吳俊姿

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330025)

隨著水利科學技術的發(fā)展，水利水電工程的堤壩建設規(guī)模也發(fā)生了較大的變化，因此對于防滲的要求也逐漸提高，促進了防滲墻的設計建造方法、設備和防滲材料的不斷改進。水利水電工程中，多采用混凝土防滲墻進行防滲處理。根據相關工程實踐和研究成果，剛性混凝土在防滲墻工程中存在一定的弊端：首先是適應能力較差，這是因為普通混凝土的彈模多為2×104MPa，是壩體地基的數百倍，彈模高則意味著荷載作用下防滲墻變形較小，與地基變形不能協調一致，這會導致墻體與土結合面脫開，在防滲性能較差的情況下也不利于壩體的穩(wěn)定[1]。其次是因為水利水電工程多為大體積工程，對于水泥的需求量較大，同時為了抗?jié)B防裂性能，在墻內增加了較多的抗裂鋼筋，大大提高了工程造價。

如何更好地解決普通混凝土防滲墻所產生的這些問題，能否找到一種合適的材料來代替普通混凝土的缺陷，在這種情況下，塑性混凝土也就應運而生了。塑性混凝土是一種介于土與普通混凝土之間的柔性工程材料。由于塑性混凝土具有很低的彈性模量和良好的塑性變形特性，能與周圍地基圍巖協調變形，另外塑性混凝土不僅能保證足夠的力學強度，而且抗?jié)B性尤佳，因而在水利水電工程中得到了廣泛的應用。對于塑性混凝土，國內外展開了大量研究。1994年，三峽二期圍巖防滲墻中通過摻加粉煤灰的方式降低了水泥用量，有效降低了防滲墻的彈性模量并增加了抗?jié)B性能[2]。2006年，魏光輝結合減水劑和粉煤灰的摻加，有效降低了水泥水化熱，大大減少了裂縫的產生，還有效減弱了水化過程那種堿性集料的反應，有效降低了塑性混凝土受到水熔鹽的侵蝕風險[3]。上述均為對于塑性混凝土定性的研究，陳磊在2008年研究了粉煤灰的摻入量與塑性混凝土的彈性模量的關系[4]；周梅教授在2009年，研究了橡膠微粒在塑性混凝土中的摻加，通過對比試驗分析了橡膠微粒在塑性混凝土中的工作性、彈性模2a、強度和滲透系數的影響[5]。楊林在2012年，通過摻加硅灰的方式定量研究了硅灰摻量的增加，對于塑性混凝土彈性模量和強度的影響，這對于塑性混凝土的推廣應用起到了較大的推動作用[6]。

鑒于塑性混凝土防滲性能受到多種因素的影響，同時對于塑性混凝土的抗?jié)B性能需要進行適配，確定最終配合比。本文通過滲水高度方法研究水膠比、水泥用量和外加劑摻量對于塑性混凝土滲透性能的影響，相關研究結果對于未來類似工程設計、施工和后期維護提供最為基礎的數據支撐。

1 圍堤結構對塑性混凝土的要求

1.1 圍堤結構的要求

大型水利水電工程項目的建設，對于堤壩具有較高的防滲要求，堤壩的防滲功能有缺陷會大大降低水利水電工程的安全使用性能。隨著水利水電工程的規(guī)模越來越大，在高水頭作用下，堤壩對防滲的要求則更高，由此將對維持水利水電工程的正常運營造成較大的影響，甚至發(fā)生滲漏問題，造成嚴重的后果，具體如下[7]：

(1)滲漏造成堤壩揚壓力太高，對于堤壩的抗滑穩(wěn)定性有著較大的影響，甚至造成失穩(wěn)破壞。

(2)滲漏降低堤壩耐久性。如果堤壩發(fā)生滲漏作用，則會在裂縫處析出鈣化物，造成混凝土疏松，嚴重則會影響大壩耐久性。

(3)滲漏加劇混凝土凍融破壞。對于堤壩而言，尤其是高寒地區(qū)的堤壩，滲漏條件下，滲入混凝土內部水分會發(fā)生結冰膨脹，導致混凝土結構發(fā)生凍融循環(huán)破壞，嚴重影響堤壩安全。

1.2 塑性混凝土的基本特點

與普通剛性混凝土相比，塑性混凝土原材料增加了膨潤土和外加劑等多元材料，因此在性質上也與普通混凝土有較大的不同。鑒于本文是研究塑性混凝土在堤壩工程中的應用，因此以下對于塑性混凝土在堤壩工程應用中的優(yōu)點進行描述[8]。

(1)彈性模量低。相對普通剛性混凝土，塑性混凝土加入了部分膨潤土，在一定程度上增加了塑性混凝土的塑性，對應的其彈性模量也大大降低，使得塑性混凝土具有較大的極限應變。

(2)抗裂性能好。鑒于塑性混凝土彈性模量較低，因此相比普通剛性混凝土具有較大的極限應變，使得塑性混凝土防滲墻在荷載作用下具有較大的變形，與周圍土體有較好的變形協調能力，幾乎不會因變形產生裂縫，即抗裂性能優(yōu)良。

(3)三向受力強度大。相比普通混凝土，塑性混凝土的抗壓強度較低，但對于堤壩工程等對于強度要求不高的工程能夠滿足結構要求。然而由于塑性混凝土的塑性變形較大，在三向力作用下，塑性混凝土強度會得到較大的提高，不會因為受壓較大而發(fā)生破壞現象。

(4)抗?jié)B性能好。塑性混凝土摻入大量低透水性材料，尤其是膨潤土的摻加，不僅降低了其彈性模量，對于其滲透系數也有較大程度的降低，這正好符合防滲墻的要求；在塑性混凝土設計中，多考慮摻入粉煤灰，粉煤灰的二次水化作用進一步降低了塑性混凝土的滲透系數。

(5)良好的抗震性。根據上述分析，塑性混凝土彈性模量較低，具有較大的應力變形能力，因此在地震力作用下，能夠吸收較多的振動能力，極大地提高了防滲墻的抗震能力。

1.3 塑性混凝土滲透產生的原因

對于塑性混凝土的滲透原理，目前多數認為是混凝土內部的空隙、微裂縫造成了混凝土內部的裂縫，流體通過裂縫滲透進入混凝土中，具體方式如圖1所示[7]。

對于多孔非均質材料的塑性混凝土，內部存在著大量的空隙以及微裂縫，因此防滲方面需要進行特殊的處理。因此為了防滲方面的考慮，對于塑性混凝土的水膠比有一定程度的限制，這是因為在混凝土中存在著一定量的自由水，在水泥水化過程完成后，水化產物卻不能完全占據自由水所占的空間，因此在塑性混凝土內部殘留的自由水，蒸發(fā)后存在一定量的毛細孔。同時施工中振搗不密實也會造成內部空隙。在澆筑完成后，內部骨料會有一定程度的沉降和上升，骨料的沉降和上升在混凝土內部形成貫通的毛細管通道，成為后期液體分子滲透的途徑；同時混凝土在運營過程中的干縮效應，也會在內部和表面產生裂縫，在運營過程中，在水壓作用下，水分子會沿著內部存在的空隙和微裂縫進行滲透。

1.4 塑性混凝土的抗?jié)B機理

塑性混凝土的抗?jié)B性能，即塑性混凝土抵抗水、油等溶液的滲透作用的能力，這也是衡量塑性混凝土質量的指標之一，同時對于塑性混凝土的耐久性也有較大的影響。塑性混凝土抗?jié)B性能，除了對水等溶液的滲透有抵抗能力，同時對于碳化、凍融循環(huán)破壞具有一定的抵抗能力。根據工程實踐，塑性混凝土在水利工程中的應用，對于防滲均具有一定程度的要求，當前對于其防滲機理的研究，多集中在以下幾個方面[8]：

(1)對于塑性混凝土的水膠比降低以后，水泥水化物會有一定程度的減小，因此相應的網狀結構較普通混凝土單薄，然而卻能夠組成完整的骨架，對于大部分的骨料具有一定的黏結能力，保證其穩(wěn)定性，足以抵抗一定程度的滲水壓力。

(2)骨料和土料的含量要根據試驗確定。這是因為適量的骨料和土料使得塑性混凝土不僅能夠滿足塑性混凝土的和易性和變形要求，使得單位體積的孔隙率大大降低。

(3)水泥顆粒及其水化產物間的空隙大部分被膨潤土或黏土顆粒堵塞。

(4)膨潤土和黏土顆粒的存在，使得正負電荷能夠吸附大量水分子，使得自由水分子變成化合水分子，降低滲水的過水面積。

(5)對于塑性混凝土而言，水泥和膨潤土水化過程，使得水化產物的密度和強度不斷加大，造成自由水含量減少，對于混凝土的密實性和抗?jié)B性能具有一定程度的增強作用。

2 塑性混凝土的試驗分析

2.1 試驗方法

塑性混凝土相對滲透系數測定的試驗方法參考DL/T5303-2013《水工塑性混凝土試驗規(guī)程》，采用混凝土抗?jié)B儀一次加壓進行，具體試驗過程如下：

(1)試件要求。對于塑性混凝土的抗?jié)B性能，鑒于其抗?jié)B性能的大小，當前多采用滲水高度方法進行測試，即相對滲透系數法進行測試，試件為圓柱體，具體標準為：上口直徑175mm、下口直徑185mm、高度150mm。試驗方法具體如圖2所示。

圖2 滲透示意圖

(2)施壓方式。將抗?jié)B儀的水壓力一次性加到0.4MPa，并記錄時間(精確至分)。保持恒定壓力24h。

(3)抗?jié)B性能公式推導。24h后，開始降壓。然后劈開試件，測量試件的平均滲水高度，根據計算得到相對滲透系數，有關計算公式為：

(1)

式中，Kr—相對滲透系數，cm/h；α—塑性混凝土的吸水率；Dm—平均滲水高度，cm；T—恒壓保持時間，h；H—水壓力，以水柱高度表示，cm；若在恒壓的過程中，試件出現滲水，則停止試驗，記下出水時間，試件的滲水高度為150mm。

2.2 試驗配合比

當前缺少塑性混凝土試驗規(guī)程，本次試驗原理主要借鑒DL/T5199-2004《水工混凝土試驗規(guī)程》和DL/T5150-2001《水利水電工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》，對于塑性混凝土抗?jié)B性能的相關影響因素進行研究。鑒于水膠比、水泥用量和減水劑含量對于塑性混凝土抗?jié)B性能的影響較大，本文以其他參數為定值，通過改變水膠比、水泥用量和減水劑的方法，進行塑性混凝土的抗?jié)B性能試驗[9]。

迄今為止，關于塑性混凝土的配合比，國內外沒有統(tǒng)一的設計方法，在具體工程應用中，往往依靠經驗設計多組配合比進行試配工作，從中選擇符合工程要求的配合比，以供工程施工使用，本文通過多次試驗，選擇的配合比見表1。

表1 塑性混凝土試驗配合比

圖3 塑性混凝土試件滲水高度

試驗塑性混凝土設計強度為0.6MPa，水泥采用P.O32.5號普通硅酸鹽水泥，粗骨料為連續(xù)級配碎石，最大粒徑為25mm，天然河沙，級配曲線位于II區(qū)，屬于中砂；膨潤土采用四川樂山生產的鈉質膨潤土。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

作為塑性混凝土較為重要的技術指標，抗?jié)B性能直接關系著塑性混凝土防滲性能的好壞，基于上節(jié)對于塑性混凝土3種不同材料對比的工況，根據相對滲透系數法進行試驗，得到不同工況下摻加材料對于塑性混凝土滲透系數的影響，根據公式計算得到塑性混凝土相對滲透系數，具體見表2。

表2 塑性混凝土抗?jié)B性能試驗結果

試驗計算圖如3所示。

3.2 水膠比對塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

水膠比是塑性混凝土配合比設計中的重要指標，同時也對于塑性混凝土的抗?jié)B性能有較大的影響。根據滲水高度法的測量原理，對于塑性混凝土的抗?jié)B性能進行研究，如以滲透系數研究塑性混凝土的抗?jié)B性能，結果如圖4所示。

圖4 滲透系數與水膠比之間的關系

根據圖4可知，塑性混凝土的水膠比越大，則塑性混凝土的滲透系數越大。這是因為在塑性混凝土拌合過程中，水膠比越大，則需要越多的水，塑性混凝土凝固過程中則會有更多的自由水，大量自由水的存在一定程度上影響著塑性混凝土結構中膠凝材料的連續(xù)性。膠凝材料的連續(xù)性不好，則會導致塑性混凝土的抗?jié)B性能下降，即滲透系數會有一定程度的增加。同時，水膠比過大，在塑性混凝土凝固后，自由水會有一定程度的蒸發(fā)，造成塑性混凝土內部孔隙率變大，導致滲透能力增加、滲透系數大大增加。

3.3 水泥用量對塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

對于塑性混凝土而言，水泥和骨料是影響其強度的主要因素，與骨料含量不同的是，水泥用量對于塑性混凝土的抗?jié)B性能也有一定程度的影響，這是與水泥水化反應方程式有較大的區(qū)別：

2C3S+6H→C3S2H3+3CH

(2)

式(2)即為硅酸鹽水泥發(fā)生水化反應的方程式，即硅酸三鈣發(fā)生水化反應生成硅酸(C—S—H)和氫氧化鈣(CH)的過程。具體反應過程和分析如下。

(1)氫氧化鈣結晶，水化后的硅膠將會在硅酸三鈣表面形成包裹層，包裹層隨著水化作用的進行不斷變厚。鑒于水化硅膠的粒徑僅為1mm，吸附氫氧化鈣后則能有效的降低水分擴散。

(2)對于水泥用量的多少，對于水化產物的形成也會有著較大的影響，水化產物的形成和生成速度對于塑性混凝土的抗?jié)B性能有著較大的影響，根據相對滲透系數法測定水泥用量對于塑性混凝土抗?jié)B性能的影響，具體結果如圖5所示。

圖5 水泥用量與滲透系數之間的關系

根據圖5可以看出，隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的滲透系數呈下降趨勢，即塑性混凝土的抗?jié)B性能隨著水泥用量的增加而增加。這是因為根據水泥水化反應方程式，水化過程會產生一定量的膠體，對于結晶的硅酸三鈣產生一定的包裹作用，水泥用量越大，包裹性能越強，塑性混凝土中的空隙率則會大大降低，對于抗?jié)B性能具有較大程度的提高。水泥摻量的大小，影響著水化產物層的形成，從而影響到塑性混凝土的抗?jié)B性能。

3.4 外加劑對塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

塑性混凝土中摻加外加劑，在一定程度上降低塑性混凝土的滲透系數，具體如圖6所示。

圖6 滲透系數與減水劑摻量之間的關系

根據圖6可知，隨著減水劑摻量的增加，塑性混凝土的抗?jié)B性能有所降低。這是因為減水劑中含有的親水基團能夠吸附大量水分子，懸浮的水分子包裹水泥顆粒，形成水層，使得水泥顆粒之間的滑動性能得到一定程度的提高。同時導致塑性混凝土中產生大量小氣泡，在混凝土小氣泡一方面可以有效組織塑性混凝土中固體顆粒的沉降和水分子的上升，同時氣泡形成薄膜也在一定程度上消耗了水分，降低了自由水的含量；上述作用使得自由水的游移作用降低，同時切斷水分傳輸的毛細管，大大降低了塑性混凝土的滲透系數。

4 結論

鑒于塑性混凝土的的大變形、地彈性模量、高抗?jié)B性能的特征，在水利東湖店工程防滲施工、加固處理工程中得到了較為廣泛的應用。通過水膠比、水泥用量和減水劑摻量的不同，研究塑性混凝土的抗?jié)B性能，得到以下結論：

(1)針對塑性混凝土水膠比對于塑性混凝土的防滲性能影響進行了研究，發(fā)現隨著水膠比的增加，塑性混凝土的滲透系數會大幅度增加。

(2)通過研究塑性混凝土水泥用量對于塑性混凝土防滲性能的影響，發(fā)現隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的滲透系數會大幅度降低。

(3)減水劑的添加，對于塑性混凝土的防滲性能有較大的影響，隨著減水劑用量的增加，塑性混凝土抗?jié)B性能有較大程度增強。