珠江三角洲供水工程混凝土防滲墻性能研究

吳劍峰

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概 述

防滲墻施工技術施工簡便、結構可靠、防滲效果良好，且造價不高，是我國水利水電和地下工程防滲處理首選技術[1-2]。防滲墻技術最早起源于20世紀50年代的歐洲，適用于各類地層環境，對工程滲漏與流土問題的防治效果良好，因此在國內外都得到廣泛的應用[3-5]。然而，當前水利工程普遍存在一些病險，部分防滲墻因受材料性能和施工工藝的影響而出現防滲效果欠佳的狀況，導致工程運行出現不穩定因素，產生安全隱患，因此加強對防滲墻性能的研究至關重要[6-8]。目前，國內外對防滲墻性能進行了相關研究，取得一系列較好成果。李書華[9]通過現場分析驗證得出水庫除險加固采用低彈模混凝土防滲墻對大壩壩體進行防滲加固處理,效果良好。宋帥奇等[10]基于無側限抗壓強度試驗、直剪試驗和滲透試驗,研究了水泥窯灰取代水泥配制土-膨潤土-水泥窯灰塑性混凝土的基本性能。吳剛[11]針對不同類型外加劑對防滲墻混凝土自密實性能的影響展開了研究,對原材料及試驗方法作了詳細的說明介紹,并對實驗結果進行了系統的論述和分析。李嘉[12]從室內試驗、模型試驗、數值模擬、理論分析等諸多方面入手,著重研究了高聚物防滲墻土質堤壩地震響應特性及其抗震性能。

塑性混凝土是當前防滲墻使用最多的材料之一，具有極低的彈性模量、抗拉強度高、防水抗滲性能好等特點，能適應較大變形。因此，本文以塑性混凝土為研究對象，通過室內試驗探究粗骨料含量對塑性混凝土抗壓強度、透水性能以及破壞方式的影響，得出最優配合比，研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程由輸水干線(鯉魚洲取水口至羅田水庫)、深圳分干線(羅田水庫至公明水庫)、東莞分干線(羅田水庫至松木山水庫)和南沙支線(高新沙水庫至黃閣水廠)組成，輸水線路總長度113.2 km。本標段位于佛山市順德區，沖積平原地貌為主，零星分布殘丘如大金山，總體上地形平坦，地表多為農田魚塘，線路穿越西江、甘竹溪(順德支流) 等大型水道及南二環高速等交通要道。沿線基巖分布主要為白堊系下統百足山組(K1b)泥質粉砂巖、砂巖、砂礫巖、泥巖等，在大金山局部揭露有奧陶系侵入的細粒斑狀黑云母二長花崗巖(O1ηγ)，與白堊系地層呈沉積接觸。白堊系地層以泥質粉砂巖為主，局部夾泥巖、砂巖、砂礫巖、礫巖，礫巖礫石成分復雜，磨圓度、分選性差，膠結以泥質為主，局部為鈣質，該層巖層產狀傾角平緩，主要產狀為N20°～30°W/NE∠10°～15°，厚層狀～巨厚層狀。

3 試驗原材料

常規混凝土防滲墻混凝土配合比均以塑性混凝土為主，它具有極低的彈性模量、抗拉強度高、防水抗滲性能好等特點，能適應較大變形。由于它的這些特性使得塑性混凝土防滲墻在荷載作用下墻內應力值很低，克服了剛性混凝土防滲墻易產生裂縫的缺點。塑性混凝土在配合比方面的特點是水泥用量較少，一般約為80～170 kg/m3，此外還需摻加膨潤土，細骨料可用天然砂或機制砂，粗骨料宜用5～20 mm的連續級配小石子，本文根據該特點設計的混凝土配合比見表1。其中，水泥含量131.5 kg/m3，水263.4 kg/m3，膨潤土60.3 kg/m3，黏土130.5 kg/m3，細砂130.5 kg/m3；而粗骨料含量分別設置6種量值，以考察粗骨料含量對混凝土性能的影響。

表1 混凝土配合比設計

本文采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質量符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的要求。此外，骨料采5～20 mm的連續級配碎石，性能指標符合《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)中二類碎石要求。膨潤土以及黏土均取自周邊地區，試樣性能參考《水工混凝土施工規范》(SL 677-2014)、《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》(SL 174-2014)的驗收標準。混凝土試樣制備標準嚴格按照《混凝土質量控制標準》(GB 50164-2011)、《普通混凝土拌和物性能試驗方法》(GB/T 50080-2002)進行。試驗時先采用人工攪拌，攪拌時先往骨料中加入水進行攪拌，骨料表面均被潤濕后再加水泥拌和，形成包裹骨料表面的水泥殼，之后加入膨潤土、黏土、砂子，最后加入剩余水量的水攪拌均勻，以保證必要的強度和透水性。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm， 待觀察無任何凝結跡象、抗壓強度無任何退化后，送入養護箱養護28 d。圖1為試樣和抗壓強度測試儀器。

圖1 試樣和抗壓強度測試儀器

4 混凝土抗壓強度

圖2為不同粗骨料含量下混凝土養護7、14和28 d天時的抗壓強度。由圖2可知，當粗骨料含量為770.8～1 028.7 kg/m3時，混凝土強度出現明顯增長趨勢；當粗骨料含量為1 120.6～1 230.8 kg/m3時，混凝土強度出現劣化。當混凝土養護天數為7 d時，粗骨料含量為770.8、875.5、912.9、1 028.7、1 120.6和1 230.8 kg/m3的抗壓強度分別為0.3、0.35、0.42、0.51、0.49和0.43 MPa；當混凝土養護天數為14 d時，抗壓強度分別為1.7、1.76、1.95、2.23、2.12和2.08 MPa；當混凝土養護天數為28 d時，抗壓強度分別為2.3、2.45、2.56、2.95、2.76及2.85 MPa。出現這一現象是由于混凝土防滲墻材料屬于低強度等級混凝土，膠凝材料用量少，漿體也少；適當增加骨料粒徑，減少比表面積，可以減少漿體用量，增加混凝土的密實度，提高混凝土強度。但也不是粒徑越大，混凝土強度越高。在高強度等級的混凝土中，骨料的粒徑越大，存在缺陷的幾率越大。在混凝土拌和物中，顆粒大的骨料下沉速度也越快，造成混凝土勻質性差，強度低。

圖2 不同纖維含量且不同混凝土養護天數下混凝土抗壓強度

5 混凝土透水性能

圖3為不同粗骨料含量下混凝土養護7、14和28 d天時的滲透系數。由圖3可知，當混凝土養護天數為7 d時，粗骨料含量為770.8、875.5、912.9、1 028.7、1 120.6和1 230.8 kg/m3的混凝土滲透系數分別為3.1、3.5、3.7、4.1、4.3和4.5 cm/s；當混凝土養護天數為14 d時，滲透系數分別為4.9、5.1、5.3、5.7、5.9和6.2 cm/s；當混凝土養護天數為28 d時，滲透系數分別為5.3、5.5、5.8、6.3 、6.5和6.7 cm/s。根據試驗結果可知，隨著粗骨料含量增多，混凝土滲透性也逐漸增大。這是由于粗骨料增多，水泥漿的比例減小，入模成型后水泥漿不易因重力作用沿著骨料表面下滑，造成骨料之間孔隙很少被填充，即有效孔隙率降低；而孔隙率越大，孔隙互相貫通率越大，形成開放性泌水通道就越多，增大了有效過水面積，因此透水混凝土的透水性能就越強。

圖3 不同纖維含量且不同混凝土養護天數下混凝土滲透系數

6 混凝土破壞方式

圖4為微觀混凝土破壞放大1 000倍的SEM圖。

圖4 微觀混凝土破壞放大1 000倍的SEM圖

由圖4可知，微裂縫極易從骨料與水泥砂漿界面產生，并向水泥基體生長和擴展，離子遷移和溶液滲透也最容易將該區域作為快速通道，同時界面處的裂縫不斷延伸和擴展最后導致混凝土的破壞，故相對于骨料和水泥砂漿基體本身來說，這些界面和界面過渡區被認為是混凝土最薄弱的環節。試樣A1、A3、A5的骨料與漿料之間的貼合較為緊密，而其他3種粗骨料含量下，骨料和漿體界面結合比漿體和漿體界面結合處存在更多的微細裂縫，界面連接主要以片狀水化產物垂直連接，界面結合處水化產物較為疏松，界面連接密實程度比漿體和漿體界面連接要弱。

7 結 論

本文以塑性混凝土為研究對象，通過室內試驗，探究了粗骨料含量對塑性混凝土抗壓強度、透水性能以及破壞方式的影響。結果表明，當粗骨料含量為770.8～1 028.7 kg/m3時，混凝土強度出現了明顯增長趨勢；當粗骨料含量為1 120.6～1 230.8 kg/m3時，混凝土強度出現劣化；隨著粗骨料含量增多，混凝土滲透性也逐漸增大。此外，電鏡掃描結果表明，骨料和漿體界面結合比漿體和漿體界面結合處存在更多的微細裂縫，界面連接主要以片狀水化產物垂直連接，界面結合處水化產物較為疏松，界面連接密實程度比漿體和漿體界面連接要弱。