塑性混凝土在我國水利工程中的應(yīng)用

張亞坤

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封475004）

塑性混凝土在我國水利工程中的應(yīng)用

張亞坤1，2

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封475004）

分析了塑性混凝土的性能及水膠比、水泥用量、膨潤土、黏土、用沙量等因素對其物理力學(xué)性能的影響，探討了塑性混凝土在圍堰工程、壩基混凝土防滲墻、病險水庫除險加固等水利工程中的應(yīng)用。

塑性混凝土；水利工程；物理力學(xué)性能；試驗研究

0 引言

混凝土防滲墻技術(shù)的施工程序是機械造孔、灌注泥漿護(hù)壁、用導(dǎo)管澆筑混凝土和排出泥漿，筑成連續(xù)防滲墻［1］。這項技術(shù)最早出現(xiàn)在歐洲的意大利，之后被各國引入，并在水利工程基礎(chǔ)防滲、地下工程施工中得到了廣泛而成功的應(yīng)用。采用剛性混凝土作為防滲墻墻體材料，其彈性模量很高（≥104MPa）。根據(jù)胡克定律可知，在荷載作用下，若墻體的極限變形能力很小，而壩基變形較大，很容易使混凝土防滲墻內(nèi)部應(yīng)力集中，進(jìn)而出現(xiàn)防滲墻內(nèi)部裂縫，甚至防滲墻體有被壓碎的危險。然而，以水泥、黏土、膨潤土為膠凝材料，以石子、沙子為粗細(xì)骨料，與水、外加劑等按照一定的比例混合而成的塑性混凝土是一種柔性材料［2］，它具有低強度（≤10 MPa）、低彈性模量（≤2 000 MPa）、抗?jié)B性能良好（≤10－7cm／s）等特點。使用塑性混凝土澆筑的防滲墻可以很好地與較軟的基礎(chǔ)相適應(yīng)，同時又具有很好的防滲性能，在水利工程的防滲中應(yīng)用較多。

1 塑性混凝土的分類及性能

1．1 塑性混凝土的分類

常規(guī)混凝土的膠凝材料主要是水泥，而塑性混凝土的膠凝材料主要包括水泥、黏土、膨潤土等2種或2種以上材料。按照膠凝材料的不同，塑性混凝土可以分為3類：黏土塑性混凝土、膨潤土塑性混凝土、黏土－膨潤土塑性混凝土。

1．2 塑性混凝土的性能

1．2．1 彈性模量低、強度低

彈性模量是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大。塑性混凝土的彈性模量是其配合比設(shè)計的重要指標(biāo)。抗壓強度反映了在壓力作用下塑性混凝土破壞前所承受的最大應(yīng)力。由于黏土、膨潤土摻量較多，水泥用量較少，相對于常規(guī)混凝土來說，塑性混凝土顯示出較低的強度和彈性模量。國內(nèi)塑性混凝土的28 d抗壓強度一般為1～5 MPa，設(shè)計彈性模量一般在2 000 MPa以下（如表1所示）［3］。然而，由于塑性混凝土的彈性模量接近于地基的彈性模量，因而能更好地適應(yīng)地基的變形，使建筑物與地基聯(lián)合受力，從而能承受比常規(guī)混凝土防滲墻更大的變形量。因此，以適當(dāng)配合比的塑性混凝土代替常規(guī)混凝土、鋼筋混凝土，應(yīng)用于高應(yīng)力區(qū)的水利工程基礎(chǔ)防滲，對解決防滲墻的應(yīng)力集中問題有著積極的意義。

1．2．2 抗?jié)B性能好

塑性混凝土的滲透系數(shù)小，因此其抗?jié)B性能好。常規(guī)混凝土是根據(jù)強度進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計的，而塑性混凝土則是根據(jù)所需的變形模量和抗?jié)B性能要求進(jìn)行設(shè)計的。在一定范圍內(nèi)，摻入的水泥和膨潤土越多，塑性混凝土的滲透系數(shù)就越?。?］。在進(jìn)行塑性混凝土配合比設(shè)計時，可以根據(jù)工程要求和實際需要，制出適當(dāng)滲透系數(shù)的塑性混凝土。

表1 國內(nèi)塑性混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab．1 Physical mechanics performance index of plastic concrete in China

1．2．3 工作性能良好

塑性混凝土的工作性能又稱和易性，是指新拌塑性混凝土易于進(jìn)行各工序施工操作（攪拌、運輸、澆灌等）并具有質(zhì)量均勻、成型密實的性能，包含流動性、黏聚性和保水性。通常用坍落度和擴展度來反映塑性混凝土拌和物的和易性。塑性混凝土的水膠比、用沙量、用水量比常規(guī)混凝土大，而水泥用量比常規(guī)混凝土小，再加上粉煤灰、外加劑等的摻入，使其具有更大的坍落度（塑性混凝土拌和物技術(shù)性能指標(biāo)要求如表2所示）［5～6］。因此，塑性混凝土拌和物具有更好的流動性，且不容易發(fā)生離析，在泵送澆筑時，不容易堵塞導(dǎo)管，能自動流平、自動密實。這樣，就簡化了施工程序、縮短了工期、降低了工程投資。塑性混凝土防滲墻中水泥的用量較少，一般少于常規(guī)混凝土防滲墻中水泥用量的三分之一，且不用布置鋼筋，大大降低了工程造價。

表2 塑性混凝土拌和物技術(shù)性能指標(biāo)要求Tab．2 Technical performance index requirements of plastic concrete mixture

2 塑性混凝土的試驗研究

針對塑性混凝土的特性，國內(nèi)外開展了大量的研究工作，主要集中在各種因素（如水膠比、水泥用量、膨潤土用量、用沙量、粉煤灰用量、外加劑等）如何影響塑性混凝土強度、彈性模量、抗?jié)B性能、工作性能等方面。這些研究成果為實際工程中塑性混凝土配合比的設(shè)計提供了重要的參考，也促進(jìn)了塑性混凝土的應(yīng)用和推廣。

2．1 水泥用量對塑性混凝土的影響

水泥用量對塑性混凝土抗壓強度影響的試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 水泥用量對塑性混凝土強度的影響Fig．1 Influence of cement dosage on plastic concrete strength

由圖1和圖2可以看出：隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的抗壓強度和抗壓彈性模量逐漸增大［7］。這主要是因為，水泥為水硬性膠凝材料，用量越多，水化反應(yīng)中就會形成越多的C－S－H等化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而形成硬化漿體，從而使塑性混凝土的強度提高。因此，在實際工程中，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，可以通過加大水泥用量來提高塑性混凝土的抗壓強度。

圖2 水泥用量對塑性混凝土彈性模量的影響Fig．2 Influence of cement dosage on plastic concrete elasticity modulus

2．2 水膠比對塑性混凝土的影響

水膠比是影響塑性混凝土抗?jié)B性的關(guān)鍵因素［8］。隨著水膠比的增大，塑性混凝土的抗壓強度和彈性模量均會降低，水膠比對塑性混凝土強度和彈性模量的影響如圖3和圖4所示。水膠比越大，水化反應(yīng)后自由水蒸發(fā)所造成的塑性混凝土內(nèi)部空隙越多、密實度越小，從而使塑性混凝土的強度和彈性模量降低得也越多。

塑性混凝土凝結(jié)硬化后的孔隙率取決于塑性混凝土拌和物的水膠比的大小。因此，水膠比直接影響著塑性混凝土的抗?jié)B性能。隨著水膠比的增大，塑性混凝土的孔隙率、滲透系數(shù)也增大，抗?jié)B性能隨之降低。所以，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡可能采用較小的水膠比。

2．3 膨潤土、黏土對塑性混凝土的影響

圖3 水膠比對塑性混凝土強度的影響Fig.3 Influence of water cement ratio on plastic concrete strength

塑性混凝土中膨潤土的摻入不但能夠提高塑性混凝土的抗?jié)B能力，而且能夠降低塑性混凝土的彈性模量。試驗研究表明，塑性混凝土的彈性模量隨著膨潤土摻量的增加而減小［9］，塑性混凝土的抗壓強度隨著膨潤土用量的增加而降低。這種強度降低的微觀機理在于膨潤土中含有吸水性較強的黏性礦物質(zhì)，這些黏性礦物吸水后會發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致塑性混凝土的強度降低。含不同類型膨潤土的塑性混凝土的力學(xué)強度差異較大。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的前提下，鈉基－膨潤土塑性混凝土的抗壓強度是鈣基－膨潤土的3倍以上。

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的含水硅酸鹽，其礦物成分的顆粒很細(xì)。較細(xì)膨潤土和黏土顆粒能堵塞水泥及其水化產(chǎn)物間的絕大部分空隙，從而增加塑性混凝土的抗?jié)B性能。另外，黏土的摻入使水化反應(yīng)生成C－S－H和CnAHn，使得水泥石的密實度提高［10］。黏土中的蒙脫石和高嶺石屬于層狀結(jié)構(gòu)，遇水后膨脹，使各部分相互擠壓。這種化學(xué)和物理的雙重作用使塑性混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實，從而使其抗?jié)B性能得到提高。

2．4 用沙量對塑性混凝土的影響

在一般情況下，塑性混凝土都采用較大的沙率（普遍≥80%）。采用大沙率能夠減少粗骨料（石子）的用量，進(jìn)而降低粗骨料在塑性混凝土中的骨架效應(yīng)，最終達(dá)到減低塑性混凝土彈性模量的效果。通常在一定的沙率范圍內(nèi)，塑性混凝土的彈性模量隨著沙率的增大而降低［11］。

3 塑性混凝土在水利工程中的應(yīng)用

塑性混凝土由于具有抗?jié)B性能好、地基變形適應(yīng)性強、工作性能好、經(jīng)濟性好等特點，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果。

3．1 圍堰工程防滲

圖4 水膠比對塑性混凝土彈性模量的影響Fig.4 Influence of water cement ratio on plastic concrete elasticity modulus

在水利工程建設(shè)中，為了建造永久性建筑物，需要修建臨時性維護(hù)結(jié)構(gòu)（圍堰）來圍護(hù)基坑，以創(chuàng)建水工建筑物干地施工條件。若采用混凝土圍堰，不但成本高，而且難以拆除。我國普遍采用土石圍堰。若土石圍堰的地基滲透性大（如砂卵石地基），則難以控制地基的滲漏量。而采用塑性混凝土進(jìn)行圍堰工程的地基防滲，能夠取得較好的防滲效果。在小浪底工程建設(shè)中，為了縮短工期，并達(dá)到較好的抗?jié)B要求，上游圍堰右岸部分長239．41 m、總面積13 762 m2采用塑性混凝土連續(xù)防滲墻體，取得巨大的成功［12］。該塑性混凝土防滲墻穿越的壩基內(nèi)河岸堆積物主要是沙卵石、沙層及堆積塊石和坡積土層，河床覆蓋層厚度為40～70 m，其滲透差異性很大。此工程采用塑性混凝土不僅實現(xiàn)了“高強度、低彈性模量”的預(yù)期目的，還提前了工期，而且防滲效果良好。北京十三陵蓄能電站進(jìn)水口圍堰的防滲墻，福建省的水口水電站上下游圍堰，山西冊田水庫副壩、隔河巖水電站圍堰，湖北三峽二期圍堰、紫坪鋪水利樞紐上游圍堰、向家壩水電站一期圍堰，云南里底水電站一期圍堰，山東東平湖圍堰等都成功采用塑性混凝土防滲墻技術(shù)［13～14］，并且取得了顯著的效果。

3．2 壩基混凝土防滲墻

常規(guī)混凝土防滲墻的彈性模量較高，在荷載作用下，極限變形較小，導(dǎo)致墻體不能與地基協(xié)調(diào)變形，出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得防滲墻出現(xiàn)破壞，尤其在高壩深墻中，表現(xiàn)得更為明顯。這無疑給水利工程的正常運行造成巨大的威脅。塑性混凝土防滲墻具有彈性模量低、極限應(yīng)變大的優(yōu)異性能，使得墻體能與地基協(xié)調(diào)變形，墻體應(yīng)力降低，從而大大提高了防滲墻運行的可靠性。尤其在地震區(qū)，應(yīng)用塑性混凝土防滲墻作為永久防滲工程，更能顯示其巨大的優(yōu)越性。如山西省冊田水庫大壩曾經(jīng)受6．1級強烈地震，震中位于距大壩下游3 km的堡村，大壩震害嚴(yán)重，在除險加固中，采用了塑性混凝土防滲墻方案，解決了下游出現(xiàn)的陰濕區(qū)域問題，運行情況良好［14］。另外，內(nèi)蒙古的綽勒水電樞紐壩基防滲墻、廣西的風(fēng)亭和水庫主壩壩基防滲墻、湖北省隨州兩河口水庫大壩壩基防滲墻、山西省張峰水庫壩基防滲墻等都采用塑性混凝土防滲墻，并取得巨大的成功［15］。

3．3 病險水庫除險加固

建國后，我國修建了大量的土石壩，歷經(jīng)幾十年的運行，如今大都進(jìn)入了“老齡化”階段，對病險水庫大壩進(jìn)行除險加固已成為當(dāng)前水利行業(yè)亟待解決的問題。在處理涉及滲透破壞的大壩時，常用的方法有混凝土截水槽、劈裂灌漿、充填灌漿、帷幕灌漿、高壓噴射灌漿等。在這些灌漿法中，采用塑性混凝土灌漿技術(shù)既能滿足結(jié)構(gòu)的強度、剛度及抗?jié)B性要求，又可以節(jié)約水泥及鋼筋用量，縮短工期，降低加固費用。如浙江省長潭水庫壩上游基礎(chǔ)加固、貴州省都勻市綠茵湖水庫大壩加固、湖北省蘄春大同水庫加固、山東日照水庫加固、甘肅省酒泉市五一水庫加固、江西省竹坑水庫加固、浙江省杭州市青山水庫加固、遼寧省大河水庫加固等一大批大中型水庫除險加固都采用塑性混凝土壩體防滲加固技術(shù)，取得了良好的效益［15］。

此外，幾十年以來，塑性混凝土防滲技術(shù)不但在壩體、壩基防滲、險壩除險加固、施工圍堰、壩后擋土、隧洞出口、溢洪道下游防沖加固、堤壩防滲中普遍使用，而且在海港、碼頭、地下交通、高層建筑基礎(chǔ)工程中也得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

4 結(jié)語

（1）塑性混凝土具有強度低、彈性模量低、抗?jié)B性能好、工作性能好、便于施工等優(yōu)異性能。使用它澆筑防滲墻，不僅更好地適應(yīng)地基變形、滿足強度要求，還便于機械化施工，從而縮短工期，降低工程投資。

（2）水膠比、水泥用量、沙率、膨潤土用量、黏土用量等因素是影響塑性混凝土物理力學(xué)性能（強度、彈性模量、滲透系數(shù)等）以及工作性能的關(guān)鍵因素。在進(jìn)行塑性混凝土配合比設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)各種因素對塑性混凝土性能的影響規(guī)律，結(jié)合已有研究和實際應(yīng)用成果，配制適合工程需要的塑性混凝土。

（3）塑性混凝土以其優(yōu)越的性能，開拓了廣泛的應(yīng)用空間，已經(jīng)在壩體壩基防滲、病險土石壩除險加固、施工圍堰防滲、提防防滲、人造水域防滲等水利工程和地下交通工程防滲、高層建筑地基防滲工程等領(lǐng)域廣泛使用，并取得巨大的成功。

（4）目前，國內(nèi)外尚無專門針對塑性混凝土的試驗規(guī)程和設(shè)計、施工規(guī)范。所以，應(yīng)進(jìn)一步更加系統(tǒng)地開展塑性混凝土理論研究試驗，收集、積累更多切合工程實際的塑性混凝土工程應(yīng)用成果，這是今后科研人員和工程技術(shù)人員的一項長期任務(wù)。

［1］王天星．混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應(yīng)用研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

［2］秘金印．防滲墻混凝土力學(xué)性能及抗?jié)B性能研究［D］．楊陵：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013．

［3］王迎春，李家正．三峽工程二期圍堰防滲墻塑性混凝土特性［J］．長江科學(xué)院院報，2001，18（1）：31－34．

［4］張雷順，湯俊杰．塑性混凝土抗?jié)B性能研究［J］．混凝土，2010，24（2）：1－3．

［5］何潤芝，何麗娟．防滲墻地彈塑性混凝土的試驗研究與應(yīng)用［J］．混凝土，2006（9）：7－10．

［6］朱偉兵，季建．塑性混凝土性能及工程應(yīng)用研究［J］．四川水力發(fā)電，2009，10（2）：112－115．

［7］高丹盈，胡良明．水泥用量對塑性混凝土強度的影響［J］．水利水電技術(shù)，2008，9（3）：56－58．

［8］HU Liangming，Gao Danying．Analysis Of The InfluenceofLongCuringAgeonTheCompressive Strength of Plastic Concrete［J］．Advanced Research on AdvancedStructureMaterialsandEngineering，2012（1）：200－203．

［9］丁國慶，蔣林華．膨潤土種類及摻量對塑性混凝土性能的影響［J］．水利水電科技進(jìn)展，2011，4（2）：34－37．

［10］王四巍，李小超．膨潤土及水泥用量對塑性混凝土變形及破壞特征的影響［J］．硅酸鹽學(xué)報，2014，42（1）：33－37．

［11］李楊，宋帥奇．組分材料用量對塑性混凝土性能的影響［J］．河南城建學(xué)院學(xué)報，2012，5（2）：1－4．

［12］李文林．塑性混凝土防滲墻技術(shù)綜述［J］．水利水電工程設(shè)計，1995，8（3）：54－55．

［13］劉志紅．簡述塑性混凝土防滲墻在水利水電工程中的應(yīng)用［J］．水利技術(shù)監(jiān)督，2000（1）：11－15．

［14］付超云．窄口水庫塑性混凝土及其防滲墻滲透性分析［D］．鄭州：鄭州大學(xué)，2009．

［15］孫萬功，范建華．塑性混凝土防滲墻在地震區(qū)大壩中的應(yīng)用［J］．水電能源科學(xué)，2000，6（18）：28－30．

[責(zé)任編輯 楊明慶]

TV431

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．005

2016-06-21

張亞坤（1983-），男，講師，河南寶豐人，主要從事高校水利專業(yè)教學(xué)與研究工作，研究方向為水工新材料及其結(jié)構(gòu)性能。