塑性混凝土垂直屏障工程特性研究

摘""要：礦渣、鋼渣、粉煤灰等工業固廢替代水泥應用于塑性混凝土已較為普遍，將三者按一定比例混合配制GS固化劑。為研究GS固化劑塑性混凝土基本性能，進行配比設計，并基于無側限抗壓強度及柔性壁滲透開展試驗。結果表明：膨潤土含量增加，無側限抗壓強度和滲透系數有所降低，但降幅不明顯；GS含量和齡期增加，無側限抗壓強度有所提高，在14"d時，增幅較大，在28"d和60"d時，隨膨潤土含量增加，增幅減小；滲透系數隨GS含量增加而減小，當GS含量增加到235"kg/m3，滲透系數有較大改善，由10-7"cm/s數量級減小到10-8"cm/s數量級，并且在13～18"d間存在拐點，此前滲透系數降低較快，之后趨于平緩，當GS含量＜235"kg/m3時，滲透系數降低緩慢，并未出現拐點。

關""鍵""詞：塑性混凝土""GS固化材料""無側限抗壓強度""滲透系數

中圖分類號：TU443

Study"on"Engineering"Characteristics"of"Plastic"Concrete"Vertical"Barrier

JIAO"Longjin1""HU"Mengdi2""GE"Peng3""SUN"Zhenhai4

1."The"Third"Geological"Group，"Jiangsu"Bureau"of"Geology"and"Mineral"Resources，"Zhenjiang，"Jiangsu"Province，"212021"China;"2."Jiangsu"University"of"Science"and"Technology，"Zhenjiang，"Jiangsu"Province，"212028"China;"3."Jiangsu"Geological"Foundation"Pile"Engineering"Company，"Zhenjiang，"Jiangsu"Province，"212021"China;"4."Jiaxing"Hangjiahu"South"Drainage"Engineering"Salt"Official"Hub"Management"Office，"Jiaxing，"Zhejiang"Province，"314300"China

Abstract："It"is"common"to"use"industrial"solid"wastes"such"as"slag，"steel"slag"and"fly"ash"instead"of"cement"in"plastic"concrete."The"three"are"mixed"in"a"certain"proportion"to"prepare"GS"curing"agent."To"study"the"basic"properties"of"GS"curing"agent"plastic"concrete，"a"mix"design"is"carried"out，"and"experiments"were"conducted"based"on"unconfined"compressive"strength"test"and"flexible"wall"permeability"test."The"results"show"that"as"the"content"of"bentonite"increased，"the"unconfined"compressive"strength"and"permeability"coefficient"decrease，"but"the"decrease"is"not"significant;"The"unconfined"compressive"strength"increased"with"the"increase"of"GS"content"andnbsp;age."At"the"age"of"14d，"the"increase"was"significant，"and"at"the"age"of"28d"and"60d，"the"increase"decreased"with"the"increase"of"bentonite"content;"The"permeability"coefficient"decreases"with"the"increase"of"GS"content."When"GS"content"increases"to"235kg/m3，"there"is"a"significant"improvement"in"the"permeability"coefficient，"which"decreases"from"the"order"of"magnitude"of"10-7cm/s"to"order"of"magnitude"of"10-8cm/s."There"is"also"a"turning"point"between"13"and"18d."where"the"permeability"coefficient"decreases"rapidly"before"gradually"flattening."When"GS"content"is"less"than"235kg/m3，"the"permeability"coefficient"decreases"slowly"and"no"turning"point"appears.

Key"Words："Plastic"concrete;"GS"curing"material;"Unconfined"compressive"strength;"Permeability"coefficient

據2021年《bp世界能源統計年鑒》調查顯示，2020年中國的碳排放連續第4年持續增長，增幅0.6%，在全球碳排放總量中的份額增加至31%。水泥行業作為碳排放的大戶，排放的CO2全球占比高達7%；而礦渣、鋼渣、粉煤灰等作為工業固廢替代水泥已成為解決此問題的主要方法，GS固化劑應運而生。

GS固化劑是由30%～70%的礦粉、5%～20%的鋼渣粉、5%～20%的粉煤灰、5%～10%的脫硫產物、2%～20%的水泥和0～4%的添加劑混合而成，可用于軟基加固等；而塑性混凝土因其流動性大、彈性模量低、抗滲性好等優點而被廣泛用于水利工程及填埋場修復工程等[1-3]。將礦渣、鋼渣及粉煤灰摻入塑性混凝土，探討其工作性能、抗壓性能、抗滲性的研究眾多[4-9]，故將礦渣、鋼渣及粉煤灰等按一定比例混合配制成GS固化劑，將其應用到塑性混凝土在理論上具有可行性。

本文通過配比設計、無側限抗壓強度和柔性壁滲透試驗，在密度和流動度滿足填筑要求的前提下，研究GS固化劑含量、膨潤土含量及齡期等對塑性混凝土無側限抗壓強度及滲透性的影響規律，進而評估GS固化劑用于塑性混凝土的可行性。

2""試驗

2.1""試驗材料

試驗材料選用GS固化劑（簡稱GS）、內蒙古膨潤土（簡稱NB）、水和福建標準砂（簡稱FS）。其中，為模擬垂直屏障在現場常遇到的砂土地層，采用級配不良的中砂即福建標準砂。福建標準砂粒徑分布通過篩分法測得，內蒙古膨潤土粒徑分布用馬爾文激光粒度儀測得，試驗結果如圖1所示。

膨潤土物理性質指標按土工試驗方法標準進行測定[10]，含水率用烘干法測定，液塑限用液塑限聯合測定儀測定，比表面積用氣體吸附BET法測定，膨潤土物理指標見表1。GS固化劑所用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，所用礦粉比表面積大于0.3"m2/g，28"d活性指數＞95%，所用鋼渣粉比表面積＞0.35"m2/g，28"d活性指數＞75%。

2.2"""配比方案

參考水壩修復項目中塑性混凝土材料典型例子，并根據本次研究預試驗，排除流動度不滿足要求的配比，最終確定水為400"kg/m3，福建標準砂為1"200"kg/m3，GS固化劑含量分別為308、267、235、210和190"kg/m3，內蒙古膨潤土含量分別為20、25和30%，共9組配比（見表2），齡期設為14、28和60"d，研究GS固化劑含量、內蒙古膨潤土含量、齡期對塑性混凝土性能的影響規律。為便于討論，按內蒙古膨潤土含量把9個配比分為A、B、C共3組，按GS固化劑含量分為1、2、3、4、5共5組。

2.3"""試驗方法

2.3.1""強度試驗

無側限抗壓強度試驗用無側限壓縮儀進行，其加載速率為1"mm/min，試樣為直徑3.91"cm、高度8"cm的圓柱體。考慮到直接用內徑3.91"cm，高度8"cm的模具進行制樣，試樣高度會因人為因素而難以控制，故在模具上裹一圈透明膠帶，使試樣裝填高度略高于8"cm，待養護2"d進行拆模時，用刮刀將多余塑性混凝土刮去，保證試樣尺寸滿足土工試驗方法標準要求。將脫模后的試樣放入溫度（20±2）℃，相對濕度不低于95%的恒溫養護箱中，養護至設計齡期（14、28、60"d），進行無側限抗壓強度試驗。

2.3.2""滲透試驗

滲透試驗參照美國規范ASTM"D5084[11]，采用柔性壁滲透儀進行，在承樣筒上開了很多直徑為3"mm的小孔[12]，保證圍壓能通過承樣筒均勻施加在試樣側壁，見圖2。與其他學者研究滲透性隨齡期變化的方法不同，考慮到塑性混凝土在填筑完成后就可能開始滲透，所以將試樣直接裝填在套有橡膠膜的承樣筒內養護，待3"d后試樣從流塑狀態進入硬塑狀態，施加滲透壓，進行滲透試驗，每天記錄滲透數據，研究滲透性隨齡期的變化。滲透液用自來水，pH為9，圍壓設為100"kPa，水力梯度設為20，試樣直徑為7"cm，高度為4"cm。

3""試驗結果與分析

3.1"""無側限抗壓強度

圖3給出了每個配比的無側限抗壓強度從14～60"d齡期的變化。以下將從GS含量、NB含量及齡期分別分析對無側限抗壓強度的影響。

同一NB含量和齡期情況下，隨GS含量的增加，無側限抗壓強度逐漸增大。雖然無側限抗壓強度都在增大，但每組增大情況不同。根據NB含量將無側限抗壓強度隨GS含量變化規律分為兩種情況：（1）NB含量較低的A組；（2）NB含量較高的B、C組。NB含量在20%（A組）情況下，隨GS含量增加，無側限抗壓強度持續增加且增幅較大，14、28和60"d增幅分別為77.5%、78.4%和100.4%。NB含量在25%（B組）和30%（C組）情況下，隨GS含量的增加，無側限抗壓強度也在增大，但與A組不同，B、C兩組在14"d時，無側限抗壓強度增幅較大，分別為70.9%和111.5%，而28"d和60"d時，無側限抗壓強度增幅較小，范圍在25.1%～53.3%之間。

同一GS含量和齡期情況下，隨NB含量的增加，無側限抗壓強度逐漸減小。當GS含量為267"kg/m3，NB含量由20%增加到25%時，無側限抗壓強度減幅較明顯，范圍在16.9%～22.7%間；當GS含量＜267"kg/m3時，隨NB含量的增加，無側限抗壓強度減速放慢，降幅變小，范圍在2.8%～11.7%間。與GS含量變化相比，NB含量由20%增加到30%，對無側限抗壓強度影響較小。

隨齡期的增加，無側限抗壓強度均逐漸增大，但并非所有配比均滿足28"d齡期強度＞2"MPa的要求。當GS含量在235～308"kg/m3時，即使NB含量增加到30%，強度均滿足要求，28"d無側限抗壓強度最高可達4.14"MPa；當GS含量為210"kg/m3時，28"d強度不滿足要求，若GS含量繼續降低，即使60"d無側限抗壓強度也不會達到2"MPa。

塑性混凝土強度持續增長的原因在于礦渣、鋼渣、粉煤灰等活性成分含量遠低于硅酸鹽水泥，在堿性環境中，礦渣、鋼渣、粉煤灰才能發生反應[13-15]，前期強度主要由水泥水化反應提供，水泥水化生成氫氧化鈣，其飽和溶液pH在12～13之間，呈強堿性，礦渣、鋼渣、粉煤灰等在堿性環境中發生水化和火山灰反應，使塑性混凝土后期強度持續增加。NB含量變化對塑性混凝土強度影響不大的原因在于膨潤土吸水性較強，遇水后會產生塑性化作用，而導致塑性混凝土強度降低，但土料中少量的活性二氧化硅和活性三氧化二鋁會與水泥水化產物產生化合作用，生成新的水化產物，提高了水泥土體系的固化能力[16]，在一定程度上抑制了強度的降低。

3.2"""滲透性能

圖4～6給出了不同NB含量下，滲透系數隨GS含量和齡期的變化，圖7給出了GS含量一定時，滲透系數隨NB含量和齡期的變化。由圖4～圖6可知，同一NB含量和齡期情況下，隨GS含量的增加，滲透系數逐漸減小，雖然滲透系數都在減小，但每組的減小情況不同。根據NB含量將滲透系數隨GS含量變化規律分為兩種情況：（1）NB含量較低的A組；（2）NB含量較高的B、C組。NB含量在20%（A組）情況下，隨GS含量增加，滲透系數有所減小，但減幅較小，基本不超過一個數量級；NB含量在25%（A組）和30%（B組）情況下，隨GS含量增加，滲透系數變化較大，當GS含量≤210"kg/m3時，滲透系數均不能達到10-7"cm/s數量級，當GS含量由210"kg/m3增加到235"kg/m3時，滲透系數減小較快，甚至達到10-8"cm/s數量級。

由圖7可知，同一GS含量和齡期情況下，隨NB含量的增加，滲透系數有所減小。在齡期＜16"d時，NB含量對滲透系數影響較大。以齡期14"d為例，NB含量由20%增加到30%，滲透系數從2.59×10-6"cm/s減小到1.73×10-7"cm/s，減幅為93.3%。但隨齡期的增長，NB含量對滲透系數的影響逐漸減小，當齡期達到28"d時，NB含量由20%增加到30%，滲透系數從3.47×10-8"cm/s減小到2.41×10-8"cm/s，減幅為30.5%。

當GS含量在235～308"kg/m3時，滲透系數隨齡期變化規律較明顯：在齡期3～13"d滲透系數降幅較快；在齡期13～18"d滲透系數減小趨勢存在拐點；當齡期＞18"d，滲透系數降幅減慢，逐漸趨于平緩。當GS含量在190～210"kg/m3時，滲透系數隨齡期逐漸減小，雖然并未出現較為明顯的拐點，但整體變化規律與上述一致：在前期滲透系數減小較快，后期滲透系數降幅減慢。

塑性混凝土內部的微細孔隙是引起滲水的主要原因。水泥水化后體積增大，是原來未水化體積的幾倍[17]，水化產物將毛細孔填充、堵塞，導致滲透系數下降較快，但GS固化劑中水泥占比不大，主要以礦渣、鋼渣、粉煤灰居多，而這3種材料活性成分不多，須在堿性環境下才能發生反應；隨滲透時間的延長，這3種材料發生水化和火山灰反應，使塑性混凝土密實，導致滲透系數減小。膨潤土顆粒可以堵塞水泥顆粒及其水化產物間的大部分孔隙，同時膨潤土顆粒通過正負電荷作用可吸附大量水分子，使塑性混凝土中大部分自由水分子變為化合水分子，縮小滲透通道，有利于滲透系數的降低。

4""結論

基于無側限抗壓強度及柔性壁滲透試驗，本文研究了GS固化劑替代水泥配制塑性混凝土的基本性能，得出主要結論如下。

（1）膨潤土含量增加，無側限抗壓強度有所降低，但降幅不明顯。GS含量和齡期增加，無側限抗壓強度有所提高：在14"d時，增幅在70.9%～111.5%；在28"d和60"d時，隨膨潤土含量增加，增幅減小。

（2）膨潤土含量增加，滲透系數前期變化較大，后期變化減小，變化幅度由93.3%減小到30.5%。GS含量增加，滲透系數減小。當GS含量由210"kg/m3增加到235"kg/m3，抗滲性有較大提升，由不到10-7"cm/s數量級，減小到10-8"cm/s數量級。

（3）當GS含量在235～308"kg/m3時，滲透系數在13～18"d間存在拐點，此前滲透系數降低較快，之后趨于平緩；當GS含量在190～210"kg/m3時，隨齡期增加，滲透系數逐漸減小，并未出現拐點。

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