膨潤土-水泥-木屑混合物的抗?jié)B性能試驗研究

劉立新， 雷志強， 毛景權(quán)， 王剛， 朱紹勛

(中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410000)

膨潤土具有良好的防滲能力，其可以作為水庫、泥漿護壁、防水毯、盾構(gòu)隧道、垃圾填埋場防滲墻、瀝青道路等結(jié)構(gòu)的防滲材料。為進一步增強膨潤土的防滲性能以及強度，徐超等將膨潤土摻入水泥形成固結(jié)泥漿并通過滲透試驗說明其具有良好的滲透性能；水泥-膨潤土泥漿亦在壩基帷幕、石壩防滲系統(tǒng)、攪拌樁、垃圾填埋場中得到廣泛的應(yīng)用。水泥-膨潤土泥漿不僅具有良好的滲透性，而且具有較高的強度。作為鉆孔灌注樁護壁防滲材料，往往對滲透性要求高，對強度要求不高。從工程造價的角度上看，可以減少水泥的用量來降低水泥-膨潤土泥漿的強度，然而，減少水泥的用量直接導(dǎo)致水泥-膨潤土泥漿滲透系數(shù)的增加，從而不滿足材料的滲透性要求。

該文在水泥-膨潤土固結(jié)體中摻入木屑，探討水泥-膨潤土-木屑混合物的滲透性，進行不同配合比的滲透試驗，研究膨潤土、水泥、木屑三者之間的含量變化以及齡期對滲透系數(shù)的影響，提出不同膨潤土-水泥-木屑混合物配比的適用性。木屑的密度遠低于水泥和膨潤土的密度，止水時灌注體積相同的情況下，木屑所用的質(zhì)量要比水泥和膨潤土所用的質(zhì)量少，由于水泥每噸的價格高于木屑，木屑每噸的價格和膨潤土相近，所以用木屑取代部分水泥和膨潤土，可以降低工程造價，為今后類似工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

水泥-膨潤土-木屑混合物的基本材料是木屑、水泥、膨潤土，此次試驗采用鈉基膨潤土，其基本性能指標如表1所示；水泥采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，其優(yōu)點有耐磨和抗凍性好、早期強度高、干縮小等；木屑采用杉木加工剩下的鋸末粉料，其壓實的密度為0.51 g/cm3，木屑顆粒級配曲線如圖1所示。

表1 膨潤土的基本性能指標

圖1 木屑顆粒級配曲線

1.2 配合比方案

為了解膨潤土、水泥和木屑3種原材料變化對膨潤土-水泥-木屑混合物滲透系數(shù)的影響，控制各組試樣中水的質(zhì)量為固體(膨潤土、水泥、木屑)總質(zhì)量的50%，試驗分為3組，各組配合比如下：

第1組：保持水泥與木屑質(zhì)量不變(水泥質(zhì)量220 g、木屑質(zhì)量90 g)，研究膨潤土含量變化對該混合物滲透系數(shù)的影響，根據(jù)膨潤土為水泥質(zhì)量的1～8倍，確定膨潤土的質(zhì)量，具體配合比如表2所示。

第2組：保持膨潤土與木屑質(zhì)量不變(膨潤土質(zhì)量1 760 g、木屑質(zhì)量90 g)，研究水泥含量變化對該混合物滲透系數(shù)的影響，具體配合比如表3所示。

表2 膨潤土變化的配合比

表3 水泥變化的配合比

第3組：保持水泥與膨潤土質(zhì)量不變(水泥質(zhì)量220 g、膨潤土質(zhì)量1 760 g)，研究木屑含量變化對該混合物滲透系數(shù)的影響，具體配合比如表4所示。

表4 木屑變化的配合比

1.3 試驗方法

由于膨潤土-水泥-木屑混合物的性質(zhì)與硬黏土類似，其滲透系數(shù)較小，所以此次采用變水頭法進行滲透試驗，測定該混合物的滲透系數(shù)。試驗儀器采用TST-55型滲透儀。TST-55型滲透儀由上蓋、底座、套座、環(huán)刀、透水石、螺桿等組成；變水頭裝置由滲透容器、變水頭管、供水瓶、進水管等組成，管徑為0.5 cm，長度為1 m。

試樣尺寸為φ61.8 mm×40 mm(截面面積為30 cm2)。試樣制備時，把水泥、膨潤土、木屑按照相應(yīng)的配合比進行拌和，拌和均勻后裝入涂有凡士林的制樣器中，擠密壓實后把試樣放入飽和器內(nèi)抽氣飽和，各配比制備4組試樣，每組2個試樣。試樣放在標準室內(nèi)分別養(yǎng)護1、7、14和28 d，養(yǎng)護完成后把試樣放入TST-55型滲透儀，把含有透水石、墊圈的上下蓋蓋好，并打開止水夾及進水管夾，排出容器底部的空氣；在測量階段，向玻璃管注水，注水達到一定高度并待其穩(wěn)定后，開啟進水夾，當(dāng)滲透儀出水管的水流出時記錄起始水頭H1，經(jīng)過時間t后，記錄終了水頭H2，反復(fù)測記2～3次后，讓變水頭管水位回升，再測記6次后終止。記錄開始時與終止時的水溫。

運用以上操作步驟測定每組配比試件在4個齡期的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)根據(jù)以下公式求得：

(1)

式中：A為試樣斷面面積；H1為起始水頭；H2為終了水頭；L為試樣長度；t為時間變化量(s)；a為玻璃管斷面面積。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 膨潤土含量變化的滲透特性

根據(jù)式(1)計算得到編號A配合比的滲透系數(shù)，得到膨潤土用量變化對滲透系數(shù)影響圖，如圖2所示。

圖2 膨潤土含量變化對滲透系數(shù)的影響

從圖2可以看出：① 當(dāng)膨潤土的用量為1 100 g以下時，隨著膨潤土用量的增加，混合物滲透系數(shù)逐漸減小；當(dāng)膨潤土的用量為1 320 g以上時，混合物各配合比的滲透系數(shù)隨著膨潤土用量的增加而略有增加；當(dāng)膨潤土的用量從220 g變?yōu)?40 g時，混合物的滲透系數(shù)急劇減小，減小幅度在齡期為1、7、14和28 d時分別為47.48%、87.80%、94.02%、65.31%；② 隨著齡期的增加，混合物的滲透系數(shù)都減小，但是減小的趨勢不同，當(dāng)膨潤土的用量不大于220 g時，混合物的滲透系數(shù)從齡期14 d到28 d的減小幅度最大；當(dāng)膨潤土的用量大于220 g時，混合物的滲透系數(shù)從齡期1 d到7 d的減小幅度最大，7 d齡期以上混合物的滲透系數(shù)變化量很小，趨于穩(wěn)定。

膨潤土的主要成分是蒙脫石，膨潤土水化后表面的負電荷與水泥釋放出的正電荷結(jié)合，使蒙脫石晶體的間距變小，這個過程會產(chǎn)生結(jié)合水，產(chǎn)生的結(jié)合水參與水泥的硬化反應(yīng)形成硬凝產(chǎn)物。同時，水泥水化產(chǎn)生硅酸鈣凝膠，硬凝產(chǎn)物與硅酸鈣凝膠兩者連接膨潤土和水泥顆粒。另外，未反應(yīng)的膨潤土填充于水泥石骨架中，提高了結(jié)構(gòu)的致密性，進而提高防滲性能。

從圖2可知：膨潤土的用量對滲透系數(shù)產(chǎn)生比較大的影響。當(dāng)膨潤土的含量比較低時，膨潤土含量的增加對滲透性的影響較大，因為水泥石骨架不密實，膨潤土可填充于水泥石骨架中，強度比較高，降低了混合物的滲透性能。但是當(dāng)膨潤土用量一直增加并不能有效地降低混合物的滲透性，滲透系數(shù)反而會略有增大。因為當(dāng)膨潤土充滿了水泥石骨架以后，增加的膨潤土并不會與水泥發(fā)生反應(yīng)，而膨潤土的滲透系數(shù)比較大，所以，當(dāng)膨潤土用量過多時，混合物的滲透系數(shù)會略有增大。

圖3 水泥用量變化對滲透系數(shù)的影響

2.2 水泥含量變化的滲透特性

根據(jù)式(1)計算得到編號B配合比的滲透系數(shù)，水泥用量變化對滲透系數(shù)的影響如圖3所示。

由圖3可知：水泥用量越多，混合物的滲透系數(shù)越??；隨著齡期的增加，混合物的滲透系數(shù)逐漸減??；水泥含量高時，齡期對滲透系數(shù)的影響越大，滲透系數(shù)是齡期為1～7 d的減小幅度最大，以后齡期對滲透系數(shù)的影響逐漸減小，直到穩(wěn)定。

從圖3和以上分析可知：水泥含量對滲透系數(shù)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)水泥用量較少時，其產(chǎn)生的水化產(chǎn)物少，水泥石骨架結(jié)構(gòu)剛度比較小，膨潤土填充于其中，降低了滲透性能。隨著水泥含量的增加，水泥水化產(chǎn)物變多，與膨潤土反應(yīng)生成更多的膠凝產(chǎn)物，同時，水泥石骨架剛度比較強，能填充更多的膨潤土，大大降低了混合物的滲透性能。

2.3 木屑含量變化的滲透特性

根據(jù)式(1)計算得到編號C配合比的滲透系數(shù)，木屑用量變化對滲透系數(shù)的影響如圖4所示。

圖4 木屑用量變化對滲透系數(shù)的影響

從圖4可以看出：混合物的滲透系數(shù)隨著木屑用量的增加而增加，然而，當(dāng)木屑用量小于90 g時，木屑用量對滲透系數(shù)基本沒有影響；養(yǎng)護早期混合物的滲透系數(shù)隨養(yǎng)護時間增加而快速減小，齡期7 d以后滲透系數(shù)減小速率變小。

從圖4和以上分析可知：當(dāng)木屑含量比較少時，木屑可能對水泥石骨架有一定的填充作用，雖然填充了水泥石的骨架，但是填充的木屑滲透系數(shù)比較大，所以少量的木屑對滲透系數(shù)影響不明顯。但是當(dāng)木屑的含量增加時，木屑的密實性小和滲透系數(shù)大導(dǎo)致了混合物的滲透系數(shù)隨著木屑含量的增多而逐漸變大，木屑的添加減小了混合物的強度，增大了混合物的滲透系數(shù)。

3 結(jié)論

由膨潤土-水泥-木屑混合物的滲透試驗，得出下列結(jié)論：

(1) 膨潤土-水泥-木屑混合物在4個齡期的滲透系數(shù)都小于5×10-5cm/s，當(dāng)木屑的用量小于90 g時，膨潤土-水泥-木屑混合物的滲透系數(shù)在4個齡期都小于1×10-6cm/s，根據(jù)土的滲透系數(shù)分類，該混合物屬于極低滲透性土。

(2) 膨潤土-水泥-木屑混合物的滲透性受到膨潤土、水泥和木屑的綜合影響。在水泥用量一定時，增加膨潤土用量可以減小滲透系數(shù)，當(dāng)膨潤土含量增加到1 100 g時，繼續(xù)增加膨潤土量對減小混合物的滲透系數(shù)不明顯，反而會增大滲透系數(shù)。該混合物的滲透系數(shù)隨著水泥含量的增加而減小，隨著木屑含量的增加而增大。

(3) 膨潤土-水泥-木屑混合物早期養(yǎng)護時滲透系數(shù)減小速率快，后期養(yǎng)護滲透系數(shù)減小速率慢。

(4) 膨潤土-水泥-木屑混合物滲透性比較低，可作為灌注樁護壁材料以及基坑支護止水的填充材料，可減少水泥和膨潤土的用量，節(jié)約工程成本，具有較高的經(jīng)濟效益。