水泥摻量對含紅粘土塑性混凝土性能影響試驗研究

李利峰，韓六平，張曉虎，鄧慧琳

(1.貴州工程應用技術學院 a.土木建筑工程學院；b.理學院，貴州 畢節(jié) 551700)

塑性混凝土是一種由黏土、膨潤土、水泥、砂、石子和水等原材料經(jīng)過攪拌、澆筑、凝結而形成的介于土與普通剛性混凝土之間的柔性工程材料。[1-3]塑性混凝土較低的滲透系數(shù)使其具有良好的防滲性能，變形能力大造就其優(yōu)良的耐久性能。[4]自20世紀50年代塑性混凝土問世以來，在水利工程領域，防滲墻加固技術得到廣泛應用。[2][5][6]紅粘土是分布在我國貴州、廣西、云南、湖南和江西等南方區(qū)域較常見的粘土[7]，近年來大量應用在塑性混凝土中[8-10]。針對紅粘土對塑性混凝土的影響，學者們做了大量的工作。[11-13]吳福飛等為了探究低液限紅粘土對混凝土和易性及力學性能的影響，采用低液限紅粘土、碎石、機制砂制備塑性混凝土，探討?zhàn)ね翐搅颗c水灰比對混凝土和易性、抗壓強度、劈裂強度、彈性模量的影響。[5]李續(xù)楠等利用ABAQUS有限元模擬軟件，對黏土斜墻土石壩進行有限元分析，探究壩基中紅粘土塑性混凝土防滲墻對覆蓋層影響的變化規(guī)律。[11]]李談談采用3個系列15組配合比，通過進行塑性混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、彈性模量及滲透系數(shù)試驗，對比研究紅粘土及水泥摻量對塑性混凝土性能的影響。[13]紅粘土的組成成分以及力學性質具有顯著的地區(qū)差異性，因此本文通過室內實驗，研究貴州畢節(jié)地區(qū)水泥含量對含紅粘土塑性混凝土基本力學性質的影響，這對于貴州畢節(jié)地區(qū)含紅粘土塑性混凝土的利用和發(fā)展具有重要意義。

1 試驗準備與設計

1.1 原材料準備[14]

(1)水泥

采用畢節(jié)賽德水泥廠生產的普通硅酸鹽42.5級袋裝水泥，其主要力學指標符合中華人民共和國標準（GB175-2007）相關規(guī)定要求。

(2)粘土

采用倒天河水庫旁邊坡粘土，該土為粉質粘土。選用紅粘土需經(jīng)過曬干、粉碎、磨細并用5mm篩孔的篩子篩過。

(3)骨料

細骨料：采用工程所用砂料，含泥量小于3.0%，細度模數(shù)為2.8，屬中砂；粗骨料：采用5～20mm的連續(xù)級配碎石。

(4)膨潤土

采用靈壽縣瑪琳礦產品加工廠生產的鈉基膨潤土。

1.2 塑性混凝土各項性能指標試驗方法

本次塑性混凝土測試的主要指標有坍落度與擴散度、彈性模量、滲透系數(shù)、抗壓強度（28d）、抗拉強度（28d）。[15]測量方法和試樣的制作參照最新的《水工塑性混凝土試驗規(guī)程》(DL/T5303-2013)的相關規(guī)定。坍落度與擴散度在塑性混凝土拌合結束后即可按照相關要求測定。彈性模量每組制作3個有效試件，試件為直徑150mm，高300mm的圓柱體。滲透系數(shù)每組制作6個有效試件，試塊采用上口直徑175mm，下口直徑185mm，高150mm的圓臺形試塊。塑性混凝土立方體抗壓強度采用邊長為150mm的立方體試件，本次實驗僅測定28天抗壓強度，每組3塊。抗拉強度采用立方體劈裂實驗進行測定，試件尺寸同樣采用邊長為150mm的立方體試件，每組3塊。

1.3 配合比設計

塑性混凝土的水膠比通?？刂圃?.8-1.0，濕密度一般在2000-2200kg/m3，砂率為50%左右，膨潤土常用的摻量50-70kg/m3。[16,17]本次實驗水膠比為1.0，濕密度2000kg/m3，砂率為50%，膨潤土摻量為50kg/m3。由于本次實驗是研究水泥含量對含紅粘土塑性混凝土性能的影響，參考相關文獻，本次試驗采用正交試驗的方法進行實驗設計：紅粘土的含量設計6個含量，分別為0kg/m3、40kg/m3、80kg/m3、120kg/m3、160kg/m3和200kg/m3。水泥的含量設計6個含量，分別為100kg/m3、120kg/m3、140kg/m3、160kg/m3、180kg/m3和200kg/m3。試驗配比設計36種配合比，其具體方案如下表1所示：

表1 含紅粘土的塑性混凝土配合比參數(shù)表（單位：kg）

S 1 4 0 8 S 1 6 0 8 S 1 8 0 8 S 2 0 0 8 S 1 0 1 2 S 1 2 1 2 S 1 4 1 2 S 1 6 1 2 S 1 8 1 2 S 2 0 1 2 S 1 0 1 6 S 1 2 1 6 S 1 4 1 6 S 1 6 1 6 S 1 8 1 6 S 2 0 1 6 S 1 0 2 0 S 1 2 2 0 S 1 4 2 0 S 1 6 2 0 S 1 8 2 0 S 2 0 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 8 0 8 0 8 0 8 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 7 0 2 9 0 3 1 0 3 3 0 2 7 0 2 9 0 3 1 0 3 3 0 3 5 0 3 7 0 3 1 0 3 3 0 3 5 0 3 7 0 3 9 0 4 1 0 3 5 0 3 7 0 3 9 0 4 1 0 4 3 0 4 5 0 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 5 4 5 5 2 5 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 5 4 5 5 2 5

表1中按塑性混凝土的試驗方案的編號排序。其編號規(guī)則按照水泥和紅粘土的含量編號，如S1412中，S表示試樣，14表示水泥的含量為140kg/m3，12表示紅粘土的含量為120kg/m3，其他類推。

1.4 試驗設備的選擇以及相關參數(shù)的確定

本次試驗設備和相關參數(shù)的測定方法嚴格按照《水工塑性混凝土試驗規(guī)程》(DL/T5303-2013)的相關規(guī)定進行選擇。塌落度和擴散度采用如圖1所示的塌落度筒并配合鋼尺來測定，塌落度筒上口直徑100mm，下口直徑200mm，高度300mm，豎向塌落度值和擴散后的直徑精度不小于1mm。彈性模量采用如圖2所示的直徑150mm，高300mm的圓柱模具?？?jié)B模具如圖3所示，150mm的立方體模具如圖4所示。為防止水分蒸發(fā)，試塊成型后用塑料薄膜覆蓋，在20℃的室溫內放置3天后編號，然后放進如圖5所示的YH-40B恒濕養(yǎng)護箱進行塑性混凝土養(yǎng)護。

圖1 塌落度筒

圖2 彈性模量測試模具

圖3 抗?jié)B試塊模具

圖4 立方體模具

圖5 YH-40B恒溫恒濕養(yǎng)護箱

圖6 DYE-1000型電液式壓力試驗機

圖7 HS-4型混凝土滲透儀

塑性混凝土立方體抗壓強度、立方體劈裂實驗和彈性模量采用圖6所示的DYE-1000型電液式壓力試驗機。為防止試驗時水分的丟失，試驗前各試塊均需用濕布覆蓋。試驗前要復核試件尺寸，實測尺寸和公稱尺寸不得大于1mm，并對不規(guī)則處進行適當打磨。參考最新試驗規(guī)定，立方體抗壓強度可按下式計算[15]：

測定塑性混凝土的劈裂抗拉強度時的方法與立方體抗壓強度相似，只需在上下板與立方體試塊的中間部位墊上墊條，墊條為5mm＊5mm＊200mm的鋼制長方體方條，劈裂強度按下式計算[15]：

本次塑形混凝土抗壓彈性模量采用圓柱體的試塊進行，由于前面進行了立方體抗壓強度，本文中沒有列出軸心抗壓強度。彈性模量根據(jù)水工塑性混凝土試驗規(guī)程，按以下式子計算

抗?jié)B試驗采用如圖7所示的HS-4型混凝土滲透儀，水壓一次性加到0.8MPa，當有試件斷面出現(xiàn)滲水時實驗停止，此時試件的滲水高度即為試件高度，滲透時間即為自試驗開始持續(xù)至結束的時間。[15]滲透系數(shù)的計算公式如下：

2 試驗結果分析

按照本文設計的配合比和養(yǎng)護標準制備塑性混凝土試樣并根據(jù)《水工塑性混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5303-2013)的相關規(guī)定進行不同配合比塑性混凝土的坍落度與擴散度、彈性模量、滲透系數(shù)、抗壓強度（28d）和抗拉強度（28d）的性能參數(shù)的嚴格測定，得到如表2所示的實驗數(shù)據(jù)：

表2 不同配合比的含紅粘土塑性混凝土性能參數(shù)表

S 2 0 1 2 S 1 0 1 6 S 1 2 1 6 S 1 4 1 6 S 1 6 1 6 S 1 8 1 6 S 2 0 1 6 S 1 0 2 0 S 1 2 2 0 S 1 4 2 0 S 1 6 2 0 S 1 8 2 0 S 2 0 2 0 1 6.9 1 9.5 1 8.7 1 8.6 1 8.3 1 7.3 1 6.3 1 8.8 1 8.0 1 8.0 1 7.7 1 6.6 1 5.7 3 0.9 3 3.8 3 2.1 3 2.1 3 1.2 2 9.2 2 9.0 3 3.5 3 2.3 3 1.8 3 0.0 2 8.4 2 8.4 1 6 5 8 1 6 3 4 5 7 1 0 5 6 1 3 0 7 1 5 2 2 1 6 7 1 1 3 8 3 7 4 9 3 7 1 2 1 1 1 4 2 1 1 6 2 4 7.3 2 1.2 1 1.2 6 2.7 7 4.4 5 5.3 2 6.3 8 1.1 1 1.1 0 2.7 4 3.2 1 4.5 0 6.0 7 0.7 4 0.1 4 0.1 3 0.3 0 0.4 5 0.5 4 0.6 5 0.1 3 0.1 1 0.2 9 0.3 4 0.4 6 0.6 2 0.1 2 2 0.5 1 4 0.3 6 3 0.2 6 5 0.2 0 9 0.1 4 4 0.1 0 9 0.4 3 1 0.3 4 6 0.2 5 5 0.1 5 4 0.0 9 1 0.0 2 1

2.1 水泥摻量對塑性混凝土施工性能的影響

流動性和粘聚性是塑性混凝土工作性能中最重要的兩個方面，流動性和粘聚性的測定方法目前采用的為坍落度和擴散度。根據(jù)表2中的測定的坍落度和擴散度的實驗數(shù)據(jù)，6種紅粘土含量的含紅粘土塑性混凝土坍落度和擴散度隨紅粘土水泥含量變化曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9中可以看出，隨著水泥含量以每次20kg/m3分六級從100kg/m3到200kg/m3的變化，含不同數(shù)量紅粘土的塑性混凝土的塌落度和擴散度均逐漸降低，其變化趨勢相同，基本上隨著水泥含量的增加呈線性關系減少。水泥含量增加100%，塌落度和擴散度減少約15%。與塌落度相比，擴散度數(shù)據(jù)的離散型比塌落度的數(shù)據(jù)大。

圖8 塌落度隨水泥含量變化圖

圖9 擴散度隨水泥含量變化圖

2.2 水泥摻量對含紅粘土塑性混凝土彈性模量的影響

彈性模量是衡量塑性混凝土變形性能的重要指標，根據(jù)立方體靜力抗壓彈性模量測定試驗數(shù)據(jù)（見表2），彈性模量隨水泥紅粘土含量變化如圖10所示。

圖10 彈性模量隨水泥含量變化圖

從圖10中可以看出，不同紅粘土含量的塑性混凝土彈性模量受水泥含量影響的趨勢基本相同。水泥含量為100 kg/m3，彈性模量最小。水泥含量為200kg/m3，彈性模量最大。塑性混凝土的彈性模量隨著水泥含量的增加而增加，水泥含量增加1倍，彈性模量增加3.5倍。由此可見，水泥含量將增加混凝土的彈性模量，降低塑性混凝土的塑性。

2.3 水泥摻量對含紅粘土塑性混凝土強度的影響

抗壓和抗拉強度是衡量塑性混凝土承載和抗破壞性能的指標。本次測定的是150mm的立方體試塊經(jīng)28天標準養(yǎng)護的抗壓強度和劈裂抗拉強度。根據(jù)表2測定的實驗數(shù)據(jù)，紅粘土含量為0kg/m3、40kg/m3、80kg/m3、120kg/m3、160kg/m3和200kg/m3的塑性混凝土抗壓和抗拉強度隨水泥含量變化的曲線如圖11和圖12所示。

圖11 抗壓強度（28d）隨水泥含量變化圖

圖12 抗拉強度（28d）隨水泥含量變化圖

從圖11和圖12變化曲線中可以看出，塑性混凝土的抗壓強度（28d）和劈裂抗拉強度（28d）隨著水泥含量的增加均增加。在不同紅粘土含量的塑性混凝土中表現(xiàn)的趨勢基本相同。抗壓強度（28d）和劈裂抗拉強度（28d）從水泥含量100g/m3增加到120g/m3時變化幅度較小，后期從120g/m3到200 g/m3變化幅度較大。結合表2中的具體實驗數(shù)據(jù)的大小從整體分析來看，水泥含量對強度的影響大概為水泥含量增加1倍，塑性混凝土的強度（含抗壓強度和抗拉強度）增加1倍。6種紅粘土含量的塑性混凝土（0g/m3、40g/m3、80g/m3、120g/m3、160g/m3、和200g/m3）表現(xiàn)趨勢基本相同。對比圖11和圖12可以看出，兩者數(shù)據(jù)離散具有相同的趨勢，離散方向相同。對比表2中抗壓和抗拉強度數(shù)值可以看出，抗拉強度的數(shù)值為抗壓強度0.09～0.11倍，數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。

2.4 紅粘土摻量對塑性混凝土滲透系數(shù)的影響

滲透系數(shù)是塑性混凝土應用在水利工程中的關鍵參數(shù)，水利工程要求塑性混凝土具有較低的滲透系數(shù)。水泥含量對6種含紅粘土塑性混凝土滲透系數(shù)影響趨勢如圖13所示。

圖13 滲透系數(shù)隨水泥含量變化圖

從圖13所示曲線變化趨勢中可知，水泥含量從100 kg/m3增加到200 kg/m3，含紅粘土塑性混凝土的滲透系數(shù)逐漸降低。6種紅粘土含量的塑性混凝土中，紅粘土含量越大，滲透系數(shù)增加幅度越大。因此塑性混凝土的滲透系數(shù)隨著水泥含量的增加呈線性關系減少。在研究范圍內水泥含量增加1倍，滲透系數(shù)減少50%。由此可見，相同的紅粘土含量的塑性混凝土中摻入水泥能夠減少塑性混凝土的滲透性，改善塑性混凝土的抗?jié)B性。

3 結論

本文通過對比在不同水泥含量下6種含紅粘土塑性混凝土的坍落度、擴散度、抗壓強度、抗拉強度、滲透系數(shù)以及彈性模量的實驗數(shù)據(jù)可知，同種含紅粘土塑性混凝土中隨著水泥含量的增加，塑性混凝土坍落度與擴散度均呈線性關系逐漸減少，而彈性模量隨著水泥含量的增加而線性增加?？箟簭姸群涂估瓘姸入S著水泥含量的增加而增加，前期水泥含量從100g/m3增加到120g/m3時變化幅度較小，后期從120g/m3增加到200g/m3時變化幅度較大。同種含紅粘土塑性混凝土的滲透系數(shù)隨著水泥含量的增加呈線性關系減少。在本文的研究范圍內，從量化方面考慮，水泥含量增加100%，塌落度和擴散度減少約15%，彈性模量余額增加3.5倍，抗壓強度和抗拉強度均增加1倍，而滲透系數(shù)減少50%。