硅灰改性水泥基阻截墻的防滲及力學(xué)性能試驗(yàn)研究

何逵 鄧英爾

摘要： 為了獲得防滲效果、力學(xué)性能更好的塑性混凝土阻截墻體系，通過一系列坍落度、滲透性、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、XRD測(cè)試試驗(yàn)，研究了添加硅灰對(duì)土壤-水泥-膨潤(rùn)土阻截墻的滲透性及力學(xué)性能的影響。 研究結(jié)果表明：隨著硅灰含量的逐漸增加，改性阻截墻的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增加，抗壓強(qiáng)度先急劇增大后緩慢增加的趨勢(shì)，當(dāng)干物質(zhì)質(zhì)量含量為5.10%硅灰、76.55%黏土、8.35%膨潤(rùn)土和10.00%水泥時(shí)，改性阻截墻能夠獲得較低的滲透系數(shù)（1.02×10-9 m/s）、合適的抗壓強(qiáng)度（0.951 MPa）和較低的彈性模量（1 244.5 MPa），含水率為66.76%時(shí)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的施工和易性;XRD圖譜顯示硅灰與水泥水化產(chǎn)物生成了水化硅酸鈣，該物質(zhì)能夠有效填充墻體內(nèi)部孔隙并增加巖土基質(zhì)密度。硅灰在提高混凝土阻截墻機(jī)械強(qiáng)度、降低滲透系數(shù)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)能達(dá)到固廢綜合利用的目的，基于硅灰改性的阻截墻有望應(yīng)用于水利工程地基的防滲。

關(guān) 鍵 詞： 水泥基阻截墻; 硅灰; 滲透性能; XRD

中圖法分類號(hào)： ?TQ177

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.031

0 引 言

中國(guó)是世界上水庫存量最多的國(guó)家之一，絕大多數(shù)水庫建設(shè)于20世紀(jì)70～80年代，多采用土石等材料修筑大壩。這種類型的大壩存在一系列問題，如滲漏、管涌、底部侵蝕等，嚴(yán)重威脅大壩的安全。豎向阻截墻由于其施工簡(jiǎn)單、成本低、防滲性能好而被廣泛應(yīng)用于水庫大壩、水電站大壩等的防滲[1-2]。傳統(tǒng)的阻截墻材料主要包括水泥和黏土[3-4]，然而水泥基阻截墻成本高昂且防滲性能欠佳，黏土阻截墻的力學(xué)性能較差。而土壤-水泥-膨潤(rùn)土阻截墻綜合了上述兩種材料的特性，具有良好的防滲性能而被廣泛使用。近年來，眾多學(xué)者與機(jī)構(gòu)致力于開發(fā)一系列成本更低的添加劑，用來提高土壤-水泥-膨潤(rùn)土阻截墻的力學(xué)性能并進(jìn)一步降低其滲透性，目前已有的成熟添加劑包括高爐礦渣、粉煤灰、沸石、木屑等[5-8]。硅灰作為一種工業(yè)固廢，顆粒細(xì)小、比表面積大，相比沸石、高爐礦渣、粉煤灰等，它具備化學(xué)活性低、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。硅灰可與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生火山灰效應(yīng)而生成水化硅酸鈣、鋁硅酸鈣等物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠充填多孔介質(zhì)的內(nèi)部孔隙并增加基質(zhì)密度，從而提高混凝土和黏土的強(qiáng)度并降低基質(zhì)的滲透性。Bagheri等[9]研究了添加硅灰對(duì)混凝土阻截墻的滲透性的影響，研究結(jié)果表明添加硅灰能夠顯著降低混凝土阻截墻的滲透系數(shù)，增加抗壓強(qiáng)度與彈性模量值。Lu等[10]研究了添加硅灰對(duì)混凝土坍落度與流變特性的影響，研究結(jié)果表明硅灰能夠影響混凝土的流變參數(shù)，混凝土的屈服應(yīng)力隨著硅灰含量的增加而增加，塑性黏度值先減少后增加，同時(shí)滲透系數(shù)顯著降低。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于硅灰改性土壤-水泥-膨潤(rùn)土阻截墻相關(guān)的研究甚少，因此很有必要開展此類阻截墻的滲透性能、力學(xué)性能的影響研究，以此合成最佳材料比例的優(yōu)良防滲阻截墻體系。

本文試驗(yàn)以傳統(tǒng)的土壤-水泥-膨潤(rùn)土阻截墻為基礎(chǔ)，通過添加硅灰合成一種新型的豎向阻截墻體系，開展一系列的坍落度試驗(yàn)、變水頭滲透試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)、彈性模量測(cè)試試驗(yàn)獲得最低滲透系數(shù)、較高抗壓強(qiáng)度和較低彈性模量的阻截墻材料體系配比，并采用XRD圖譜分析改性前后阻截墻材料礦物成分。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及制備

硅灰（-0.012 mm）、普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）由成都蜀通巖土工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)中心提供，黏土取自于成都成華區(qū)某野外場(chǎng)地，鈉基膨潤(rùn)土（-0.054 mm）從四川仁壽工業(yè)公司購買。相關(guān)材料的成分分析見表1～3。按照質(zhì)量比1 ∶8配比膨潤(rùn)土與自來水[8]，采用電動(dòng)攪拌器（SHZ-82）充分?jǐn)嚢?4 h，得到膨潤(rùn)土水化漿。剔除黏土中的大塊顆粒并置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，調(diào)節(jié)溫度105～110 ℃烘6～8 h，然后再次調(diào)節(jié)溫度至65～70 ℃保持黏土恒重，干燥過后的黏土經(jīng)過萬能粉碎機(jī)粉碎，使用2 mm的篩子篩分得到篩下產(chǎn)物。按質(zhì)量比0 ∶1，1 ∶3，1 ∶5，1 ∶7，1 ∶9，1 ∶11，1 ∶13，1 ∶15，1 ∶17，1 ∶19，1 ∶21，1 ∶23配比硅灰與黏土，分別往上述12組混合物中添加10%（總物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硅酸鹽水泥充分?jǐn)嚢杌旌稀?/p>

1.2 坍落度測(cè)試

為了提高試驗(yàn)效率，節(jié)約試驗(yàn)材料，選取具有代表性的4組配比（1 ∶3，1 ∶9，1 ∶15，1 ∶21）混合物料按照ASTM C143標(biāo)準(zhǔn)開展坍落度試驗(yàn)。試驗(yàn)之前在標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒內(nèi)壁涂抹一層機(jī)油，試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在21 ℃，往4組混合物料中添加水化膨潤(rùn)土泥漿，控制初始含水率為55%左右，分3次將混合泥漿加入標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒中，使用攪拌棒插搗以消除氣泡，裝填完整后刮平并快速提起坍落度筒，用標(biāo)準(zhǔn)鋼尺記錄樣品坍落度，精確到mm。按照上述步驟逐漸添加水化膨潤(rùn)土泥漿，依次測(cè)量坍落度，直到坍落度值（ΔH）達(dá)到100～150 mm[9]，取樣品中間的物料進(jìn)行含水率（w）測(cè)試，每組開展3次平行試驗(yàn)，記錄平均值。

1.3 滲透系數(shù)，抗壓強(qiáng)度及彈性模量測(cè)試

根據(jù)坍落度試驗(yàn)測(cè)定的最佳含水率以及膨潤(rùn)土含量配置12組改性阻截墻混合物料，使用65 mm×35 mm滲透儀環(huán)刀制取測(cè)試樣品，測(cè)試之前，將樣品放入溫度21 ℃、濕度98%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d。樣品上下配置透水石并抽氣24 h至水飽和狀態(tài)，隨后采用變水頭滲透儀測(cè)定相應(yīng)的滲透系數(shù)，待出水穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式（1）計(jì)算出相應(yīng)的滲透系數(shù)：

KT=2.3× aL A t1-t2? lg h1 h2? （1）

式中：KT為變水頭滲透系數(shù)，m/s;L為樣品高度，m;a為測(cè)壓管斷面積，m2;A為試樣截面面積，m2;t1，t2分別為測(cè)壓管水頭的測(cè)定前后時(shí)間，s;h1，h2為測(cè)定前后水頭，m。

按配比制備好的阻截墻在養(yǎng)護(hù)7 d之后，進(jìn)行最大抗壓強(qiáng)度測(cè)試。采用微型控制壓力試驗(yàn)機(jī)得到最大壓應(yīng)力，并根據(jù)公式（2）計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度：

au= p A? （2）

式中：au為抗壓強(qiáng)度，MPa;P為單軸應(yīng)變力，N;A為垂直方向上試樣面積，m2。

選取滲透系數(shù)最低、抗壓強(qiáng)度適中的樣品開展彈性模量的測(cè)試。制備直徑15 cm、高30 cm的圓柱樣品于恒溫箱中養(yǎng)護(hù)28 d，采用遞減壓力負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品測(cè)量3次取平均值作為最終的結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 坍落度（施工和易性）

4組樣品的坍落度值與含水量關(guān)系如圖1所示，從圖1中可以看出：4組樣品（硅灰與黏土比分別為1 ∶3，1 ∶9，1 ∶15，1 ∶21）在要求的目標(biāo)坍落度（115±5 mm）下相對(duì)應(yīng)的含水率分別為64.59%，66.05%，67.49%和68.92%。由此可以推斷：12組不同配比下，目標(biāo)坍落度值對(duì)應(yīng)的含水量約為66.76%，膨潤(rùn)土含量為8.35%（膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比為1 ∶8）。

2.2 滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度與彈性模量

12組阻截墻樣品的滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量值如表4所列。其中11組樣品的滲透系數(shù)都達(dá)到了1×10-9 m/s，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的土壤-水泥-膨潤(rùn)土豎向阻截墻的滲透系數(shù)為（1～100）×10-10 m/s。相關(guān)滲透系數(shù)隨著硅灰含量的逐漸增加出現(xiàn)了先減小后緩慢增加的現(xiàn)象，滲透系數(shù)最低值出現(xiàn)在S1C15組別中;12組樣品的抗壓強(qiáng)度值均遠(yuǎn)大于0.1 MPa，達(dá)到了豎向隔離墻的基本要求[11]，抗壓強(qiáng)度值與硅灰含量成正比例，當(dāng)硅灰與黏土質(zhì)量比小于1 ∶15時(shí)，抗壓強(qiáng)度值急劇增大，之后緩慢增加，滲透系數(shù)與抗壓強(qiáng)度呈反比;彈性模量值隨著硅灰含量的增加而增加，改性后樣品的彈性模量值約為改性前的1～4倍，能夠達(dá)到Icold提出的塑性混凝土的標(biāo)準(zhǔn)彈性模量值范圍[12]，說明硅灰能夠降低傳統(tǒng)土-膨潤(rùn)土阻截墻的滲透性并提高其力學(xué)性能。因此，當(dāng)硅灰與黏土的配比為1 ∶15時(shí)，能夠獲得最低滲透系數(shù)和較高抗壓強(qiáng)度性能的改性阻截墻。

2.3 XRD

改性前后的塑性混凝土阻截墻材料XRD圖譜如圖2所示。從圖2中可以看出：塑性混凝土阻截墻材料主要含有石英、鈣長(zhǎng)石等礦物質(zhì);改性前后阻截墻的物質(zhì)組成大體一致，但是在2θ= 29.00°時(shí)出現(xiàn)了碳酸鈣特征峰，2θ= 31.02°時(shí)出現(xiàn)了水化硅酸鈣特征峰，與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果一致[9-10]。添加的硅灰與水泥產(chǎn)物發(fā)生了火山灰反應(yīng)，生成的水化硅酸鈣能夠有效填充改性阻截墻內(nèi)部的空隙，同時(shí)增加墻體基質(zhì)的密度，明顯降低了阻截墻的滲透系數(shù)并提高了抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 語

本文通過一系列的坍落度、滲透性及力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，研究硅灰對(duì)傳統(tǒng)土-水泥-膨潤(rùn)土阻截墻改性后的滲透率、抗壓強(qiáng)度、施工和易性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)干物質(zhì)成分為5.10%硅灰、76.55%黏土、8.35%膨潤(rùn)土和10.00%水泥時(shí)，可以獲得滲透系數(shù)為1.02×10-9 m/s、抗壓強(qiáng)度為0.951 MPa、彈性模量為1 244.5 MPa的合格阻截墻;坍落度試驗(yàn)表明當(dāng)含水率為66.76%時(shí)，可以獲得目標(biāo)坍落度值（115±5 mm）;XRD結(jié)果證實(shí)了添加的硅灰與水泥發(fā)生了火山灰效應(yīng)，生成的水化硅酸鈣填充了內(nèi)部孔隙并增加了基質(zhì)密度，從而降低了阻截墻的滲透性并提高了力學(xué)性能。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

何逵，鄧英爾.硅灰改性水泥基阻截墻的防滲及力學(xué)性能試驗(yàn)研究

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（8）：204-207.

Study on anti-permeability and mechanical behavior of soil-cement-bentonite cutoff

wall improved by silica fume

HE Kui1，2 DENG Yinger1

（ 1.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China; 2.College of Vanadium and Titanium，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China ）

Abstract：

In order to develop a plastic concrete cutoff wall system with better anti-seepage effect and mechanical properties，a series of slump，permeability，mechanical strength，elastic modulus and XRD tests were carried out to study the effect of silica fume on the permeability and mechanical properties of soil-cement-bentonite cutoff wall.The test results showed that with the gradual increasing of silica fume content，the permeability coefficient of the modified cutoff wall decreased first and then increased，and the compressive strength increased sharply first and then increased slowly.When the dry matter content was 5.1% silica fume，76.55% clay，8.35% bentonite and 10% cement，the modified cutoff wall can obtain lower permeability coefficient（ 1.02×10-9 m/s），appropriate compressive strength（ 0.951 MPa），and lower elastic modulus（ 1 244.5 MPa）.When the moisture content was 66.76%，it could meet the workability standard.The XRD analysis results showed that the hydrated calcium silicate was generated by the hydration products of silica fume and cement，which could effectively fill the pores of the wall and increase the density of rock and soil matrix.Silica fume has potential application value in improving the mechanical strength and reducing the permeability coefficient of concrete cutoff wall.At the same time，it realizes comprehensive utilization of solid waste.The modified cutoff wall is expected to be applied in the seepage prevention of water conservancy project foundation.

Key words：

soil-cement-bentonite cutoff wall;silica fume;permeability;XRD