防滲墻塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

呂振東

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

塑性混凝土是一種介于土與普通混凝土之間的柔性材料，它是以黏土、膨潤(rùn)土等作為膠凝材料減少水泥用量，而形成低強(qiáng)度、低彈性模量和添加減水劑、引氣劑提高抗?jié)B透性的低成本防滲墻材料。它克服了傳統(tǒng)混凝土的彈性模量高，變形小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，與基礎(chǔ)連接性不好等缺陷，在水利工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其大壩基礎(chǔ)的防滲透和河道防滲墻的應(yīng)用。本文結(jié)合防滲墻工程，對(duì)塑性混凝土參數(shù)的測(cè)試和配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

針對(duì)塑性混凝土防滲墻的特點(diǎn)，根據(jù)委托方提供的塑性混凝土配合比作為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出六種配合比方案，在首先滿足塑性混凝土拌和物性能要求下，調(diào)整混凝土中各個(gè)組分以滿足塑性混凝土的強(qiáng)度和彈性模量的要求，并提出相對(duì)最佳的塑性混凝土配合比。

1 原材料

水泥采用的是山西亞美建筑工程材料有限公司生產(chǎn)的P.O.42.5，比表面積、安定性、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間都滿足要求，3d、28 d抗折強(qiáng)度分別為5.5MPa、8.7MPa，3d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為26.7MPa、52.6MPa。細(xì)骨料的產(chǎn)地是河北阜平的天然中砂，細(xì)度模數(shù)2.78，泥含量1.5%，堆積密度1510kg/m3，表現(xiàn)密度2650kg/m3。粗骨料是產(chǎn)于忻州的10～31.5mm的碎石，堆積密度1370kg/m3，表現(xiàn)密度2790kg/m3，含泥量、針片狀含量、壓碎指標(biāo)均符合要求。本試驗(yàn)所用黏土為阜新本地黏土，含水率為20%。膨潤(rùn)土采用是鈉基膨潤(rùn)土，具體的物理性能指標(biāo)見表1。

表1 土料的物理性能指標(biāo)

2 塑性混凝土物理力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法

2.1 塑性混凝土強(qiáng)度的測(cè)試

測(cè)試塑性混凝土強(qiáng)度，本試驗(yàn)采用立方體抗壓試件為150mm×150mm×150mm，每組配合比打六塊，分別測(cè)試7d和28 d強(qiáng)度。由于塑性混凝土抗壓強(qiáng)度較小，用量程50kN的萬能壓力試驗(yàn)機(jī)，并且加荷速度控制在0.05～0.15MPa/s。[3]

2.2 塑性混凝土彈性模量的測(cè)試

由于塑性混凝土的彈性模量很低，本試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006）采用標(biāo)距為300mm的測(cè)試方法，測(cè)試φ150mm×300mm的圓柱體試件，用磁力表座安裝量程為150mm的千分表，測(cè)量不同壓應(yīng)力下的試件變形，作出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，計(jì)算出彈性模量值。

2.3 塑性混凝土相對(duì)滲透系數(shù)的測(cè)定

由于塑性混凝土主要用于水利工程基礎(chǔ)及壩體、河道防滲墻等，我國的塑性混凝土滲透性標(biāo)準(zhǔn)也主要采用水壓力法來評(píng)價(jià)混凝土的滲透性。故本試驗(yàn)測(cè)試塑性混凝土抗?jié)B性滲水高度法采用一次加壓法，快速抗?jié)B，縮短試驗(yàn)時(shí)間。參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006），試塊采用上口 φ=175mm，下口 φ=185mm，h=150mm的圓臺(tái)試塊，采用無錫建儀儀器廠生產(chǎn)的HS-4S型數(shù)顯混凝土抗?jié)B儀，設(shè)定0.2MPa的水壓力，加壓6 h，記錄試驗(yàn)過程試件透水時(shí)間，對(duì)不透水試件劈裂量測(cè)滲水高度，計(jì)算其相對(duì)滲透系數(shù)。[1]

3 塑性混凝土防滲墻配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)

參考水工混凝土配制強(qiáng)度的確定方法，塑性混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、保證率系數(shù)、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352—2006）中的相關(guān)規(guī)定確定，但是考慮到水下澆筑混凝土強(qiáng)度只有地面澆筑混凝土強(qiáng)度的70%，結(jié)合以往塑性混凝土的使用情況，張鵬等提出

式中R配:塑性混凝土配制強(qiáng)度；R28：塑性混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度；t：強(qiáng)度保證率系數(shù)，強(qiáng)度保證率為95%時(shí)，取 t=1.645；Cvo：抗壓強(qiáng)度離差系數(shù)，本試驗(yàn) Cvo=0.15。委托方要求的塑性混凝土的強(qiáng)度R28=1.5～3MPa，代入公式（1）可得本試驗(yàn)的塑性混凝土的配制強(qiáng)度為R配=2～4MPa。[1]

塑性混凝土作為一種新型混凝土材料技術(shù)，目前沒有正式的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)于絕大多數(shù)土體來說，通過配合比試驗(yàn)都可以設(shè)計(jì)出與其變形模量相近的塑性混凝土防滲墻。本次塑性混凝土配合比拌和試驗(yàn)首先采用忻州市水利工程建筑公司推薦的配方進(jìn)行試配，然后根據(jù)塑性混凝土拌和物性能：坍落度18～22cm，擴(kuò)散度34～40cm，初凝時(shí)間不大于8 h，終凝時(shí)間不大于48 h，對(duì)塑性混凝土進(jìn)行配比設(shè)計(jì)并且調(diào)整試拌。

3.1 塑性混凝土拌和物性能

塑性混凝土拌和物性能包括：坍落度、擴(kuò)散度、泌水率、均勻性、表現(xiàn)密度、凝結(jié)時(shí)間和含氣量等，本配合比試驗(yàn)首先保證塑性混凝土具有良好工作和易性，選取坍落度和擴(kuò)散度兩項(xiàng)參數(shù)來優(yōu)選配合比。

參照委托方提供的基準(zhǔn)塑性混凝土配合比，考慮到水膠比和膨潤(rùn)土的摻量是影響塑性混凝土性能的最主要的因素，結(jié)合工作中的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出1—1～1—6五種配合比方案見表2，并以此對(duì)各個(gè)方案按照天然黏土加水拌制，膨潤(rùn)土直接摻入的方法進(jìn)行試拌，得出方案1—1和1—4的坍落度過大，并出現(xiàn)大量泌水，并且擴(kuò)散度，明顯表現(xiàn)出黏聚性不好，各組分布不均勻現(xiàn)象。方案1—3和1—6的坍落度和擴(kuò)散度都比較小不滿足塑性混凝土工作性要求。方案1—2和1—5拌和性能都能滿足塑性混凝土拌和物性能的要求。

3.2 調(diào)整配合比試驗(yàn)

對(duì)滿足拌和物性能的方案1—2和1—5，按照前述的塑性混凝土各項(xiàng)物理參數(shù)的測(cè)試方法制備規(guī)范要求的試塊，并達(dá)到齡期后進(jìn)行測(cè)試，得到的各個(gè)物理參數(shù)見表3，塑性混凝土28 d的各項(xiàng)物理參數(shù)應(yīng)符合表3的要求。

方案1—2和1—5，28 d塑性混凝土的強(qiáng)度、相對(duì)滲透系數(shù)、密度和凝結(jié)時(shí)間均滿足委托方的要求，但塑性混凝土的彈性模量均在1400MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過要求的700MPa。對(duì)于防滲墻塑性混凝土，彈性模量過高，防滲墻的允許變形較小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，和周邊土體產(chǎn)生不均勻沉降，很容易產(chǎn)生裂縫和空腔，很難滿足塑性混凝土滲透性的要求。需要通過水泥、黏土、膨潤(rùn)土、骨料和水各組分進(jìn)行重新配制。

表2 拌和物性能指標(biāo)

根據(jù)黏土具有一定的增加塑性與降低強(qiáng)度的作用和膨潤(rùn)土可以有效地增加混凝土的抗?jié)B性，且能有效地降低混凝土的彈性模量的性能，試驗(yàn)通過減少水泥的用量和增加黏土和膨潤(rùn)土的摻量來降低塑性混凝土的彈性模量，并設(shè)計(jì)出配合比方案見表4，拌制過程中摻和物的各項(xiàng)物理性能參數(shù)和硬化塑性混凝土物理力學(xué)性能見表4和表5。方案2—1～2—4各項(xiàng)拌和物性能均滿足委托方要求，但是硬化塑性混凝土的彈性模量雖然降低并滿足要求，抗壓強(qiáng)度卻和要求相差很多。[2]

表3 初試方案的塑性混凝土物理力學(xué)性能及應(yīng)達(dá)到指標(biāo)

表4 再次調(diào)整后的配合比及其拌和物性能指標(biāo)

3.3 推薦施工配合比

根據(jù)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度的要求，方案1—2和1—5能滿足配制輕度的要求，同時(shí)密度、凝結(jié)時(shí)間和相對(duì)滲透系數(shù)均滿足，但是彈性模量和要求相差比較大，如前所述，按照減少水泥用量增加黏土和膨潤(rùn)土摻量來降低塑性混凝土彈性模量，設(shè)計(jì)出方案2—1～2—4。結(jié)果顯示彈性模量雖然達(dá)到要求，但是塑性混凝土強(qiáng)度卻不滿足配制強(qiáng)度。

經(jīng)過上述試驗(yàn)，塑性混凝土的水膠比和黏土、膨潤(rùn)土摻量對(duì)塑性混凝土的強(qiáng)度和彈性模量影響較大，當(dāng)水膠比減少時(shí)，塑性混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都能顯著提高，反之則降低。[4]調(diào)整黏土和膨潤(rùn)土的摻量只能在一定程度減少塑性混凝土的彈性模量，在原材料給定的情況下，如果能滿足強(qiáng)度的要求，則無法滿足委托方對(duì)彈性模量的要求。綜合上文的分析和試驗(yàn)結(jié)果，方案1—2～1—5都能滿足施工和設(shè)計(jì)要求，但是考慮到成本，推薦配合比方案1—2。

表5 再次調(diào)整后配合的塑性混凝土物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)語

塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)是根據(jù)特定土體環(huán)境下進(jìn)行的，滿足該土體的彈性模量，極大程度地迎合土體的變形，從而增加與土體基礎(chǔ)的銜接和增加土體的抗?jié)B性能，但是實(shí)際施工中，由于條件所限，如：原材料特定，施工工藝等條件限制，很難滿足塑性混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，又同時(shí)滿足現(xiàn)有土體彈性模量，這也對(duì)以后塑性混凝土的研究提出了方向。

[1]張 鵬，李清富.塑性混凝土施工配合比試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)，2007，38（ 8）:620-622.

[2]金婉香，章曉樺.摻膨潤(rùn)土塑性混凝土用于防滲墻的試驗(yàn)研究[J].浙江水利科技，2003（1）:67-68.

[3]趙金柱，等.七臺(tái)市汪清水庫塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[J].黑龍江水利科技，2011（ 4）：:30-31.

[4]曾 偉.南水北調(diào)興隆水利樞紐圍堰防滲墻工程塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究[J].陜西水利，2014（ 6）:135-136.