水工防滲墻塑性混凝土強度影響因素試驗研究

黃 曉

(臨沂市水利水電工程建設監(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中的重要防滲工程措施，被廣泛應用于壩體、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，進而在墻體內(nèi)部產(chǎn)生比較明顯的應力集中問題，一旦超過限度，就會誘發(fā)破壞性變形，導致防滲墻防滲失效[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，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中得到日益廣泛的應用[5]。當然，將塑性混凝土應用于水利工程建設中的防滲墻工程，不僅要滿足彈性模量的要求，還應該具有一定的強度。但是，就當前的工程實踐來看，在塑性混凝土的彈性模量滿足施工預期要求的情況下，其強度水平往往偏低，進而影響到塑性混凝土防滲墻的工程質(zhì)量[6]。基于此，以實驗的方式對防滲墻塑性混凝土強度的影響因素展開研究，具有重要的理論和實踐價值。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

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

試驗用膨潤土為納化膨潤土。對其樣品的實驗室檢測結(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，滿足相關技術要求。塑性混凝土的細骨料為多級配河沙，細度模數(shù)在0.075～2.55mm之間。

試驗用減水劑為聚羧酸高效減水劑。

1.2 試驗方案

為了盡可能少試驗次數(shù)達到試驗目的，研究中利用工程類比方法，結(jié)合塑性混凝土的工程應用經(jīng)驗，初步確定原料的用量范圍，通過室內(nèi)攪拌試驗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‰。以三種干料為試驗研究的主要變量，設計出12組不同配合比的試驗方案，見表1。

1.3 試驗過程

按照上節(jié)設計的驗方案，每種方案制作6個試件，共12組，72個試件。試件制作的模具為內(nèi)徑100mm，高100mm的圓柱形鋼模。試驗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，然后將按照試驗設計標準利用水泥裹石法制備的透水混凝土倒入模具，并插搗密實。試件按層高50mm分上下兩層單面擊實，再自然冷卻至常溫后脫模[8]。脫模后的試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至相應的齡期，然后進行后續(xù)實驗。

表1 不同試驗方案配合比設計表

1.4 試驗方法

對達到試驗養(yǎng)護齡期的試件，用抹布擦拭干凈，然后將其置于試驗機壓板的中間。在試驗過程中以0.01MPa/s的加載速率勻速加載并觀察試件的情況，當試件出現(xiàn)迅速變形接近破壞時，記錄其荷載值，并按照如下公式進行抗壓強度值的計算。將每組試驗的3個試件結(jié)果的均值作為本組試驗的最終結(jié)果[9- 15]。如果三個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結(jié)果，如果兩者與中間值的差距均超過15%，則需要重新進行該組試驗。

(1)

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

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

表2 不同水泥含量方案試驗結(jié)果

2.2 黏土含量的影響分析

為了研究黏土含量對塑性混凝土強度的影響，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組試驗方案，對齡期為7d和28d的試件進行試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同方案下的試件抗壓強度，結(jié)果見表3。由表3中的計算結(jié)果可知，黏土含量對塑性混凝土的強度存在一定的影響，且影響主要表現(xiàn)在含量較少的情況下。具體而言，當混凝土中的黏土含量小于65kg/m3時，混凝土的強度會隨著黏土含量的增加而明顯降低。例如，當黏土含量由45kg/m3增加到65kg/m3的情況下，試件的7d和28d齡期強度分別下降13.82%和17.72%。隨著黏土含量的進一步增加，塑性混凝土的強度呈現(xiàn)出小幅波動的特征，說明進一步增加黏土含量對混凝土強度的影響并不明顯。

表3 不同黏土含量方案試驗結(jié)果

2.3 膨潤土的影響分析

為了研究膨潤土含量對塑性混凝土強度的影響，選擇水泥用量和砂率不變，膨潤土用量不同的F10、F11、F12等3組試驗方案，對齡期為7d和28d的試件進行試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲取不同方案下的試件抗壓強度，結(jié)果見表4。各齡期條件下的塑性混凝土的強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。從具體的試驗數(shù)據(jù)來看，當膨潤土摻量由0增加到40kg/m3時，7d齡期和28齡期的塑性混凝土強度的下降幅度分別為24.16%和15.43%；當膨潤土摻量由40kg/m3增加到80kg/m3時，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，摻入膨潤土會顯著降低塑性混凝土的強度，且膨潤土的摻量越多，混凝土強度的下降幅度就越大。因此，在實際工程應用中，可以在滿足混凝土塑性變形性能的情況下，適當減小膨潤土的摻量，以保證塑性混凝土有足夠的強度。

表4 不同膨潤土含量方案試驗結(jié)果

3 結(jié)論

此次研究利用試驗方法對水工防滲墻塑性混凝土強度影響因素試驗及相關規(guī)律進行研究，獲得的主要結(jié)論如下：

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

(2)黏土含量對塑性混凝土的強度存在一定的影響，當黏土含量較低時，塑性混凝土強度會隨著黏土含量的增加而減小，當黏土含量較高時對強度的影響并不明顯。

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