塑性混凝土防滲墻滲透系數(shù)影響因素分析

吳為健，吳海軍

(1.葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，宜昌 443002；2.中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司新建川藏鐵路雅安至林芝段CZSCZQ標(biāo)段項(xiàng)目經(jīng)理部，甘孜 624300)

以黏土、膨潤土等材料取代普通混凝土中的大部分膠凝材料的混凝土，俗稱塑性混凝土。由于塑性混凝土相比于普通混凝土具有低彈性模量、低強(qiáng)度，同時具有較大的極限應(yīng)變，塑性混凝土極限應(yīng)變大都超過1%，具有與土相似的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞模式，適應(yīng)變性能力明顯優(yōu)于普通混凝土，能更好的適應(yīng)防滲的要求，近年來越來越多的塑性混凝土被應(yīng)用于防滲工程[1]。1990年建成的福建省水口水電站主圍堰首次使用了塑性混凝土防滲墻，取得了良好的防滲效果，此后很多工程相繼使用了塑性混凝土，如三峽水電站二期上游圍堰、小浪底水庫主壩、湖北丹江口水庫副壩、清江隔河巖水電站電廠圍巖、烏東德水電站上游圍堰等一批工程項(xiàng)目采用塑性混凝土作為防滲墻，根據(jù)多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累，塑性混凝土強(qiáng)度和穩(wěn)定性有足夠的保障，且實(shí)踐也證明壩后實(shí)際滲水量相比設(shè)計要小的多。

實(shí)際施工過程中，塑性混凝土的滲透系數(shù)控制是重中之重。滲透系數(shù)影響因素眾多，包括骨料種類、粒徑、含泥量、外加劑、水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰摻量、砂率、養(yǎng)護(hù)齡期、養(yǎng)護(hù)條件等等。該文從眾多的影響因素中，選擇了水膠比、膨潤土摻量、砂率等三個因素，分析其對塑性混凝土的滲透系數(shù)的影響。

1 設(shè)計要求及試驗(yàn)方法

依據(jù)設(shè)計文件要求，墻厚1.2 m，防滲墻混凝土技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 防滲墻混凝土技術(shù)指標(biāo)表

塑性混凝土的水泥、膨潤土用量以及其間的比例關(guān)系，對塑性混凝土強(qiáng)度、彈性模量和滲透系數(shù)有很大的影響。該文主要研究水膠比、膨潤土摻量和砂率對塑性混凝土滲透系數(shù)的影響。試驗(yàn)方案見表2。

表2 室內(nèi)成型試件試驗(yàn)方案

滲透試驗(yàn)采用《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5303—2013)的滲透系數(shù)試驗(yàn)方法[2]。該方法參照了土工滲透試驗(yàn)方法，基于均勻一維滲流假設(shè)的達(dá)西定律，即滲透流量與滲透面積、滲透比降成正比，對于一種穩(wěn)定均質(zhì)的材料來說，在滲透比降達(dá)到材料的滲透破壞比降以前，材料的滲透系數(shù)是一個常量。經(jīng)國內(nèi)外大量學(xué)者研究測試證明，在塑性混凝土的破壞比降范圍內(nèi)，滲透流量與水力坡降呈較好的線性正相關(guān)。

另外，該文對比了室內(nèi)成型法、鉆芯試驗(yàn)法以及現(xiàn)場注水試驗(yàn)法等三種試驗(yàn)方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對塑性混凝土滲透系數(shù)的影響

表3和圖1給出了不同水膠比下塑性混凝土防滲墻室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，塑性混凝土水膠比越大，滲透系數(shù)越大，抗?jié)B能力越低。水膠比由0.8增加到1.0，滲透系數(shù)增大了近1倍。

塑性混凝土的水膠比越大，混凝土自由水的含量隨之增多，過多的自由水會導(dǎo)致塑性混凝土拌和物凝結(jié)硬化形成的膠凝產(chǎn)物C-S-H不連續(xù)，漿體和骨料連接的界面過渡區(qū)水膜厚度增大，混凝土的內(nèi)部空隙增多，孔隙率增大，最終導(dǎo)致塑性混凝土的滲透系數(shù)增大[3，4]。

表3 不同水膠比下的滲透試驗(yàn)成果表

2.2 膨潤土摻量對塑性混凝土滲透系數(shù)的影響

表4和圖2給出了不同膨潤土摻量下塑性混凝土防滲墻室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨膨潤土摻量的增大，塑性混凝土的滲透系數(shù)減小，抗?jié)B性能增強(qiáng)。

表4 不同膨潤土摻量下的滲透試驗(yàn)成果表

膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石，蒙脫石是由鋁氧八面體和硅氧四面體所構(gòu)成的層狀礦物，具有較強(qiáng)的陽離子交換能力和吸附能力。張濤等人通過對摻加膨潤土的砂漿試件進(jìn)行掃描電鏡測試，發(fā)現(xiàn)水泥水化產(chǎn)物針狀鈣礬石生長過程中能與蒙脫石產(chǎn)生較好的結(jié)合，蒙脫石層狀結(jié)構(gòu)剝離后能有效的填充混凝土中的內(nèi)部孔隙，使混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密，這是膨潤土改善混凝土抗?jié)B性能的機(jī)理[5]。另外也有研究指出，膨潤土顆粒能夠通過正負(fù)電荷的作用吸附大量的水分子，使混凝土中的部分自由水分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛纤肿樱瑥亩档瓦^水面積，提高抗?jié)B性[6]。但張雷順等人的研究結(jié)果顯示，當(dāng)膨潤土的摻量超過50%時，滲透系數(shù)隨膨潤土摻量的增加而增大，其原因是膨潤土摻量進(jìn)一步增大時，水泥用量的降低會導(dǎo)致膠凝作用的減弱，從而影響抗?jié)B性能[7]。

2.3 砂率對塑性混凝土滲透系數(shù)的影響

塑性混凝土的砂率一般較高，一方面是為了降低混凝土的強(qiáng)度和彈性模量，另外砂漿能包裹粗骨料表面，減少混凝土硬化后沿粗骨料表面形成的細(xì)小孔隙，提高抗?jié)B能力。《水工塑性混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T5786—2019)在總結(jié)國內(nèi)外近50個已建工程塑性混凝土配合比及特性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出塑性混凝土砂率不宜小于45%[8]，目前塑性混凝土的砂率一般達(dá)到40%～60%，甚至更高。該文由于選擇的膨潤土摻量相對較小，為保證塑性混凝土的低強(qiáng)度、低彈模特性，選擇了較高的砂率進(jìn)行研究。

表5和圖3給出了不同砂率下的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著砂率由70%增大到90%，塑性混凝土的滲透系數(shù)有增大的趨勢，這可能和砂率選擇較大有關(guān)。砂率過大，水泥、黏土、膨潤土和水用量過大在塑性混凝土硬化過程中出現(xiàn)不均勻收縮，會增加混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔，反而不利于塑性混凝土的抗?jié)B性能[7]。

表5 不同砂率下的滲透試驗(yàn)成果表

2.4 不同試樣方法下滲透試驗(yàn)結(jié)果分析

該文對比分析了室內(nèi)成型試件和現(xiàn)場鉆芯試件的滲透試驗(yàn)結(jié)果，并在同部位進(jìn)行了現(xiàn)場注水試驗(yàn)。

1)室內(nèi)成型法：依據(jù)《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5303—2013)在拌合樓取樣成型2個抗?jié)B試件，脫模后對試件表面刷毛處理，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行滲透系數(shù)試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是各環(huán)節(jié)控制準(zhǔn)確嚴(yán)密，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，缺點(diǎn)是對實(shí)體的代表性相對較差。

2)鉆芯試驗(yàn)法：鉆芯試驗(yàn)法是在工程實(shí)體上選取代表部位進(jìn)行鉆芯，論文試驗(yàn)鉆取100 mm的芯樣，在同一孔內(nèi)不同高程隨機(jī)截取三個試樣，加工磨平后，安裝在滲透裝置上進(jìn)行滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是代表性好，檢測結(jié)果也較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是鉆芯實(shí)施難度較大，成本高，屬于有損檢測，時效性差。

3)注水試驗(yàn)：注水試驗(yàn)與鉆芯試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作基本相似，分段鉆芯進(jìn)行注水，測得滲透系數(shù)。試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)也與鉆芯法相似，區(qū)別在于注水試驗(yàn)是測試透過孔壁向外滲透的能力，測試孔徑的長度通常在5 m左右，而芯樣試驗(yàn)是測試透過芯樣體的滲透能力，芯樣長度通常在100 mm左右。壓水試驗(yàn)可以更好的體現(xiàn)整體的抗?jié)B性能。

該次分析選取相同單元采用三種試驗(yàn)方法測得的防滲墻的滲透系數(shù)，具體檢測結(jié)果見表6和圖4。

表6 不同試驗(yàn)方法滲透系數(shù)檢測結(jié)果

根據(jù)表6數(shù)據(jù)分析，室內(nèi)成型檢測的滲透系數(shù)量級在10-9cm/s，取芯試驗(yàn)和注水試驗(yàn)滲透系數(shù)的量級在10-8cm/s，室內(nèi)成型檢測的滲透系數(shù)是現(xiàn)場鉆芯的檢測的結(jié)果的1/8左右，是注水試驗(yàn)的1/10左右。經(jīng)分析，室內(nèi)成型試驗(yàn)是在拌合樓直接取樣成型，未受現(xiàn)場澆筑時泥漿的影響，成型過程振搗密室程度高，且養(yǎng)護(hù)條件較好。取芯試驗(yàn)與注水試驗(yàn)相比，兩種方法邊界約束條件不同，注水試驗(yàn)各環(huán)節(jié)控制相比較粗放，地下水位、底層條件等影響均很難準(zhǔn)確預(yù)測，三種測試方法均較客觀的反映被測對象的真實(shí)特性。

3 結(jié) 論

a.塑性混凝土的滲透系數(shù)隨水膠比的增大而增大，因此在配合比設(shè)計時，需要平衡強(qiáng)度指標(biāo)和滲透系數(shù)之間的關(guān)系，保證低強(qiáng)、低模量的同時，要保證抗?jié)B能力。

b.適當(dāng)增加膨潤土的摻量，可以有效提高塑性混凝土的抗?jié)B能力。

c.在一定范圍內(nèi)，隨著砂率的增加，塑性混凝土的滲透系數(shù)有增大的趨勢。

d.室內(nèi)成型檢測的滲透系數(shù)是現(xiàn)場鉆芯的檢測的結(jié)果的1/8左右，是注水試驗(yàn)的1/10左右。室內(nèi)成型試驗(yàn)便于實(shí)施，試驗(yàn)過程各邊界條件均可控，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定準(zhǔn)確較好。相比于室內(nèi)成型試驗(yàn)，鉆芯檢測和注水試驗(yàn)代表性較強(qiáng)，但對實(shí)體有一定的破壞性，且實(shí)施條件難度相對較大，試驗(yàn)結(jié)果滯后總體施工，對施工的指導(dǎo)意義不大，適用于進(jìn)一步核查和質(zhì)量驗(yàn)收。建議施工過程中以室內(nèi)成型試驗(yàn)控制為主，參照室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)結(jié)果按降低一個量級推算注水試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)而指導(dǎo)施工配合比的調(diào)整。