基于新材料的水利工程建筑施工加固防滲技術(shù)

徐軍

摘要：近年來隨著大型水利工程建設(shè)的規(guī)劃與興建，水利工程防滲問題逐漸成為研究方向，尋找新材料進(jìn)行防滲處理更是熱點中的熱點。本文介紹了一種新材料—塑性混凝土，通過闡述其定義及結(jié)構(gòu)形式，分析了其防滲優(yōu)勢所在，并結(jié)合某截水墻工程，淺談了作者針對塑性混凝土施工的一些認(rèn)識，并在最后提出了相關(guān)施工技術(shù)改進(jìn)的建議。

關(guān)鍵詞：塑性混凝土;膨潤土;防滲加固

1 塑性混凝土的定義

塑性混凝土是一種以膨潤土或其他黏土礦物取代普通混凝土中部分膠結(jié)材料而形成的柔性材料，與普通混凝土相比具有彈性模量低、極限變形大等優(yōu)點，同時具有較好抗?jié)B透性等特點，通常被應(yīng)用于解決圍堰、土石壩、堤防及人工湖等工程中的滲漏問題，其目的在于通過低滲透系數(shù)防止水的滲透，使水的流線延長，減少水壓造成的上舉力，另與剛性截水墻相比，因柔性截水墻中的塑性混凝土彈性模量需要求與周圍巖土體相差較小，地盤變動時，塑性混凝土與巖土體變形較為一致，能有效避免在截水墻體中出現(xiàn)拉應(yīng)力及較大變形而產(chǎn)生破裂并失去防滲功能。

根據(jù)有關(guān)截水墻材料的規(guī)定，主要需具有以下特性：

1）水密性─滲透系數(shù)k 值需為10-5～10-6cm/s。

2）可變形性─破壞時需有相當(dāng)變形量，材料變形模量（彈性模量）為周圍地層的4～5 倍。

3）強(qiáng)度─強(qiáng)度盡量小，以免降低其變形性。

4）耐久性、耐沖蝕性、可工作性。

2 塑性混凝土的組成

與普通混凝土相比，塑性混凝土的組成除了水、水泥、細(xì)粒料、粗粒料等，還添加了膨潤土或其他黏土礦物。膨潤土的礦物組成主要為蒙脫石，一般含量在80%左右，其化學(xué)成分主要為氧化硅，一般含量在60%左右。因蒙脫石表面微弱吸附許多可交換的陽離子，當(dāng)水分進(jìn)入膨潤土后，為了中和其電荷，再加上蒙脫石晶層間結(jié)合力較弱，水分子可輕易地進(jìn)入到晶層間，而晶體吸水后相互推擠而造成回脹現(xiàn)象，使膨潤土具有吸水量大、膨脹量大的特性，且與水接觸后有填補(bǔ)孔隙的效果。

學(xué)者R.PUSCH 針對較為常見的三種黏土礦物，分別為蒙脫石、高嶺土、伊利石進(jìn)行滲透系數(shù)的測定，得出在相同情況下蒙脫石擁有較低的滲透系數(shù)，即擁有較佳的阻水性能，且隨著試體的單位重及孔隙比不同，滲透系數(shù)約在范圍10-10～10-14 m/s 之間，可見膨潤土的滲透系數(shù)比起一般砂土（10-4m/s）低許多，這也是為何富含蒙脫石礦物的膨潤土?xí)贿x定使用在截水墻塑性混凝土中相當(dāng)主要的原因，采用膨潤土取代混凝土中部分水泥可明顯提高混凝土的韌性與塑性變形外，同時可利用膨潤土其低滲透系數(shù)達(dá)到抗?jié)B的效果。

3 項目概況

以國內(nèi)某水庫大壩工程的連續(xù)墻截水墻為例，其截水墻厚度采用1.0m，深度介于30～55m，總長度為2298.43m，總面積為104931m2，聯(lián)結(jié)四個副壩及一座主壩。為使截水墻具有較佳的變形性，于較大變形量下不發(fā)生破壞，而能維持其截水功能，并根據(jù)上述截水墻材料的基本要求與塑性混凝土配比試驗及數(shù)值模擬分析結(jié)果，擬定了以下應(yīng)用于湖山水庫截水墻塑性混凝土的相關(guān)性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：

1）滲透系數(shù)小于5×10-7 cm/s。

2）彈性模量為18，000～36，000 kg/cm2。

3）抗壓強(qiáng)度為14～25 kg/cm2。

4）坍落度為18～23 cm。。

4 塑性混凝土施工主要要點

由于塑性混凝土材料本身及生產(chǎn)拌和的特殊性，且考慮塑性混凝土在產(chǎn)制、現(xiàn)場施工過程中的實際狀況，通過預(yù)拌廠生產(chǎn)塑性混凝土?xí)r，需先了解相關(guān)程序并依據(jù)相關(guān)硬設(shè)備做好妥善規(guī)劃，才能使塑性混凝土的供料穩(wěn)定及質(zhì)量上符合施工規(guī)范要求，其中又以塑性混凝土產(chǎn)制及膨潤土漿產(chǎn)制問題為首要關(guān)鍵，相關(guān)流程與建議如下說明：

拌和時，建議將配比中的拌和用水與膨潤土預(yù)先以膨潤土：水=1：7的比例制成膨潤土漿，并采抽送方式下料參與拌和，剩余的拌和用水則于扣除粗、細(xì)粒料表面游離水分后以水磅秤計量下料參與拌和，其詳細(xì)拌和順序與建議為：

1）輸送所需用量的粗、細(xì)粒料進(jìn)入拌和機(jī)中。

2）輸送水泥進(jìn)入拌和機(jī)中與粗、細(xì)粒料干拌約30秒鐘。

3）拌和機(jī)持續(xù)攪拌，并開啟馬達(dá)將預(yù)先產(chǎn)制的膨潤土漿依需求用量抽送進(jìn)入拌和機(jī)中。

4）膨潤土漿抽送完畢后，加入配比中扣除粒料表面游離水后剩余的拌和水。

5）持續(xù)拌和至少2分鐘后下料至預(yù)拌車中。

承上所述，膨潤土漿的生產(chǎn)在塑性混凝土產(chǎn)制上是一相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，因此膨潤土漿產(chǎn)制的每一個環(huán)節(jié)與過程需特別注意，并針對膨潤土漿產(chǎn)制完成后，以相關(guān)的質(zhì)量試驗加以檢核膨潤土漿的成品穩(wěn)定性，來掌握每一次塑性混凝土拌和的質(zhì)量管控，說明如下：

1）膨潤土：除了須符合API的相關(guān)試驗規(guī)范，為求工程質(zhì)量的穩(wěn)定，膨潤土應(yīng)為同一來源、同一廠牌，并做適當(dāng)儲存避免受潮。

2）拌和比例：膨潤土與水的拌和比例，需考慮塑性混凝土的配比來做決定，建議以配比中總用水量的80～90%與膨潤土預(yù)先拌和成膨潤土漿。若因使用的膨潤土依上述拌和比例所產(chǎn)制的膨潤土漿的流動性過低，產(chǎn)生不易攪拌均勻或不易輸送的問題，需相對提高機(jī)具效能，否則不建議使用該膨潤土。

3）拌和機(jī)具：包含膨潤土、水的秤量設(shè)備，其計量許可差須在1%以下;建議攪拌器的效能轉(zhuǎn)速達(dá)800rpm 并且至少攪拌5分鐘以上，使膨潤土顆粒與水充分接觸，盡量減少膨潤土結(jié)球情況產(chǎn)生。

4）儲存槽：膨潤土漿經(jīng)拌和后，建議使膨潤土膨潤12小時以上，使膨潤土能充分吸水;為了符合塑性混凝土廠拌量的需求，儲存槽需有足夠容量;儲存槽需配有攪動或循環(huán)裝置，使儲存槽內(nèi)的膨潤土漿濃度均勻。

5）檢試驗：為了確認(rèn)膨潤土漿濃度是否符合設(shè)計要求，以管流度試驗來進(jìn)行確認(rèn)并輔以目視檢視膨潤土漿中是否有未水化的膨潤土團(tuán)，作為膨潤土漿是否均勻的參考依據(jù)。膨潤土漿管流度試驗是參考ASTM-D6103-97 規(guī)范，使用直徑7.5cm、高度15cm的中空圓管，通過量測膨潤土漿擴(kuò)散的直徑，用以評估膨潤土漿當(dāng)時的狀態(tài)。

5 施工使用建議

1）因塑性混凝土中細(xì)粒料用量較大，故在塑性混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性控制中，建議對粒料含水率進(jìn)行定時檢驗，且增加細(xì)粒料含水率試驗的頻率，有效掌握含水率的變動，并于塑性混凝土拌和前調(diào)整粗、細(xì)粒料與拌和用水量，拌和后再以坍落度試驗確定混凝土的工作性是否過大或不足，或以單位重試驗配合含氣量試驗可確認(rèn)混凝土配比組成上是否有變動，借此有效改善塑性混凝土產(chǎn)制的質(zhì)量穩(wěn)定性。

2）在質(zhì)量控管上，落實出廠前的檢驗，以坍落度試驗確定混凝土的工作性是否過大或不足;以單位重試驗配合含氣量試驗可確認(rèn)，混凝土配比組成上是否有變動。

3）一般拌和機(jī)的操作手，會依拌和機(jī)運轉(zhuǎn)時的電流值讀數(shù)，來判定混凝土的工作性，作為調(diào)整用水量的依據(jù)。在廠拌的過程中，記錄了拌和機(jī)電流表的變化，發(fā)現(xiàn)拌和機(jī)在空轉(zhuǎn)與拌和時，電流表的變化并不大，分析塑性混凝土水灰比較高，比重較輕，并未如一般混凝土拌和時，會有明顯的電流變化，故塑性混凝土廠拌時不能依電流值做為有力的判斷。

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