水利工程防滲用塑性混凝土拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

陳 鐳

(天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院，天津 301630)

隨著近年來(lái)水利投資的增加，各類水利工程建設(shè)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，在這些工程中，如土石壩、水閘、圍堰等工程都需要采取一定的防滲措施。水利工程中廣泛采用混凝土防滲墻來(lái)防滲，早期的混凝土防滲墻主要采用普通混凝土澆筑，其力學(xué)和變形性能與周圍土體存在較大差別，防滲墻頂部會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形和位移，兩側(cè)墻面受土體的側(cè)限，使防滲墻體內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，墻體會(huì)產(chǎn)生裂縫，降低其防滲效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使防滲徹底失效，威脅水利工程的安全。為了解決這些問(wèn)題，將粘土、膨潤(rùn)土等代替混凝土中的部分水泥，與水泥、石子、砂、水等原材料經(jīng)攪拌、澆筑、凝結(jié)成塑性混凝土，它是一種介于土和普通混凝土之間的柔性材料。塑性混凝土與普通混凝土相比，具有彈性模量低、模強(qiáng)比小等特點(diǎn)，并可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，初始模量變化不大，極限應(yīng)變值大，強(qiáng)度會(huì)隨圍壓增大而增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞形式與土料相似，抗?jié)B性能好，變形性能和抗震性能好，造價(jià)低且耐久性好[1- 6]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)塑性混凝土的研究主要是在實(shí)際工程中的應(yīng)用研究，而對(duì)塑性混凝土材料自身的性能方面的研究還較少，國(guó)內(nèi)尚未頒布有關(guān)塑性混凝土的試驗(yàn)規(guī)范，與其相關(guān)的試驗(yàn)仍參考普通混凝土的試驗(yàn)，與實(shí)際情況不甚相同，不能充分體現(xiàn)出其實(shí)際性能[7- 10]。為了充分了解塑性混凝土的拉壓性能，本文對(duì)塑性混凝土的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法、試驗(yàn)結(jié)果的處理，以及不同的水膠比、水泥用量、養(yǎng)護(hù)齡期、膨潤(rùn)土摻量等對(duì)塑性混凝土性能的影響程度進(jìn)行了分析，為今后水利工程中推廣應(yīng)用提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 塑性混凝土的拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 塑性混凝土的配合比設(shè)計(jì)

為使塑性混凝土能與地基土協(xié)調(diào)變形且滿足抗?jié)B要求，同時(shí)需要其有低強(qiáng)度、低彈性模量、大塌落度和大擴(kuò)散度等特性，需要對(duì)塑性混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。由于塑性混凝土中摻入了吸水性較強(qiáng)、分散性較差的膨潤(rùn)土或粘土和需要較大的砂率，需要較大的用水量，且塑性混凝土的水泥用量較少，因此塑性混凝土有著較大的水膠比。查閱有關(guān)資料，結(jié)合本次試驗(yàn)的要求，對(duì)塑性混凝土的配合比設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)做了一些規(guī)定，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 配合比設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)表1的技術(shù)參數(shù)，初步確定了3個(gè)水膠比，進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，并根據(jù)配合比進(jìn)行了試拌和參數(shù)測(cè)定，分別制作了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d和28d的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，在達(dá)到齡期后分別進(jìn)行了試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，確定了適宜的水膠比和塑性混凝土配合比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 塑性混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

1.2 拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果處理

塑性混凝土的抗壓和抗拉性能試驗(yàn)方法按照SL352- 2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄試塊破壞時(shí)的荷載。試驗(yàn)試件根據(jù)要求為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)達(dá)到相應(yīng)齡期的試件，尺寸為標(biāo)準(zhǔn)的150mm×150mm×150mm的塑性混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊。

塑性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(1)

式中，fcu—立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；P—立方體試件破壞時(shí)的荷載，kN；A—立方體試件的承壓面積，mm2。

塑性混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度按照下式計(jì)算：

(2)

式中，fts—立方體劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；P—立方體試件受拉破壞時(shí)的荷載，kN；A—立方體試件受拉時(shí)的承壓面積，mm2。

塑性混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果取值為同一組試件中的3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，需剔除掉與平均值誤差大于±15%的單個(gè)測(cè)值，如果剔除結(jié)果大于1，則需重新進(jìn)行試驗(yàn)，反之取該組試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)整理后的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 塑性混凝土拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 影響塑性混凝土拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)的因素

2.1 水膠比對(duì)拉壓強(qiáng)度的影響

由表3可知：塑性混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大基本呈線性減小的趨勢(shì)，其原因是水膠比越大，水化反應(yīng)后塑性混凝土中自由水越多，在硬化過(guò)程中，隨著自由水的不斷蒸發(fā)，塑性混凝土中空隙增多，進(jìn)而影響了塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度。塑性混凝土抗拉強(qiáng)度隨水膠比的增大也呈線性減小的趨勢(shì)，28d齡期的抗拉強(qiáng)度較7d強(qiáng)度高，增幅大；原因是水膠比越大，塑性混凝土中空隙越多，造成塑性混凝土中膠凝體與骨料之間粘結(jié)較差，進(jìn)而影響了塑性混凝土的抗拉強(qiáng)度。

2.2 水泥用量對(duì)拉壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果中水泥用量與塑性混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，繪制了曲線如圖1所示。

圖1 水泥用量與塑性混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可知：水泥用量越大，塑性混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度均增大，有著較好的線性相關(guān)關(guān)系，其中的原因是：水泥是一種水硬性膠凝材料，隨著水泥摻量的增加，發(fā)生水化反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生更多的C-S-H，形成更多的硬化漿體，使混凝土中膠體強(qiáng)度提高，也使膠凝材料的劈裂抗拉強(qiáng)度提高，進(jìn)而提高了塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但水泥用量需控制在一定范圍內(nèi)。

2.3 其他因素對(duì)拉壓強(qiáng)度的影響

由表3可知：隨著塑性混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有明顯的提高。原因是塑性混凝土硬化過(guò)程的前期，混凝土中的蒙脫石和高嶺土等粘土礦物吸水膨脹，使混凝土強(qiáng)度降低，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土中水分逐漸蒸發(fā)，水化反應(yīng)也逐步完成，產(chǎn)生了更多的C- S- H化學(xué)物質(zhì)，形成更多的硬化漿體，混凝土的固化作用逐漸增強(qiáng)，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有明顯的提高。隨著塑性混凝土中膨潤(rùn)土的摻量增加，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均不斷減小，塑性混凝土中摻入膨潤(rùn)土主要是要降低其彈性模量和提高其防滲能力，其作用機(jī)理是：膨潤(rùn)土中的伊利石、蒙脫石和高嶺土等粘土礦物吸水膨脹，使混凝土的強(qiáng)度降低，特別是蒙脫石的含量越高對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響越大，所以選擇膨潤(rùn)土?xí)r要綜合考慮其中各礦物成分的含量，此外要控制塑性混凝土的強(qiáng)度，膨潤(rùn)土的摻量要控制在一定范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)塑性混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果的處理進(jìn)行研究，進(jìn)一步分析了不同的水膠比、水泥用量、養(yǎng)護(hù)齡期、膨潤(rùn)土摻量等對(duì)塑性混凝土性能的影響程度結(jié)果表明：塑性混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨水膠比的增大基本呈線性減小的趨勢(shì)；水泥用量越大，塑性混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度均增大，有著較好的線性相關(guān)關(guān)系；隨著塑性混凝土中膨潤(rùn)土的摻量增加，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均不斷減??；隨著塑性混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有明顯的提高。

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