塑性混凝土性能影響因素研究及應(yīng)用進(jìn)展

王蓓蓓 （華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046）

與常規(guī)混凝土相比，塑性混凝土是用膨潤土、黏土等部分代替水泥的一種柔性材料，具有低強(qiáng)度、低彈性模量、低模強(qiáng)比、變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)、抗?jié)B性能好的特性。目前已應(yīng)用于水利工程、土木工程、建筑等領(lǐng)域，前景廣闊。國內(nèi)外關(guān)于塑性混凝土性能影響因素的研究較多，但結(jié)論尚未統(tǒng)一。本文重點(diǎn)探究各材料摻量（即配合比）對塑性混凝土配合比研究的影響，闡述了膨潤土、水泥、砂石、外加劑等摻合料的種類及摻量對塑性混凝土性能的影響，介紹了塑性混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀，為塑性混凝土性能改善及應(yīng)用推廣提供參考。

1 配合比對塑性混凝土力學(xué)性能的影響

1.1 膨潤土對塑性混凝土的影響

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，化學(xué)成分穩(wěn)定，具有吸濕性、膨脹性、粘結(jié)性等優(yōu)良特性，適宜的膨潤土摻量可改善塑性混凝土的工作性能、力學(xué)性能與抗?jié)B性能，如圖1所示。

圖1 膨潤土摻量對塑性混凝土性能的影響

Adeboie[1]、Ali Akbarpour[2]等通過掃描電子顯微鏡（SEM）探究材料的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)膨潤土可填補(bǔ)孔隙提高混凝土的密實(shí)度，從而改善抗壓強(qiáng)度；高丹盈[3]研究發(fā)現(xiàn)摻鈉基膨潤土的塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均是摻鈣基膨潤土的塑性混凝土2倍以上，且摻鈉基膨潤土的塑性混凝土滲透系數(shù)較小，抗?jié)B性能更好；Liu[4]研究表明10%摻量的膨潤土對砂漿抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、滲透性能的提高分別為：鈉基膨潤土77.5%、54.5%、115.7%，鈣基膨潤土62.2%、47.9%、101.9%，鎂基膨潤土71.6%、52.2%、137.3%；即不同類型的膨潤土對性能的影響程度不同，鎂基膨潤土對性能的改善最大、鈉基膨潤土次之、鈣基膨潤土最?。煌跛奈5]等人進(jìn)一步分析了單軸受壓條件下，塑性混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨膨潤土摻量的變化，發(fā)現(xiàn)隨著摻量的增加，直線上升段長度減小、斜率降低，下降段稍微變緩；擴(kuò)容起始點(diǎn)強(qiáng)度降低、體積增大，體積最大壓縮量增大；焦凱[6,7]分析了三軸條件下塑性混凝土力學(xué)性能的變化情況：隨著膨潤土摻量的增加，單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力降低，峰值應(yīng)變增大，內(nèi)摩擦角變化不大；塑性混凝土的拉壓強(qiáng)度比較小且隨膨潤土摻量的變化不大，說明在摻入膨潤土后，其塑性變形能力增強(qiáng)。

1.2 水泥用量對塑性混凝土的影響

水泥用量是指每立方米混凝土中水泥的質(zhì)量。塑性混凝土的膠凝材料是由膨潤土、黏土與水泥共同組成，在膠凝材料總量控制時，隨著膨潤土黏土摻量的增加，水泥用量相應(yīng)減少，對塑性混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。為保證強(qiáng)度，塑性混凝土的水泥用量應(yīng)大于80kg/m3，膠凝材料總量應(yīng)大于240kg/m3，如圖2所示。

圖2 水泥用量對塑性混凝土性能的影響

黃紹芳[8]研究發(fā)現(xiàn)塑性混凝土隨著水泥用量的增加，水化過程產(chǎn)生的硅酸鈣凝膠增多，填充了混凝土孔隙，滲透系數(shù)減小，抗?jié)B性能增強(qiáng)；王四巍[5]等人發(fā)現(xiàn)塑性混凝土的水泥用量對其抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響較大，對抗裂性能影響較小；Pisheh[9]等人研究發(fā)現(xiàn)塑性混凝土的強(qiáng)度和彈性模量隨著水泥系數(shù)的增加和膨潤土摻量的減少而增加；塑性混凝土的破壞模式受到圍壓以及水泥和膨潤土含量變化的影響：在低圍壓下的高水泥樣本中，破壞模式與脆性材料相似，而高圍壓下的低水泥樣本更具韌性；王協(xié)群[10]的試驗表明水泥用量從120kg/m3每次增加20kg/m3至200kg/m3時，抗壓強(qiáng)度從2.2MPa 增長至6.0MPa，彈性模量從525MPa 增長至1537MPa，即隨著水泥用量的增加，抗壓強(qiáng)度與彈性模量同步增長；黃曉[11]、張宇[12]等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥用量在100kg/m3～200kg/m3時，隨著水泥用量的增大，抗壓強(qiáng)度增大，但增長速度減緩，水泥對強(qiáng)度的提升作用減弱。

1.3 水膠比對塑性混凝土的影響

水膠比是指每立方米混凝土中水的質(zhì)量與膠凝材料的質(zhì)量之比。水膠比對混凝土的流動性能、工作性能、力學(xué)性能等影響較大。與常規(guī)混凝土相比，塑性混凝土水膠比較大，試驗中的水膠比常用取值范圍在0.8～1.3之間，如圖3所示。

圖3 水膠比對塑性混凝土性能的影響

張巖[13]通過對0.85、1.00、1.10、1.20、1.30 五組不同水膠比的試件試驗，發(fā)現(xiàn)隨著水膠比的增大，塑性混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和彈性模量近似呈線性減小趨勢；滲透系數(shù)近似呈指數(shù)增長趨勢。在水膠比增大時，強(qiáng)度與彈性模量同步減小，兩個指標(biāo)無法同時得到滿足，因此，在配制塑性混凝土?xí)r，應(yīng)選擇合適的水膠比，使得在強(qiáng)度滿足要求的前提下，盡可能增大彈性模量，從而降低模強(qiáng)比，提高其變形能力；胡良明[14]進(jìn)行了塑性混凝土三軸受壓試驗，研究了三軸狀態(tài)下塑性混凝土性能隨水膠比的變化情況，結(jié)果表明當(dāng)應(yīng)力水平較低時，應(yīng)變增長較快，水膠比對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響較??；應(yīng)力水平較高時，水膠比越大應(yīng)變越大；應(yīng)力相同時，水膠比越大，應(yīng)變越大；應(yīng)變相同時，水膠比越大，應(yīng)力越??；陳鐳[15]、吳俊姿[16]等人研究表明水膠比在0.90～1.05 區(qū)間內(nèi)增大時，抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨水膠比的增大基本呈線性減小的趨勢，滲透系數(shù)隨水膠比的增大而增大。探究發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是由于水膠比的增大，自由水增多，膠凝材料的連續(xù)性受到影響，同時自由水蒸發(fā)后留下的孔隙也將導(dǎo)致滲水量增大。

1.4 砂率對塑性混凝土的影響

砂率是指每立方米混凝土中砂的質(zhì)量占砂石質(zhì)量之和的百分比。砂率的大小決定了粗細(xì)骨料的比例，改變了骨料的總表面積，從而對塑性混凝土拌合物的流動性、和易性、密實(shí)度、坍落度、擴(kuò)展度等造成影響。因此，在一定范圍內(nèi)增大砂率有利于改善塑性混凝土性能。與常規(guī)混凝土相比，塑性混凝土的砂率較大，試驗研究常取40%～60%，規(guī)范推薦砂率在45%以上。

張帥[17]進(jìn)行了40%、50%、60%、70%四個砂率水平的塑性混凝土單軸壓縮試驗，結(jié)果表明隨著砂率的增加，塑性混凝土的峰值應(yīng)力減小幅度增大，峰值應(yīng)變先增大后減小，在合理的砂率范圍內(nèi)，規(guī)律較為一致；雷秀玲[18]的研究表明增加砂率可有效降低塑性混凝土彈性模量，從而提高塑性混凝土防滲墻適應(yīng)周邊變形的能力；吳為健[19]探究了高砂率下塑性混凝土抗?jié)B能力的變化趨勢：隨著砂率從70%增至90%，滲透系數(shù)隨之增大，過高的砂率對塑性混凝土的抗?jié)B性能有不利影響；魏文強(qiáng)[20]選用了性能穩(wěn)定且價格較低的機(jī)制砂來研究砂率對塑性混凝土的影響，結(jié)果表明在其他摻量保持不變時，抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨著砂率的增大而減小，但降幅較低；砂率小于50%時，隨著砂率的增大，彈性模量增加而滲透系數(shù)減小，砂率高于50%時情況相反，綜合考慮塑性混凝土的最優(yōu)砂率在50%左右，如圖4所示。

圖4 砂率對塑性混凝土性能的影響

1.5 外加劑對塑性混凝土的影響

外加劑的種類有很多，在塑性混凝土中常用到的有減水劑和引氣劑。與常規(guī)混凝土相比，塑性混凝土的坍落度較大，一般在180mm～220mm，適配時常將其作為控制指標(biāo)。在塑性混凝土中加入減水劑，可提高混凝土拌合物的流動性，減少用水量，確保水膠比在合適的比例，使得其強(qiáng)度得到保證。在塑性混凝土中摻入引氣劑，可產(chǎn)生大量穩(wěn)定且閉合的微小氣泡，改善混凝土拌合物的流動性，提高塑性混凝土的抗凍性。

王春光[21]在塑性混凝土試驗中添加了復(fù)合型外加劑——引氣型減水劑，同時具有減水劑與引氣劑的效能，避免了膨潤土對聚羧酸減水劑的吸附作用，減少了用水量，控制了塑性混凝土的彈性模量，提高了塑性混凝土的抗?jié)B性、抗凍性與耐腐蝕性；雷秀玲[18]研究發(fā)現(xiàn)引氣劑可改善塑性混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了塑性混凝土的彈性模量，有利于塑性混凝土適應(yīng)周圍變形；吳俊姿[16]隨著減水劑摻量從2.1kg/m3增大到2.56kg/m3，塑性混凝土的滲透系數(shù)降低，抗?jié)B能力增強(qiáng)，減水劑的使用減少了用水量，提高了抗壓強(qiáng)度與抗?jié)B性能，如圖5所示。

圖5 減水劑對塑性混凝土的影響

2 塑性混凝土在工程中的應(yīng)用

2.1 防滲墻工程

與常規(guī)混凝土相比，塑性混凝土的彈性模量低、極限變形大，具有良好的變形協(xié)調(diào)能力，能夠協(xié)調(diào)墻體與土體之間的變形，降低應(yīng)力水平，避免開裂，使得工程安全平穩(wěn)運(yùn)行[22]。同時，塑性混凝土的抗震性能好，地震發(fā)生時其優(yōu)越的變形能力可緩沖地震的沖擊，故在永久性防滲墻中使用塑性混凝土可提高其抗震能力。此外，塑性混凝土滲透系數(shù)小，抗?jié)B能力強(qiáng)，在向家壩泄洪段壩基防滲墻、團(tuán)洲泵站資江大堤塑性混凝土防滲墻、南水北調(diào)東線雙王城水庫工程[23]、引江濟(jì)淮工程新城調(diào)蓄水庫[24]等防滲墻工程中已廣泛應(yīng)用。

2.2 圍堰工程

混凝土圍堰的施工造價高，臨時性混凝土圍堰拆除困難，經(jīng)濟(jì)損失大；土石圍堰造價低，但抗?jié)B性能差，滲水嚴(yán)重，對工程的安全造成隱患。塑性混凝土圍堰既降低了工程造價，又憑借其良好的抗?jié)B性保障了工程安全，故在圍堰工程中較多應(yīng)用，如小浪底水庫上游圍堰、長江三峽二期主圍堰、紫坪鋪上游圍堰、向家壩圍堰[25]、錦屏二級水電站圍堰等。

2.3 咬合樁

塑性混凝土咬合樁是一種新工藝，提高了鉆孔效率且安全可靠，止水效果好，可與常規(guī)混凝土樁共同承擔(dān)壓力。同時，塑性混凝土咬合樁的工程質(zhì)量高，造價相對較低，經(jīng)濟(jì)效益好，在大連灣海底隧道[20]、臨?；庸こ蘙26]中已成功運(yùn)用，塑性混凝土咬合樁的更多應(yīng)用[27,28]仍在可行性分析階段。

從塑性混凝土發(fā)展至今，已被用于人工湖泊、堤防、圍堰等水利工程以及地鐵、隧洞、高層建筑的地下工程等土木建筑行業(yè)。與常規(guī)混凝土相比，其應(yīng)用領(lǐng)域較窄，許多專家學(xué)者研究并分析塑性混凝土在其他工程中應(yīng)用的可行性，不斷推進(jìn)塑性混凝土的應(yīng)用進(jìn)程。

3 結(jié)語

本文對塑性混凝土各項材料的影響做出詳細(xì)論述，列舉了塑性混凝土目前應(yīng)用較多的工程項目，分析發(fā)現(xiàn)目前的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用均取得一定的成果，但仍存在一些問題：

（1）理論層面：與常規(guī)混凝土相比，塑性混凝土的研究起步較晚，發(fā)展年限較短，理論尚不成熟，宏觀性能與細(xì)觀微觀的演化發(fā)展尚未建立聯(lián)系，需繼續(xù)深入探究；塑性混凝土的規(guī)范較少且不夠全面，需進(jìn)一步完善。

（2）實(shí)踐應(yīng)用：塑性混凝土受自身強(qiáng)度低的約束，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用較少。可參照常規(guī)混凝土提高性能的方法，摻加硅灰、纖維等改善塑性混凝土的性能，同時應(yīng)考慮造價問題，改良后的塑性混凝土是否可于工程中推廣應(yīng)用。

（3）理論與應(yīng)用：塑性混凝土的試驗研究成果如何指導(dǎo)工程實(shí)踐；有限元等軟件模擬塑性混凝土代替常規(guī)混凝土的成果能否作為塑性混凝土的施工方案的依據(jù)等問題亟待解決。

在塑性混凝土的后續(xù)研究中，應(yīng)深入探究本構(gòu)理論、開裂機(jī)理、斷裂理論、尺寸效應(yīng)、疲勞理論等，同時要注重性能優(yōu)化，制備性能優(yōu)越且經(jīng)濟(jì)適用的塑性混凝土，使其在工程中的應(yīng)用范圍更加廣泛。