吳福飛， 董雙快， 趙振華， 黃宗輝， 陳榮妃

(貴州師范大學 材料與建筑工程學院， 貴州 貴陽 550025)

1 研究背景

塑性混凝土通常具有變形能力大、彈性模量低和高抗?jié)B性等特點，晏繼杰[1]對塑性混凝土配合比、成槽機具、施工工藝等進行研究。王四巍等[2]發(fā)現(xiàn)膨潤土對塑性混凝土體積最大壓縮量的影響顯著，對彈性模量和強度卻不明顯。文獻[3-6]研究也發(fā)現(xiàn)黏土摻入后降低了混凝土的力學性能，提高抗?jié)B性，并對混凝土的本構(gòu)關系和破壞準則進行了詳細研究，得出一系列的研究成果。當膨潤土和黏土按一定比例替代水泥后，顯著降低了混凝土的力學性能，但能抵抗長期溶蝕作用，提高了其服役年限[7]。焦凱等[8]發(fā)現(xiàn)膨潤土摻量對塑性混凝土拉壓強度的差異性影響不大，但李談談等[9]發(fā)現(xiàn)當紅黏土摻量在150～200 kg/m3時，塑性混凝土性能能達到最優(yōu)。除了紅黏土和膨潤土的摻量顯著影響混凝土的力學性能外，骨料也對混凝土有一定的影響，黃杰等[10]發(fā)現(xiàn)尾礦砂摻量越大，混凝土強度越低，相對滲透系數(shù)均隨著砂率的增加呈現(xiàn)出U型的變化規(guī)律[11]。張廷毅等[12]發(fā)現(xiàn)黃河特細砂取代率對混凝土的滲透系數(shù)呈減小趨勢。高丹盈等[13-14]和王四魏等[15]對塑性混凝土的應力-應變、本構(gòu)關系、破壞準則、抗?jié)B性進行了詳細的研究。為了計算的準確性，程金標等[16]采用三維非線性有限元法對塑性混凝土心墻大壩應力變形進行計算。王永明等[17]引入多軸強度的安全度準則評價防滲墻的安全狀態(tài)，建議在拉應力較明顯的條件下優(yōu)先采用多軸強度的安全度準則進行復核。劉璐璐等[18]發(fā)現(xiàn)預壓次數(shù)對應力-應變曲線的影響并不大。但是這些研究中對低液限紅黏土塑性混凝土的研究卻較少，為此，本文采用低液限紅黏土、機制砂、碎石、減水劑等配制塑性混凝土，探討低液限紅黏土對塑性混凝土和易性和力學性能的影響，即分析低液限紅黏土摻量對塑性混凝土流動性、黏聚性、保水性、表觀密度和凝結(jié)時間的影響，探索塑性混凝土力學性能與齡期之間的關系，劈裂強度和彈性模量與抗壓強度的關系，并提出簡易預測彈性模量的關系模型。通過研究，以期為低液限紅黏土制備塑性混凝土提供試驗基礎。

2 材料與方法

2.1 原材料

水泥采用西南水泥廠生產(chǎn)的32.5復合硅酸鹽水泥，3 d的抗折強度和抗壓強度分別為4.3 MPa和18.4 MPa；28 d的抗折強度和抗壓強度分別為8.7 MPa和36.4 MPa，細度為13.4%，沸煮法安定性檢測合格。摻合料采用低液限紅黏土，密度為2.72 g/cm3，液限為48.1%，塑限為25.5%，塑性指數(shù)為23.8%，不均系數(shù)為5.8，曲率系數(shù)為0.64。砂為機制砂，細度模數(shù)為2.7，顆粒級配滿足JGJ52-2006《普通混凝土用砂質(zhì)量標準與檢測方法》的Ⅱ區(qū)范圍。小石和中石采用5～20 mm和20～40 mm的碎石，小石和中石按1∶1混合構(gòu)成5～40 mm的連續(xù)顆粒級配。減水劑選用緩凝型萘系高效減水劑，根據(jù)外加劑適應性試驗確定最佳摻量。水采用實驗室自來水。

2.2 試驗方法

影響混凝土的力學性能和和易性的因素主要有水灰比和摻合料摻量，對于黏土作為摻合料時也不例外，因此，主要考慮水灰比和摻量的影響。根據(jù)《水電水利工程防滲墻施工規(guī)范》(DL/T5199-2004)的相關規(guī)定，黏土的摻量不宜大于25%，水膠比不宜大于0.65，膠凝材料用量不低于350 kg/m3。因此，選取水灰比分別為0.55、0.60、0.65，黏土摻量分別為15%、20%、25%，具體的試驗混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

3 結(jié)果與分析

3.1 和易性

和易性是混凝土拌合物的重要參數(shù)，直接影響混凝土硬化后的力學性能和耐久性，在一定程度上控制著混凝土的施工質(zhì)量。文獻[19-24]證實了摻合料能改善混凝土拌合物的和易性，黏土作為摻合料是否會達到同樣的效果是本文研究的重點內(nèi)容，試驗結(jié)果如表2所示。

流動性是混凝土和易性測試的重要參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引入黏土和緩凝型減水劑后，混凝土的流動性較好，基本都在189 mm以上，擴散度基本在365 mm；即使在1 h后，坍落度仍能保持在173 mm以上，因此，本試驗具有較好的保塌性，能滿足塑性混凝土作為防滲墻的澆筑。

另外，混凝土的黏聚性和保水性都較好。這主要是黏土礦物的顆粒細小，用水拌合后具有較好的可塑性，在較小壓力下發(fā)生變形但能長久保持其原來的狀態(tài)，而且黏土的比表面積大，顆粒上帶有負電性，因此具有較好的物理吸附性和表面化學活性，加上減水劑的減水和緩凝效果，因此黏土配制的混凝土流動性較好。

表2 塑性混凝土的和易性

凝結(jié)時間的長短也會影響混凝土的施工質(zhì)量，通常水泥的初凝不早于45 min，終凝不遲于390 min，拌制混凝土后，初凝和終凝都會有所改變。黏土等質(zhì)量替代水泥后，初凝延遲10 h以上，終凝在16 h以上。可見黏土替代水泥后能顯著改善混凝土的初凝和終凝時間，主要是黏土在較小壓力下可以變形并能長久保持原狀，且比表面積大；另外，減水劑為緩凝型萘系高效減水劑，也會在一定程度上改善混凝土的凝結(jié)時間。

黏土等質(zhì)量替代水泥后，明顯降低了混凝土的表觀密度。通?；炷恋谋碛^密度在2 350～2 450 kg/m3之間，黏土替代后最大表觀密度僅為2 326 kg/m3，最小為2 258 kg/m3，遠小于普通混凝土的表觀密度。這主要是黏土的密度為2.72 g/cm3比水泥(密度為3.15 g/cm3)小，因此黏土等質(zhì)量替代水泥后，混凝土的表觀密度有所降低。

3.2 抗壓強度

礦物摻合料等質(zhì)量替代水泥后，由于具有潛在活性的SiO2和Al2O3參與二次反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[11-13]，因此，適量礦物摻和料摻入后能提高混凝土的力學性能和耐久性[14-16]。黏土與粉煤灰、礦粉等摻合料不同，由于不具有活性，能顯著降低混凝土的力學性能，但其塑性較好，通常能滿足水庫防滲墻的澆筑。黏土等質(zhì)量替代水泥后，混凝土的力學性能和擬合曲線如圖1所示。隨著養(yǎng)護齡期的延長，低液限黏土配制的混凝土抗壓強度逐漸增大，并呈對數(shù)關系增加，這同普通混凝土的發(fā)展規(guī)律一致。經(jīng)擬合曲線發(fā)現(xiàn)，對數(shù)關系擬合結(jié)果較好，相關系數(shù)均在0.95以上。因此在實際試驗數(shù)據(jù)不夠時，可采用對數(shù)關系進行初步預測。黏土的摻量和水灰比越大，其抗壓強度越低。如水灰比0.55時，黏土替代率從15%增加至25%時，抗壓強度從18.2 MPa降低至15.7 MPa；當摻量均為25%時，水灰比從0.55增加至0.65時，混凝土抗壓強度從15.7 MPa降低至14.5 MPa?？梢姄搅繉炷量箟簭姸鹊挠绊懕人冶纫?。因此，在配制黏土混凝土時應注意黏土摻量的選擇。

3.3 劈裂強度

劈裂強度是混凝土抵抗剪力破壞的重要參數(shù)，黏土摻量和水灰比對混凝土劈裂強度的影響規(guī)律和擬合曲線如圖2所示。劈裂強度也隨黏土摻量的增加顯著降低，相關系數(shù)均在0.97以上，當水灰比為0.55和0.65且黏土摻量從15%增加至25%時，28 d的劈裂強度分別從1.75 MPa和1.42 MPa降低至1.43 MPa和1.32 MPa。水灰比增加時，劈裂強度不斷降低，當黏土摻量為15%和25%時，劈裂強度分別從1.75 MPa和 1.43 MPa降低至1.40 MPa和1.32 MPa。對比上述的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，水灰比相對較小時，黏土摻量的影響較大，反之較小。

通常，混凝土劈裂強度和抗壓強度之間存在一定的相關性，黏土替代水泥后混凝土劈拉強度和抗壓強度之間的相關性如圖3所示。從圖3看出，塑性混凝土的劈拉強度與抗壓強度之間存在線性關系，相關系數(shù)為0.6215?？纱致圆捎镁€性關系進行數(shù)據(jù)預測。

3.4 彈性模量

彈性模量又稱為楊氏模量，是混凝土中一種最重要、最具特征的力學性質(zhì)。黏土替代水泥后，混凝土彈性模量的試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，黏土摻量越大，混凝土的彈性模量越小，顯著呈現(xiàn)出負對數(shù)降低的趨勢，相關系數(shù)均在0.99以上，因此可采用負對數(shù)關系進行塑性混凝土彈性模量的預測，精度相對較高。從圖4中也不難發(fā)現(xiàn)，黏土摻量對混凝土彈性模量的影響比水灰比大。

圖1 不同水灰比混凝土抗壓強度隨齡期變化擬合曲線

圖2不同水灰比黏土摻量與混凝土劈裂強度的相關性圖3抗壓強度與劈裂強度的相關性

圖4彈性模量隨黏土摻量的變化曲線圖5塑性混凝土抗壓強度與彈性模量的相關性

通?？刹捎没炷量箟簭姸阮A測彈性模量，其表達式為E=106/(2.2+330/fc)，將本文的抗壓強度代入該公式發(fā)現(xiàn)，其彈性模量在4×103～5×103MPa之間，遠大于本文所測的實際彈性模量，因此，傳統(tǒng)的混凝土彈性模量預測公式不再適用。黏土替代水泥后混凝土彈性模量和抗壓強度之間的相關性如圖5所示。

從圖5看出，塑性混凝土的彈性模量與抗壓強度之間存在線性關系，即，E=0.1084fc+0.0516，相關系數(shù)為0.8776，因此，可采用線性關系預測混凝土的彈性模量。

4 結(jié) 論

通過對低液限紅黏土塑性混凝土和易性和力學性能的研究，得到以下結(jié)論：

(1)黏土能改善混凝土的流動性、黏聚性和保水性，即使在1 h后，混凝土坍落度仍能保持在173 mm以上。黏土能大幅度地延遲混凝土的初凝和終凝時間和明顯降低混凝土的表觀密度。

(2)黏土等質(zhì)量替代水泥后，隨著養(yǎng)護齡期的延長，低液限黏土配制的混凝土抗壓強度逐漸增大。相對而言，摻量對混凝土抗壓強度的影響比水灰比要大。混凝土劈裂強度也隨黏土摻量的增加顯著降低，在塑性混凝土的劈拉強度與抗壓強度之間存在線性關系。

(3)黏土摻量越大，混凝土的彈性模量越小，顯著呈現(xiàn)出負對數(shù)降低的趨勢，但黏土摻量對混凝土彈性模量的影響比水灰比大。塑性混凝土的彈性模量與抗壓強度之間存在線性關系。

上述這些規(guī)律對于低液限紅黏土塑性混凝土的使用具有指導意義，同時也為塑性混凝土力學性能的預測提供借鑒。但本文只針對低液限紅黏土進行試驗，有待于對各種黏土進行試驗，找出其一般規(guī)律，使其在各類塑性混凝土中的使用更具有適用性。

參考文獻:

[1] 晏繼杰. 白蓮河抽水蓄能電站塑性混凝土防滲墻施工[J].人民長江，2009,40(6):31-33.

[2] 王四巍，李小超，李 楊，等. 膨潤土及水泥用量對塑性混凝土變形及破壞特征的影響[J].硅酸鹽學報，2014,42(1)：33-37.

[3] 蔣凱樂，李云鵬，張如滿，等.塑性混凝土防滲墻土反力系數(shù)反演[J].巖土力學，2012，33(S2)：389-394.

[4] BAGHERI A R, ALIBABAIE M, BABAIE M. Reduction in the permeability of plastic concrete for cut-off walls through utilization of silica fume[J]. Construction and Building Materials, 2008,22(6):1247-1252.

[5] 王四巍，王 暢，高丹盈.真三軸應力下塑性混凝土的強度和擴容[J].建筑材料學報， 2012， 15(4)： 548-552.

[6] 孫開暢，田 斌，孫志禹.高土石圍堰塑性混凝土的力學特性與齡期和施工安全的關系[J].水力發(fā)電學報， 2012， 31(5)： 250-253+265.

[7] 吳福飛，侍克斌，董雙快，等. 塑性混凝土的長期滲流溶蝕穩(wěn)定性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(22)：112-119.

[8] 焦 凱，黨發(fā)寧，謝凱軍. 膨潤土與水泥摻比對塑性混凝土強度特性的影響[J].水力發(fā)電學報,2016,35(3):11-18.

[9] 李談談，楊具瑞,李續(xù)楠，等. 紅黏土及水泥摻量對塑性混凝土性能影響研究[J].水力發(fā)電學報，2016，35(8):105-113.

[10] 黃 杰， 孟 晉， 陳四利，等. 尾礦砂塑性混凝土的力學特性[J]. 沈陽工業(yè)大學學報，2015,37(2):225-230.

[11] 黃 杰，孟 晉,史建軍,等. 尾礦砂塑性混凝土滲透性能的試驗研究[J]. 地下空間與工程學報,2014,10(6):1307-1311.

[12] 張廷毅，汪自力，朱海堂,等. 黃河特細砂塑性混凝土滲透性能[J]. 四川大學學報 (工程科學版)，2015,47(4):69-65.

[13] 高丹盈，宋帥奇，楊 林.真三軸應力下塑性混凝土性能及破壞準則[J].水利學報， 2014， 45(3)： 360-367.

[14] 高丹盈，宋帥奇.塑性混凝土常規(guī)三軸性能與強度計算模型[J].水力發(fā)電學報， 2014， 33(2)： 201-207.

[15] 王四巍，潘旭威，高丹盈，等.三軸應力下塑性混凝土應力-應變關系試驗研究[J].建筑材料學報， 2014，17(1)： 42-46+59.

[16] 程金標，王瑞駿，郭蘭春，等. 塑性混凝土心墻壩應力變形特性研究[J].水資源與水工程學報，2016,27(4):189-193.

[17] 王永明，任金明，陳永紅,等. 基于混凝土多軸強度的高土石圍堰防滲墻安全性研究[J]. 巖石力學與工程學報,2014,33(S1):2262-2269.

[18] 劉璐璐，常芳芳，解 偉,等. 循環(huán)加載下塑性混凝土的應力-應變曲線分析[J].長江科學院報，2015,32(10):116-120.

[19] 吳福飛，侍克斌，董雙快，等. 摻合料和水膠比對水泥基材料水化產(chǎn)物和力學性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(4)：119-126.

[20] 龍小明，吳福飛，董雙快,等. 低水膠比下粉煤灰復合礦粉配制高強泵送混凝土的性能研究[J].水資源與水工程學報，2014,25(4):156-160.

[21] 吳福飛，董雙快，宮經(jīng)偉，等. 含摻合料混凝土水化產(chǎn)物體積分數(shù)計算及其影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(3)：48-54.

[22] WANG Qiang，YAN Peiyu.Hydration properties of basic oxygen furnace steel slag[J].Construction and Building Materials，2010，24(7)：1134-1140.

[23] LIU Rengguang，DING Shidong，YAN Peiyu.The microstructure of hardened Portland cement-slag complex binder pastes cured under two different curing conditions[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2015，43(5)：610-618.

[24] LI Xiang，YAN Peiyu.Microstructural variation of hardened cement-fly ash pastes leached by soft water[J].Science China-Technological Sciences，2010，53(11)：3033-3038.