基于新材料的水利工程建筑施工加固防滲技術

徐軍

摘要：近年來隨著大型水利工程建設的規劃與興建，水利工程防滲問題逐漸成為研究方向，尋找新材料進行防滲處理更是熱點中的熱點。本文介紹了一種新材料—塑性混凝土，通過闡述其定義及結構形式，分析了其防滲優勢所在，并結合某截水墻工程，淺談了作者針對塑性混凝土施工的一些認識，并在最后提出了相關施工技術改進的建議。

關鍵詞：塑性混凝土;膨潤土;防滲加固

1 塑性混凝土的定義

塑性混凝土是一種以膨潤土或其他黏土礦物取代普通混凝土中部分膠結材料而形成的柔性材料，與普通混凝土相比具有彈性模量低、極限變形大等優點，同時具有較好抗滲透性等特點，通常被應用于解決圍堰、土石壩、堤防及人工湖等工程中的滲漏問題，其目的在于通過低滲透系數防止水的滲透，使水的流線延長，減少水壓造成的上舉力，另與剛性截水墻相比，因柔性截水墻中的塑性混凝土彈性模量需要求與周圍巖土體相差較小，地盤變動時，塑性混凝土與巖土體變形較為一致，能有效避免在截水墻體中出現拉應力及較大變形而產生破裂并失去防滲功能。

根據有關截水墻材料的規定，主要需具有以下特性：

1）水密性─滲透系數k 值需為10-5～10-6cm/s。

2）可變形性─破壞時需有相當變形量，材料變形模量（彈性模量）為周圍地層的4～5 倍。

3）強度─強度盡量小，以免降低其變形性。

4）耐久性、耐沖蝕性、可工作性。

2 塑性混凝土的組成

與普通混凝土相比，塑性混凝土的組成除了水、水泥、細粒料、粗粒料等，還添加了膨潤土或其他黏土礦物。膨潤土的礦物組成主要為蒙脫石，一般含量在80%左右，其化學成分主要為氧化硅，一般含量在60%左右。因蒙脫石表面微弱吸附許多可交換的陽離子，當水分進入膨潤土后，為了中和其電荷，再加上蒙脫石晶層間結合力較弱，水分子可輕易地進入到晶層間，而晶體吸水后相互推擠而造成回脹現象，使膨潤土具有吸水量大、膨脹量大的特性，且與水接觸后有填補孔隙的效果。

學者R.PUSCH 針對較為常見的三種黏土礦物，分別為蒙脫石、高嶺土、伊利石進行滲透系數的測定，得出在相同情況下蒙脫石擁有較低的滲透系數，即擁有較佳的阻水性能，且隨著試體的單位重及孔隙比不同，滲透系數約在范圍10-10～10-14 m/s 之間，可見膨潤土的滲透系數比起一般砂土（10-4m/s）低許多，這也是為何富含蒙脫石礦物的膨潤土會被選定使用在截水墻塑性混凝土中相當主要的原因，采用膨潤土取代混凝土中部分水泥可明顯提高混凝土的韌性與塑性變形外，同時可利用膨潤土其低滲透系數達到抗滲的效果。

3 項目概況

以國內某水庫大壩工程的連續墻截水墻為例，其截水墻厚度采用1.0m，深度介于30～55m，總長度為2298.43m，總面積為104931m2，聯結四個副壩及一座主壩。為使截水墻具有較佳的變形性，于較大變形量下不發生破壞，而能維持其截水功能，并根據上述截水墻材料的基本要求與塑性混凝土配比試驗及數值模擬分析結果，擬定了以下應用于湖山水庫截水墻塑性混凝土的相關性質標準：

1）滲透系數小于5×10-7 cm/s。

2）彈性模量為18，000～36，000 kg/cm2。

3）抗壓強度為14～25 kg/cm2。

4）坍落度為18～23 cm。。

4 塑性混凝土施工主要要點

由于塑性混凝土材料本身及生產拌和的特殊性，且考慮塑性混凝土在產制、現場施工過程中的實際狀況，通過預拌廠生產塑性混凝土時，需先了解相關程序并依據相關硬設備做好妥善規劃，才能使塑性混凝土的供料穩定及質量上符合施工規范要求，其中又以塑性混凝土產制及膨潤土漿產制問題為首要關鍵，相關流程與建議如下說明：

拌和時，建議將配比中的拌和用水與膨潤土預先以膨潤土：水=1：7的比例制成膨潤土漿，并采抽送方式下料參與拌和，剩余的拌和用水則于扣除粗、細粒料表面游離水分后以水磅秤計量下料參與拌和，其詳細拌和順序與建議為：

1）輸送所需用量的粗、細粒料進入拌和機中。

2）輸送水泥進入拌和機中與粗、細粒料干拌約30秒鐘。

3）拌和機持續攪拌，并開啟馬達將預先產制的膨潤土漿依需求用量抽送進入拌和機中。

4）膨潤土漿抽送完畢后，加入配比中扣除粒料表面游離水后剩余的拌和水。

5）持續拌和至少2分鐘后下料至預拌車中。

承上所述，膨潤土漿的生產在塑性混凝土產制上是一相當重要的環節，因此膨潤土漿產制的每一個環節與過程需特別注意，并針對膨潤土漿產制完成后，以相關的質量試驗加以檢核膨潤土漿的成品穩定性，來掌握每一次塑性混凝土拌和的質量管控，說明如下：

1）膨潤土：除了須符合API的相關試驗規范，為求工程質量的穩定，膨潤土應為同一來源、同一廠牌，并做適當儲存避免受潮。

2）拌和比例：膨潤土與水的拌和比例，需考慮塑性混凝土的配比來做決定，建議以配比中總用水量的80～90%與膨潤土預先拌和成膨潤土漿。若因使用的膨潤土依上述拌和比例所產制的膨潤土漿的流動性過低，產生不易攪拌均勻或不易輸送的問題，需相對提高機具效能，否則不建議使用該膨潤土。

3）拌和機具：包含膨潤土、水的秤量設備，其計量許可差須在1%以下;建議攪拌器的效能轉速達800rpm 并且至少攪拌5分鐘以上，使膨潤土顆粒與水充分接觸，盡量減少膨潤土結球情況產生。

4）儲存槽：膨潤土漿經拌和后，建議使膨潤土膨潤12小時以上，使膨潤土能充分吸水;為了符合塑性混凝土廠拌量的需求，儲存槽需有足夠容量;儲存槽需配有攪動或循環裝置，使儲存槽內的膨潤土漿濃度均勻。

5）檢試驗：為了確認膨潤土漿濃度是否符合設計要求，以管流度試驗來進行確認并輔以目視檢視膨潤土漿中是否有未水化的膨潤土團，作為膨潤土漿是否均勻的參考依據。膨潤土漿管流度試驗是參考ASTM-D6103-97 規范，使用直徑7.5cm、高度15cm的中空圓管，通過量測膨潤土漿擴散的直徑，用以評估膨潤土漿當時的狀態。

5 施工使用建議

1）因塑性混凝土中細粒料用量較大，故在塑性混凝土質量穩定性控制中，建議對粒料含水率進行定時檢驗，且增加細粒料含水率試驗的頻率，有效掌握含水率的變動，并于塑性混凝土拌和前調整粗、細粒料與拌和用水量，拌和后再以坍落度試驗確定混凝土的工作性是否過大或不足，或以單位重試驗配合含氣量試驗可確認混凝土配比組成上是否有變動，借此有效改善塑性混凝土產制的質量穩定性。

2）在質量控管上，落實出廠前的檢驗，以坍落度試驗確定混凝土的工作性是否過大或不足;以單位重試驗配合含氣量試驗可確認，混凝土配比組成上是否有變動。

3）一般拌和機的操作手，會依拌和機運轉時的電流值讀數，來判定混凝土的工作性，作為調整用水量的依據。在廠拌的過程中，記錄了拌和機電流表的變化，發現拌和機在空轉與拌和時，電流表的變化并不大，分析塑性混凝土水灰比較高，比重較輕，并未如一般混凝土拌和時，會有明顯的電流變化，故塑性混凝土廠拌時不能依電流值做為有力的判斷。

參考文獻

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