件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

2) 隨著紅黏土含量增加，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的彈性模量與紅黏土含量呈現(xiàn)線性下降的規(guī)律。

3) 隨著紅黏土含量增加，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。整個(gè)變化過程表現(xiàn)出二次函數(shù)規(guī)律。

4) 在水泥含量一定的情況下，以紅黏土含量為90 kg/m3含量為界，紅黏土含量小于90 kg/m3，紅黏土膨潤土塑性件混凝土的立方體的單軸抗壓強(qiáng)度和滲透性對紅黏土含量十分敏感；超過90 kg/m3含量范圍，敏感程度逐漸降低。