塑性混凝土性能影響因素研究及應用進展

王蓓蓓 （華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046）

與常規混凝土相比，塑性混凝土是用膨潤土、黏土等部分代替水泥的一種柔性材料，具有低強度、低彈性模量、低模強比、變形協調能力強、抗滲性能好的特性。目前已應用于水利工程、土木工程、建筑等領域，前景廣闊。國內外關于塑性混凝土性能影響因素的研究較多，但結論尚未統一。本文重點探究各材料摻量（即配合比）對塑性混凝土配合比研究的影響，闡述了膨潤土、水泥、砂石、外加劑等摻合料的種類及摻量對塑性混凝土性能的影響，介紹了塑性混凝土的應用現狀，為塑性混凝土性能改善及應用推廣提供參考。

1 配合比對塑性混凝土力學性能的影響

1.1 膨潤土對塑性混凝土的影響

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，化學成分穩定，具有吸濕性、膨脹性、粘結性等優良特性，適宜的膨潤土摻量可改善塑性混凝土的工作性能、力學性能與抗滲性能，如圖1所示。

圖1 膨潤土摻量對塑性混凝土性能的影響

Adeboie[1]、Ali Akbarpour[2]等通過掃描電子顯微鏡（SEM）探究材料的微觀結構，發現膨潤土可填補孔隙提高混凝土的密實度，從而改善抗壓強度；高丹盈[3]研究發現摻鈉基膨潤土的塑性混凝土的抗壓強度、劈拉強度、抗折強度均是摻鈣基膨潤土的塑性混凝土2倍以上，且摻鈉基膨潤土的塑性混凝土滲透系數較小，抗滲性能更好；Liu[4]研究表明10%摻量的膨潤土對砂漿抗壓強度、抗彎強度、滲透性能的提高分別為：鈉基膨潤土77.5%、54.5%、115.7%，鈣基膨潤土62.2%、47.9%、101.9%，鎂基膨潤土71.6%、52.2%、137.3%；即不同類型的膨潤土對性能的影響程度不同，鎂基膨潤土對性能的改善最大、鈉基膨潤土次之、鈣基膨潤土最??；王四巍[5]等人進一步分析了單軸受壓條件下，塑性混凝土的應力應變曲線隨膨潤土摻量的變化，發現隨著摻量的增加，直線上升段長度減小、斜率降低，下降段稍微變緩；擴容起始點強度降低、體積增大，體積最大壓縮量增大；焦凱[6,7]分析了三軸條件下塑性混凝土力學性能的變化情況：隨著膨潤土摻量的增加，單軸抗壓強度、粘聚力降低，峰值應變增大，內摩擦角變化不大；塑性混凝土的拉壓強度比較小且隨膨潤土摻量的變化不大，說明在摻入膨潤土后，其塑性變形能力增強。

1.2 水泥用量對塑性混凝土的影響

水泥用量是指每立方米混凝土中水泥的質量。塑性混凝土的膠凝材料是由膨潤土、黏土與水泥共同組成，在膠凝材料總量控制時，隨著膨潤土黏土摻量的增加，水泥用量相應減少，對塑性混凝土的力學性能產生不利影響。為保證強度，塑性混凝土的水泥用量應大于80kg/m3，膠凝材料總量應大于240kg/m3，如圖2所示。

圖2 水泥用量對塑性混凝土性能的影響

黃紹芳[8]研究發現塑性混凝土隨著水泥用量的增加，水化過程產生的硅酸鈣凝膠增多，填充了混凝土孔隙，滲透系數減小，抗滲性能增強；王四巍[5]等人發現塑性混凝土的水泥用量對其抗壓強度及彈性模量的影響較大，對抗裂性能影響較小；Pisheh[9]等人研究發現塑性混凝土的強度和彈性模量隨著水泥系數的增加和膨潤土摻量的減少而增加；塑性混凝土的破壞模式受到圍壓以及水泥和膨潤土含量變化的影響：在低圍壓下的高水泥樣本中，破壞模式與脆性材料相似，而高圍壓下的低水泥樣本更具韌性；王協群[10]的試驗表明水泥用量從120kg/m3每次增加20kg/m3至200kg/m3時，抗壓強度從2.2MPa 增長至6.0MPa，彈性模量從525MPa 增長至1537MPa，即隨著水泥用量的增加，抗壓強度與彈性模量同步增長；黃曉[11]、張宇[12]等人研究發現當水泥用量在100kg/m3～200kg/m3時，隨著水泥用量的增大，抗壓強度增大，但增長速度減緩，水泥對強度的提升作用減弱。

1.3 水膠比對塑性混凝土的影響

水膠比是指每立方米混凝土中水的質量與膠凝材料的質量之比。水膠比對混凝土的流動性能、工作性能、力學性能等影響較大。與常規混凝土相比，塑性混凝土水膠比較大，試驗中的水膠比常用取值范圍在0.8～1.3之間，如圖3所示。

圖3 水膠比對塑性混凝土性能的影響

張巖[13]通過對0.85、1.00、1.10、1.20、1.30 五組不同水膠比的試件試驗，發現隨著水膠比的增大，塑性混凝土立方體抗壓強度和彈性模量近似呈線性減小趨勢；滲透系數近似呈指數增長趨勢。在水膠比增大時，強度與彈性模量同步減小，兩個指標無法同時得到滿足，因此，在配制塑性混凝土時，應選擇合適的水膠比，使得在強度滿足要求的前提下，盡可能增大彈性模量，從而降低模強比，提高其變形能力；胡良明[14]進行了塑性混凝土三軸受壓試驗，研究了三軸狀態下塑性混凝土性能隨水膠比的變化情況，結果表明當應力水平較低時，應變增長較快，水膠比對應力應變關系影響較小；應力水平較高時，水膠比越大應變越大；應力相同時，水膠比越大，應變越大；應變相同時，水膠比越大，應力越??；陳鐳[15]、吳俊姿[16]等人研究表明水膠比在0.90～1.05 區間內增大時，抗壓強度與抗拉強度隨水膠比的增大基本呈線性減小的趨勢，滲透系數隨水膠比的增大而增大。探究發現該現象是由于水膠比的增大，自由水增多，膠凝材料的連續性受到影響，同時自由水蒸發后留下的孔隙也將導致滲水量增大。

1.4 砂率對塑性混凝土的影響

砂率是指每立方米混凝土中砂的質量占砂石質量之和的百分比。砂率的大小決定了粗細骨料的比例，改變了骨料的總表面積，從而對塑性混凝土拌合物的流動性、和易性、密實度、坍落度、擴展度等造成影響。因此，在一定范圍內增大砂率有利于改善塑性混凝土性能。與常規混凝土相比，塑性混凝土的砂率較大，試驗研究常取40%～60%，規范推薦砂率在45%以上。

張帥[17]進行了40%、50%、60%、70%四個砂率水平的塑性混凝土單軸壓縮試驗，結果表明隨著砂率的增加，塑性混凝土的峰值應力減小幅度增大，峰值應變先增大后減小，在合理的砂率范圍內，規律較為一致；雷秀玲[18]的研究表明增加砂率可有效降低塑性混凝土彈性模量，從而提高塑性混凝土防滲墻適應周邊變形的能力；吳為健[19]探究了高砂率下塑性混凝土抗滲能力的變化趨勢：隨著砂率從70%增至90%，滲透系數隨之增大，過高的砂率對塑性混凝土的抗滲性能有不利影響；魏文強[20]選用了性能穩定且價格較低的機制砂來研究砂率對塑性混凝土的影響，結果表明在其他摻量保持不變時，抗壓強度與抗拉強度隨著砂率的增大而減小，但降幅較低；砂率小于50%時，隨著砂率的增大，彈性模量增加而滲透系數減小，砂率高于50%時情況相反，綜合考慮塑性混凝土的最優砂率在50%左右，如圖4所示。

圖4 砂率對塑性混凝土性能的影響

1.5 外加劑對塑性混凝土的影響

外加劑的種類有很多，在塑性混凝土中常用到的有減水劑和引氣劑。與常規混凝土相比，塑性混凝土的坍落度較大，一般在180mm～220mm，適配時常將其作為控制指標。在塑性混凝土中加入減水劑，可提高混凝土拌合物的流動性，減少用水量，確保水膠比在合適的比例，使得其強度得到保證。在塑性混凝土中摻入引氣劑，可產生大量穩定且閉合的微小氣泡，改善混凝土拌合物的流動性，提高塑性混凝土的抗凍性。

王春光[21]在塑性混凝土試驗中添加了復合型外加劑——引氣型減水劑，同時具有減水劑與引氣劑的效能，避免了膨潤土對聚羧酸減水劑的吸附作用，減少了用水量，控制了塑性混凝土的彈性模量，提高了塑性混凝土的抗滲性、抗凍性與耐腐蝕性；雷秀玲[18]研究發現引氣劑可改善塑性混凝土內部結構，降低了塑性混凝土的彈性模量，有利于塑性混凝土適應周圍變形；吳俊姿[16]隨著減水劑摻量從2.1kg/m3增大到2.56kg/m3，塑性混凝土的滲透系數降低，抗滲能力增強，減水劑的使用減少了用水量，提高了抗壓強度與抗滲性能，如圖5所示。

圖5 減水劑對塑性混凝土的影響

2 塑性混凝土在工程中的應用

2.1 防滲墻工程

與常規混凝土相比，塑性混凝土的彈性模量低、極限變形大，具有良好的變形協調能力，能夠協調墻體與土體之間的變形，降低應力水平，避免開裂，使得工程安全平穩運行[22]。同時，塑性混凝土的抗震性能好，地震發生時其優越的變形能力可緩沖地震的沖擊，故在永久性防滲墻中使用塑性混凝土可提高其抗震能力。此外，塑性混凝土滲透系數小，抗滲能力強，在向家壩泄洪段壩基防滲墻、團洲泵站資江大堤塑性混凝土防滲墻、南水北調東線雙王城水庫工程[23]、引江濟淮工程新城調蓄水庫[24]等防滲墻工程中已廣泛應用。

2.2 圍堰工程

混凝土圍堰的施工造價高，臨時性混凝土圍堰拆除困難，經濟損失大；土石圍堰造價低，但抗滲性能差，滲水嚴重，對工程的安全造成隱患。塑性混凝土圍堰既降低了工程造價，又憑借其良好的抗滲性保障了工程安全，故在圍堰工程中較多應用，如小浪底水庫上游圍堰、長江三峽二期主圍堰、紫坪鋪上游圍堰、向家壩圍堰[25]、錦屏二級水電站圍堰等。

2.3 咬合樁

塑性混凝土咬合樁是一種新工藝，提高了鉆孔效率且安全可靠，止水效果好，可與常規混凝土樁共同承擔壓力。同時，塑性混凝土咬合樁的工程質量高，造價相對較低，經濟效益好，在大連灣海底隧道[20]、臨海基坑工程[26]中已成功運用，塑性混凝土咬合樁的更多應用[27,28]仍在可行性分析階段。

從塑性混凝土發展至今，已被用于人工湖泊、堤防、圍堰等水利工程以及地鐵、隧洞、高層建筑的地下工程等土木建筑行業。與常規混凝土相比，其應用領域較窄，許多專家學者研究并分析塑性混凝土在其他工程中應用的可行性，不斷推進塑性混凝土的應用進程。

3 結語

本文對塑性混凝土各項材料的影響做出詳細論述，列舉了塑性混凝土目前應用較多的工程項目，分析發現目前的理論研究與實踐應用均取得一定的成果，但仍存在一些問題：

（1）理論層面：與常規混凝土相比，塑性混凝土的研究起步較晚，發展年限較短，理論尚不成熟，宏觀性能與細觀微觀的演化發展尚未建立聯系，需繼續深入探究；塑性混凝土的規范較少且不夠全面，需進一步完善。

（2）實踐應用：塑性混凝土受自身強度低的約束，在其他領域的應用較少。可參照常規混凝土提高性能的方法，摻加硅灰、纖維等改善塑性混凝土的性能，同時應考慮造價問題，改良后的塑性混凝土是否可于工程中推廣應用。

（3）理論與應用：塑性混凝土的試驗研究成果如何指導工程實踐；有限元等軟件模擬塑性混凝土代替常規混凝土的成果能否作為塑性混凝土的施工方案的依據等問題亟待解決。

在塑性混凝土的后續研究中，應深入探究本構理論、開裂機理、斷裂理論、尺寸效應、疲勞理論等，同時要注重性能優化，制備性能優越且經濟適用的塑性混凝土，使其在工程中的應用范圍更加廣泛。