水工防滲墻塑性混凝土強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究

黃 曉

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276300)

混凝土防滲墻是中小型水利工程建設(shè)中的重要防滲工程措施，被廣泛應(yīng)用于壩體、壩基、圍堰、堤壩等各種防滲工程[1]。在傳統(tǒng)的混凝土防滲墻施工中，大多采用普通剛性混凝土。但是，由于剛性混凝土的極限變形能力較差，造成防滲墻在使用過程中與周圍材料的變形不匹配，進(jìn)而在墻體內(nèi)部產(chǎn)生比較明顯的應(yīng)力集中問題，一旦超過限度，就會(huì)誘發(fā)破壞性變形，導(dǎo)致防滲墻防滲失效[2]。塑性混凝土作為一種新型混凝土，主要是在傳統(tǒng)的混凝土中添加了一定量的粘土和膨潤土等材料，進(jìn)而改善普通混凝土的性能[3]，大幅提升混凝土的極限變形能力，實(shí)現(xiàn)防滲墻與周圍土體材料之間的變形匹配性，提高防滲墻的耐久性[4]。同時(shí)，塑性混凝土還具有成本低，施工工藝簡單的優(yōu)勢，因此在水利工程建設(shè)中得到日益廣泛的應(yīng)用[5]。當(dāng)然，將塑性混凝土應(yīng)用于水利工程建設(shè)中的防滲墻工程，不僅要滿足彈性模量的要求，還應(yīng)該具有一定的強(qiáng)度。但是，就當(dāng)前的工程實(shí)踐來看，在塑性混凝土的彈性模量滿足施工預(yù)期要求的情況下，其強(qiáng)度水平往往偏低，進(jìn)而影響到塑性混凝土防滲墻的工程質(zhì)量[6]。基于此，以實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)防滲墻塑性混凝土強(qiáng)度的影響因素展開研究，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。在試驗(yàn)之前對(duì)水泥樣品進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示其比表面積為335m2/kg；初凝和終凝時(shí)間分別為175min和233min；28d抗折強(qiáng)度為7.5MPa，抗壓強(qiáng)度為46.5MPa；各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)要求，可以用于試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)用膨潤土為納化膨潤土。對(duì)其樣品的實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果顯示，其中的粘粒質(zhì)量占比為67.2%；使用的黏土為低液限黏土。

試驗(yàn)中以人工碎石作為塑性混凝土的粗骨料，其巖性為石灰?guī)r，和水泥具有良好的粘附力，粒徑為5～10mm，在加熱至最高拌合溫度過程中沒有出現(xiàn)開裂和分解現(xiàn)象，滿足相關(guān)技術(shù)要求。塑性混凝土的細(xì)骨料為多級(jí)配河沙，細(xì)度模數(shù)在0.075～2.55mm之間。

試驗(yàn)用減水劑為聚羧酸高效減水劑。

1.2 試驗(yàn)方案

為了盡可能少試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模芯恐欣霉こ填惐确椒ǎY(jié)合塑性混凝土的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，初步確定原料的用量范圍，通過室內(nèi)攪拌試驗(yàn)的方式控制混凝土的塌落度，最終確定合適的用水量[7]。減水劑先溶于水再摻入，摻量為6‰。以三種干料為試驗(yàn)研究的主要變量，設(shè)計(jì)出12組不同配合比的試驗(yàn)方案，見表1。

1.3 試驗(yàn)過程

按照上節(jié)設(shè)計(jì)的驗(yàn)方案，每種方案制作6個(gè)試件，共12組，72個(gè)試件。試件制作的模具為內(nèi)徑100mm，高100mm的圓柱形鋼模。試驗(yàn)過程中將模具清理干凈，放在烘箱內(nèi)加熱后，在其內(nèi)側(cè)涂刷一層脫模劑，然后將按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)利用水泥裹石法制備的透水混凝土倒入模具，并插搗密實(shí)。試件按層高50mm分上下兩層單面擊實(shí)，再自然冷卻至常溫后脫模[8]。脫模后的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期，然后進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

表1 不同試驗(yàn)方案配合比設(shè)計(jì)表

1.4 試驗(yàn)方法

對(duì)達(dá)到試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)齡期的試件，用抹布擦拭干凈，然后將其置于試驗(yàn)機(jī)壓板的中間。在試驗(yàn)過程中以0.01MPa/s的加載速率勻速加載并觀察試件的情況，當(dāng)試件出現(xiàn)迅速變形接近破壞時(shí)，記錄其荷載值，并按照如下公式進(jìn)行抗壓強(qiáng)度值的計(jì)算。將每組試驗(yàn)的3個(gè)試件結(jié)果的均值作為本組試驗(yàn)的最終結(jié)果[9- 15]。如果三個(gè)試件中的最大或最小值與中間值的差距超過15%，則以中間值為最終試驗(yàn)結(jié)果，如果兩者與中間值的差距均超過15%，則需要重新進(jìn)行該組試驗(yàn)。

(1)

式中，Pc—試件的抗壓強(qiáng)度值，MPa；A—試件承壓面積，mm2；F—極限破壞荷載，N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥含量的影響分析

為了研究水泥含量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響，選擇黏土和砂率不變，水泥用量不同的F1、F2、F5、F8和F9等5組試驗(yàn)方案，對(duì)齡期為7d和28d的試件進(jìn)行試件的強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取不同方案下的試件抗壓強(qiáng)度值，結(jié)果見表2。由表2中的計(jì)算結(jié)果可知，試件的強(qiáng)度隨著水泥含量的增加而增大。從不同齡期的對(duì)比結(jié)果來看，水泥含量對(duì)7d齡期試件彈性模量的影響相對(duì)較小，對(duì)28d齡期試件彈性模量的影響相對(duì)較大。具體而言，水泥含量在小于160kg/m3時(shí)，試件的強(qiáng)度隨水泥含量的增加而迅速增長，水泥含量超過160kg/m3時(shí)強(qiáng)度的增長趨于緩慢，特別是水泥含量由180kg/m3增加到200kg/m3時(shí)，試件28d抗壓強(qiáng)度僅增長5.06%，對(duì)試件強(qiáng)度的提升作用極為有限。

表2 不同水泥含量方案試驗(yàn)結(jié)果

2.2 黏土含量的影響分析

為了研究黏土含量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響，選擇水泥用量和砂率不變，黏土用量不同的F3、F4、F5、F6和F7等5組試驗(yàn)方案，對(duì)齡期為7d和28d的試件進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取不同方案下的試件抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3。由表3中的計(jì)算結(jié)果可知，黏土含量對(duì)塑性混凝土的強(qiáng)度存在一定的影響，且影響主要表現(xiàn)在含量較少的情況下。具體而言，當(dāng)混凝土中的黏土含量小于65kg/m3時(shí)，混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨著黏土含量的增加而明顯降低。例如，當(dāng)黏土含量由45kg/m3增加到65kg/m3的情況下，試件的7d和28d齡期強(qiáng)度分別下降13.82%和17.72%。隨著黏土含量的進(jìn)一步增加，塑性混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出小幅波動(dòng)的特征，說明進(jìn)一步增加黏土含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響并不明顯。

表3 不同黏土含量方案試驗(yàn)結(jié)果

2.3 膨潤土的影響分析

為了研究膨潤土含量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響，選擇水泥用量和砂率不變，膨潤土用量不同的F10、F11、F12等3組試驗(yàn)方案，對(duì)齡期為7d和28d的試件進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取不同方案下的試件抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表4。各齡期條件下的塑性混凝土的強(qiáng)度均隨著膨潤土摻量的增加而減小，但是膨潤土摻量較小時(shí)的影響較小，隨著膨潤土摻量的增加，影響程度逐漸增大。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)膨潤土摻量由0增加到40kg/m3時(shí)，7d齡期和28齡期的塑性混凝土強(qiáng)度的下降幅度分別為24.16%和15.43%；當(dāng)膨潤土摻量由40kg/m3增加到80kg/m3時(shí)，7d齡期和28齡期的塑性混凝土彈性模量的下降幅度分別為55.31%和43.32%。由此可見，摻入膨潤土?xí)@著降低塑性混凝土的強(qiáng)度，且膨潤土的摻量越多，混凝土強(qiáng)度的下降幅度就越大。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以在滿足混凝土塑性變形性能的情況下，適當(dāng)減小膨潤土的摻量，以保證塑性混凝土有足夠的強(qiáng)度。

表4 不同膨潤土含量方案試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

此次研究利用試驗(yàn)方法對(duì)水工防滲墻塑性混凝土強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)及相關(guān)規(guī)律進(jìn)行研究，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)塑性混凝土的強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增大，但是水泥含量大于180kg/m3時(shí)對(duì)提高混凝土強(qiáng)度的作用十分有限。

(2)黏土含量對(duì)塑性混凝土的強(qiáng)度存在一定的影響，當(dāng)黏土含量較低時(shí)，塑性混凝土強(qiáng)度會(huì)隨著黏土含量的增加而減小，當(dāng)黏土含量較高時(shí)對(duì)強(qiáng)度的影響并不明顯。

(3)摻入膨潤土對(duì)塑性混凝土的強(qiáng)度存在顯著影響，且膨潤土的摻量越多，塑性混凝土強(qiáng)度的下降幅度就越大。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以在滿足混凝土塑性變形性能的情況下，適當(dāng)減小膨潤土的摻量，以保證塑性混凝土有足夠的強(qiáng)度。