塑性混凝土在水電工程中的應(yīng)用及相關(guān)問(wèn)題探討

陳 仁 峰

(四川省能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

1 概 述

塑性混凝土是用膨潤(rùn)土、粘土等摻和料取代普通混凝土中的水泥用量，經(jīng)攪拌、澆筑凝結(jié)而成的具有低強(qiáng)度、低彈模和大應(yīng)變的防滲材料。塑性混凝土從二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始應(yīng)用到防滲墻工程中，在國(guó)內(nèi)防滲工程中的應(yīng)用已有近四十年的歷史。塑性混凝土的主要優(yōu)勢(shì)在于其彈性模量低、極限變形大，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)，克服了剛性混凝土變形能力小，易造成應(yīng)力集中、易產(chǎn)生裂縫的缺點(diǎn)，作為一種相對(duì)廉價(jià)、良好的防滲材料較廣泛地應(yīng)用于各種工程的防滲體中。

2 塑性混凝土具有的特性

2.1 塑性混凝土的優(yōu)良性能

與剛性防滲墻相比，塑性混凝土的優(yōu)良性能主要體現(xiàn)如下：

(1)具有極低的變形模量。通過(guò)調(diào)整配合比，其變形模量可在較大范圍內(nèi)變化。

(2)其性質(zhì)介于土與混凝土之間，具有與土層形態(tài)非常相似的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以選擇與周圍土層應(yīng)力應(yīng)變曲線相吻合的塑性混凝土配合比。

(3)塑性混凝土在無(wú)側(cè)限條件下的極限應(yīng)變超過(guò)1%，比普通混凝土(0.08%～0.3%)大幾倍甚至幾十倍，能隨堰體一起變形，墻體內(nèi)部應(yīng)力小。

(4)在三向受力條件下，塑性混凝土的強(qiáng)度有一定的提高，極限應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)更大，意味著隨著圍壓的增加，塑性混凝土的強(qiáng)度亦增加了、隨堰體變形的能力增強(qiáng)了，防滲墻的安全度得以提高。三峽工程二期圍堰塑性混凝土不同圍壓(σ3)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 不同圍壓(σ3)下的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系圖

2.2 塑性混凝土性能的微觀分析

塑性混凝土具有上述優(yōu)良性能的主要原因是其摻入了膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土的礦物組成主要為蒙脫石，一般含量達(dá)80%以上，其次為石英，方解石含量較少。膨潤(rùn)土細(xì)顆粒硬化后會(huì)形成含有許多缺陷和空隙的多相非均質(zhì)復(fù)合材料。當(dāng)承受荷載時(shí)，其缺陷和空隙閉合，因而塑性混凝土比普通混凝土變形要大得多，彈性模量亦低得多。

從微觀結(jié)構(gòu)看，膨潤(rùn)土具有復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成，這一特殊的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的離子交換性和吸水膨脹性。另外，由于其結(jié)構(gòu)中Al3-可被Mg2+所取代，從而使每一層復(fù)網(wǎng)層并不呈現(xiàn)電中性，而是帶負(fù)電荷，導(dǎo)致略帶正電荷的水化正離子易于進(jìn)入；又因水的極化和氫鍵作用，水亦進(jìn)入層間，使其產(chǎn)生膨脹。因此，塑性混凝土在滲水壓力的作用下具有較好的吸水膨脹性能，從而具備良好的抗?jié)B性。

2.3 影響因素

總體來(lái)看，水泥用量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度、彈模的影響為正相關(guān)關(guān)系，即水泥用量越高，混凝土強(qiáng)度、彈模越高；膨潤(rùn)土用量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度、彈模的影響為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即膨潤(rùn)土用量越高，混凝土強(qiáng)度、彈模越低。為此，需要找到一個(gè)合適的點(diǎn)，進(jìn)而保證混凝土強(qiáng)度、彈模滿足工程要求。

(1)膨潤(rùn)土對(duì)混凝土性能的影響。

從塑性混凝土的組成材料和作用機(jī)理看，其材料的組合和作用機(jī)理與普通混凝土不一樣，在性能上表現(xiàn)為彈、塑、粘性，其力學(xué)性能主要受膠凝材料的影響。

《水利水電工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》(DL/T5199-2004)將膨潤(rùn)土作為膠凝材料。相關(guān)試驗(yàn)成果表明：膨潤(rùn)土作為膠凝材料，膨潤(rùn)土每m3混凝土用量不同時(shí)，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比為非線性關(guān)系(圖2)。當(dāng)膨潤(rùn)土每m3混凝土用量相同時(shí)，不將膨潤(rùn)土作為膠凝材料，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比相關(guān)性較好(圖3)。

圖2 塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比關(guān)系圖(膨潤(rùn)土作為膠凝材料)

(2)引氣劑對(duì)彈性模量的影響。

試驗(yàn)證明：當(dāng)適當(dāng)、均勻地引入微氣泡，對(duì)降低塑性混凝土的彈性模量具有較好的效果(圖4)。但混凝土含氣量過(guò)大時(shí)，對(duì)塑性混凝土的強(qiáng)度影響較大。

圖3 塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比關(guān)系圖(膨潤(rùn)土用量相同)

圖4 含氣量對(duì)塑性混凝土初始切線模量影響圖

3 常用的設(shè)計(jì)指標(biāo)及配合比

由于對(duì)塑性混凝土的系統(tǒng)研究還不夠深入，目前的塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)基本參照三峽等大型工程的指標(biāo)確定。國(guó)內(nèi)部分大型水電工程采用的塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)部分大型水電工程圍堰防滲墻塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)表

注：除此以外，大部分水電工程塑性混凝土要求為自密實(shí)，坍落度一般為200～240 mm，部分工程對(duì)1～1.5 h后的坍落度以及凝結(jié)時(shí)間有要求。

國(guó)內(nèi)部分工程采用的塑性混凝土配合比見(jiàn)表2。

4 施工質(zhì)量控制

混凝土防滲墻的施工質(zhì)量主要包括成槽質(zhì)量控制、嵌巖深度質(zhì)量控制、清孔質(zhì)量控制。槽孔清孔換漿經(jīng)檢查合格后，在4 h內(nèi)開(kāi)澆混凝土，澆筑混凝土一般采用直升導(dǎo)管法。

表2 國(guó)內(nèi)部分工程防滲墻采用的塑性混凝土配合比表

施工質(zhì)量控制除了控制混凝土的拌和、澆筑質(zhì)量外，還包括墻身質(zhì)量檢查。

(1)嚴(yán)格控制稱量偏差。

(2)合理確定拌和時(shí)間以保證混凝土的均勻性、和易性，必要時(shí)通過(guò)試驗(yàn)確定拌和時(shí)間。

(3)混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行, 泵送能力大于最大澆筑強(qiáng)度，以保證泵至槽口的混凝土具有良好的和易性。

(4)導(dǎo)管埋入混凝土的深度不小于1 m，不大于6 m；混凝土面應(yīng)均勻上升，各處高差應(yīng)控制在0.5 m以內(nèi)。

(5)墻身質(zhì)量檢查的內(nèi)容包括墻體的均勻性、可能存在的缺陷和墻段接縫。檢查常采用無(wú)損檢測(cè)和鉆孔取芯方法。無(wú)損檢測(cè)常用的方法有彈性波CT 技術(shù)、垂直反射法、層析成像法等，需根據(jù)實(shí)際情況選擇。使用鉆孔取芯法一方面檢查墻體材料的均勻、完整情況以及有無(wú)孔洞、夾泥和混漿等質(zhì)量問(wèn)題；另一方面通過(guò)芯樣檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形模量、抗?jié)B等級(jí)或滲透系數(shù)等物理力學(xué)性能指標(biāo)。

5 相關(guān)問(wèn)題探討

目前，國(guó)內(nèi)大部分工程的塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)主要參照以往大型水電工程的指標(biāo)與經(jīng)驗(yàn)。另外，由于對(duì)塑性混凝土的研究不像普通水工混凝土那樣系統(tǒng)、深入，試驗(yàn)方法還有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。筆者根據(jù)多年從事塑性混凝土試驗(yàn)與施工取得的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以下問(wèn)題提出了具體的建議，供探討。

(1)關(guān)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

①抗壓強(qiáng)度。

三峽工程二期圍堰防滲墻設(shè)計(jì)要求其抗壓強(qiáng)度為4～5 MPa，而三峽工程二期圍堰防滲墻最大墻高為74 m。根據(jù)三峽工程二期圍堰、錦屏一級(jí)水電站圍堰等工程應(yīng)力變形有限元分析成果看，其堰體應(yīng)力水平較低，且基本為壓應(yīng)力。而國(guó)內(nèi)目前很多工程的圍堰防滲墻高度比三峽工程低得多，但其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)甚至高于三峽工程，偏于保守。

②彈性模量。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)塑性混凝土的彈性模量要求一般為兩種：一種是以三峽工程為代表的初始切線模量，另一種為彈性模量，限定值一般在1 500 MPa以內(nèi)。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同一試件初始切線模量要低于彈性模量，且彈性模量要控制在1 500 MPa以內(nèi)很困難。塑性混凝土彈性階段之后的塑性變形較大，在有圍壓(即三向受力)的情況下其極限應(yīng)變更大，因此，從充分利用塑性混凝土特性(塑性變形)的角度考慮，對(duì)彈性模量的限定可適當(dāng)放寬。

③抗?jié)B能力。

國(guó)內(nèi)塑性混凝土的抗?jié)B能力一般對(duì)滲透系數(shù)有要求，少量工程對(duì)抗?jié)B等級(jí)有要求。由于塑性混凝土強(qiáng)度低，若按普通混凝土抗?jié)B等級(jí)試驗(yàn)方法測(cè)試抗?jié)B等級(jí)容易導(dǎo)致試件破壞，且抗?jié)B等級(jí)W1混凝土滲透系數(shù)為3.91×10-8cm/s，抗?jié)B等級(jí)W2混凝土滲透系數(shù)為1.96×10-8cm/s。國(guó)內(nèi)塑性混凝土滲透系數(shù)普遍要求

(2)關(guān)于塑性混凝土的試驗(yàn)方法。

水工塑性混凝土已有相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL/T 5303-2013)》，對(duì)塑性混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)及取值進(jìn)行了規(guī)定。

①?gòu)椥阅Ａ吭囼?yàn)方法。

《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定彈性模量測(cè)試的標(biāo)距為整個(gè)試件的長(zhǎng)度(即300 mm)，經(jīng)過(guò)不少于三次預(yù)壓，測(cè)試20%至40%應(yīng)力之間的彈性模量?？紤]到端面約束對(duì)混凝土變形能力的影響，筆者建議參照普通混凝土彈模試驗(yàn)取中部150 mm作為測(cè)量標(biāo)距。

②抗?jié)B試驗(yàn)方法。

由于塑性混凝土強(qiáng)度低，故國(guó)內(nèi)目前大部分將其強(qiáng)度控制在4～5 MPa。使用水工混凝土上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高150 mm的截頭圓錐體進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試件底部水壓力為0.8 MPa時(shí)，試模側(cè)面對(duì)塑性混凝土試件的壓力已大大超過(guò)5 MPa，進(jìn)而導(dǎo)致試件受壓破壞，而不是產(chǎn)生滲透破壞。筆者建議：降低試驗(yàn)水壓力或采用其他方式進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。

(3)關(guān)于是否選用引氣劑。

引氣劑在混凝土中起到的作用是明顯的。在塑性混凝土中摻加引氣劑，可以改善塑性混凝土拌和物的和易性、提高塑性混凝土的耐久性能、降低塑性混凝土的彈性模量。不同工程摻用引氣劑對(duì)降低塑性混凝土彈性模量的幅度存在較大差異，但總體來(lái)看，摻引氣劑后塑性混凝土的性能更有優(yōu)勢(shì)，因此，筆者建議在工程中宜使用引氣劑。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)水電工程塑性混凝土的應(yīng)用已較普遍，但對(duì)其系統(tǒng)性的研究仍較缺乏。隨著研究的逐步深入，塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、施工的經(jīng)驗(yàn)將會(huì)更加豐富，塑性混凝土的應(yīng)用將會(huì)迎來(lái)更廣闊的前景。