防滲墻塑性混凝土材料性能試驗(yàn)研究

胡福洪，胡翔宇，陳鋒，閤超，曾紀(jì)文

（1.武漢地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430070；2.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023）

0 引言

混凝土防滲墻不僅是覆蓋層地基、土石壩及臨時(shí)圍堰等主要水利工程的防滲措施，而且已經(jīng)擴(kuò)展到民用建筑等其他巖土工程領(lǐng)域[1]。隨著施工方法和施工工藝的不斷改進(jìn)，先進(jìn)設(shè)備的研制和推廣應(yīng)用，塑性混凝土、高強(qiáng)混凝土等新材料的應(yīng)用，混凝土防滲墻的應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛[2]。我國(guó)在施工機(jī)械、固壁泥漿、接頭處理、防滲墻材料以及復(fù)雜地質(zhì)的鉆孔技術(shù)等方面已取得長(zhǎng)足的發(fā)展[3]，混凝土防滲墻大多應(yīng)用于水利工程中大壩和堤防工程提供防滲保護(hù)，故混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)及應(yīng)用也需充分考慮其應(yīng)用地區(qū)的特殊地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)特點(diǎn)。武漢地處江漢平原東部地區(qū)，長(zhǎng)江、漢江使武漢呈現(xiàn)“三鎮(zhèn)”地區(qū)風(fēng)貌，地貌形態(tài)主要呈現(xiàn)出剝蝕丘陵區(qū)、剝蝕堆積垅崗區(qū)、堆積平原區(qū)。在垅崗地區(qū)為層間水或潛水及巖溶裂隙水，全新統(tǒng)孔隙承壓含水層主要分布在長(zhǎng)江、漢水兩岸，與長(zhǎng)江、漢水的水力聯(lián)系密切，存在著地區(qū)季節(jié)性變化規(guī)律，因此在梅雨及多雨季節(jié)施工近建筑物及管線(xiàn)道路區(qū)容易發(fā)生沉陷、變形的問(wèn)題[4]。城市建筑群密集施工地也必須進(jìn)行基坑支護(hù)來(lái)避免基坑開(kāi)挖而引起的安全問(wèn)題[5]，當(dāng)基坑工程處于或位于與湖水及江水有水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮水文環(huán)境對(duì)混凝土防滲墻的特殊影響。就武漢地區(qū)而言，地區(qū)特殊地層的防滲墻支護(hù)及止水效果還有待提高，目前尚無(wú)系統(tǒng)科學(xué)的混凝土防滲墻施工質(zhì)量技術(shù)規(guī)范，研究高質(zhì)量、高效率、經(jīng)濟(jì)可行的混凝土防滲墻施工方法是一項(xiàng)十分重要的工作。

1 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)以鈉基膨潤(rùn)土、粉煤灰為主要摻加物并輔以減水劑的混凝土配合比設(shè)計(jì)，采用全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，取鈉基膨潤(rùn)土摻量、粉煤灰摻量2個(gè)因素，其中鈉基膨潤(rùn)土分別取20、50、90、120 kg/m3四個(gè)水平，粉煤灰摻量分別取5%、12%、20%、30%四個(gè)水平，制作試件，進(jìn)行7 d抗壓、抗?jié)B性能試驗(yàn)；選取其中較優(yōu)性能對(duì)應(yīng)的配合比再每種材料選取3個(gè)水平，完成28 d混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗?jié)B性能試驗(yàn)，記錄并分析數(shù)據(jù)。最終確定以粉煤灰和鈉基膨潤(rùn)土為主要摻加物并輔以減水劑的塑性混凝土的最優(yōu)配合比。

混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20，符合JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求。混凝土配合比如表1所示。

表1 普通混凝土的配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 7 d試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊經(jīng)養(yǎng)護(hù)7 d進(jìn)行抗壓、抗?jié)B及坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)按照J(rèn)GJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其中A0為普通混凝土對(duì)照組。粉煤灰及膨潤(rùn)土摻量對(duì)塑性混凝土7 d性能的影響如表2所示。

表2 粉煤灰及膨潤(rùn)土摻量對(duì)混凝土性能的影響

由表2可見(jiàn)：

（1）加入膨潤(rùn)土后混凝土的坍落度有一定程度減小，且膨潤(rùn)土摻量越大，坍落度越小。分析原因，主要是膨潤(rùn)土自身的吸水性，在攪拌過(guò)程中膨潤(rùn)土因其自身特性會(huì)吸收一定量的水，使得在摻入更多的膨潤(rùn)土之后混凝土的坍落度減小。

（2）低摻量粉煤灰對(duì)混凝土的抗?jié)B性能無(wú)明顯影響，粉煤灰摻量增大會(huì)使混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)一步下降，且粉煤灰摻量越大下降越明顯。低摻量膨潤(rùn)土對(duì)混凝土的抗?jié)B性能無(wú)明顯改變，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性能也有一定程度的降低。

（3）通過(guò)對(duì)比A2和A5、A3、A9可以看出，粉煤灰摻量增加對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響較大。

（4）為進(jìn)一步研究膨潤(rùn)土和粉煤灰對(duì)混凝土抗?jié)B性能影響的差異，選取A1、A4、A13和A16四組試塊研究低摻量粉煤灰和膨潤(rùn)土的混凝土、低摻量粉煤灰高摻量膨潤(rùn)土的混凝土、高摻量粉煤灰低摻量膨潤(rùn)土的混凝土以及高摻量粉煤灰和膨潤(rùn)土的混凝土這4種情況下的區(qū)別可知，低摻量的粉煤灰和膨潤(rùn)土對(duì)混凝土的抗?jié)B性能有一定影響，但仍無(wú)法有效提高混凝土的抗?jié)B性能，因此混凝土配合比需要進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化。

2.2 28 d試驗(yàn)結(jié)果

為保證混凝土抗?jié)B性能，將粉煤灰從配合比中去除，選取低摻量的膨潤(rùn)土摻入混凝土作進(jìn)一步研究，經(jīng)調(diào)整后的配合比如表3所示。

表3 抗?jié)B混凝土調(diào)整后配合比

2.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

各組試件的28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度

由表4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)后試塊的抗壓強(qiáng)度完全符合C20混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。在混凝土中膨潤(rùn)土摻量在0～20 kg/m3時(shí)，隨著膨潤(rùn)土摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)略有提高。膨潤(rùn)土摻量為20 kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值，20.89 MPa。

2.2.2 抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

為保證試塊的密封完好，先將密封膠均勻涂在試塊周邊，保證密封膠有2 mm左右的厚度，之后將涂好密封膠的試塊勻速均勻地壓入試驗(yàn)儀器的鋼模中，并擦去多余的密封膠。之后，把位于底部的密封圈四周也用密封膠涂嚴(yán)以保證不會(huì)有水滲出。最后將已安裝完成的試塊靜置2～4 h，以保證密封膠干燥。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確，從0.1 MPa開(kāi)始逐步增加水壓力，每8 h增加1次水壓力，每次增加0.1 MPa，在此期間保證水的壓力維持穩(wěn)定。各組試塊28 d抗?jié)B強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)如表5所示。

表5 混凝土抗?jié)B強(qiáng)度抗?jié)B等級(jí)

由表5可知，普通混凝土在本試驗(yàn)的配合比下經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)后的抗?jié)B強(qiáng)度可達(dá)0.71 MPa。與摻入膨潤(rùn)土后的混凝土相比，普通混凝土的抗?jié)B強(qiáng)度明顯低于摻膨潤(rùn)土的混凝土，膨潤(rùn)土摻量為0～20 kg/m3時(shí)，混凝土的抗?jié)B強(qiáng)度與膨潤(rùn)土摻量呈正相關(guān)。

圖1、圖2為抗?jié)B性能試驗(yàn)裝置及抗?jié)B試塊滲水情況。

由圖2可以看出，水泥在水化的過(guò)程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生非常多的細(xì)小裂縫，這些裂縫的存在不會(huì)相互貫通?？?jié)B試驗(yàn)時(shí)水壓力會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的裂縫逐漸擴(kuò)張直至貫通破壞。而膨潤(rùn)土自身是一種在吸水后極易膨脹的細(xì)微顆粒，可以有效地填補(bǔ)混凝土之間的微小裂隙，從而增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度。在進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，膨潤(rùn)土吸水后會(huì)繼續(xù)膨脹，這種膨脹可以有效地對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)，從而有效地增強(qiáng)了混凝土的抗?jié)B性能。

3 結(jié)論

（1）C20普通混凝土的坍落度為13 cm時(shí)，摻入膨潤(rùn)土后混凝土的坍落度有一定程度減小，在膨潤(rùn)土摻量為120 kg/m3，粉煤灰摻量為5 kg/m3時(shí)，混凝土的坍落度為11 cm。

（2）普通混凝土中摻入一定量的膨潤(rùn)土?xí)r，抗壓強(qiáng)度可以得到一定程度的提高，膨潤(rùn)土摻量在20 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高（20.89 MPa），在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土摻量呈正相關(guān)。

（3）C20普通混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后的抗?jié)B強(qiáng)度為0.71 MPa，摻入膨潤(rùn)土可以有效提高混凝土的抗?jié)B強(qiáng)度，膨潤(rùn)土摻量為20 kg/m3時(shí)，抗?jié)B強(qiáng)度達(dá)到最高（0.85 MPa），在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，抗?jié)B強(qiáng)度與膨潤(rùn)土摻量呈正相關(guān)。