黃紹芳

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025)

隨著我國水利水電行業(yè)施工技術(shù)的發(fā)展，水利水電工程向著更高更大方向發(fā)展，因此水利水電工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如壩體、危壩加固、壩基和壩后擋土均存在不同程度的滲漏問題。根據(jù)工程建設(shè)情況，以往水利水電工程多采用剛性混凝土(E≥10000MPa)進(jìn)行防滲結(jié)構(gòu)的處理，鑒于剛性混凝土彈性模量大，是地基土的幾十倍甚至上百倍，因此在上部荷載作用下，變形與地基變形不一致，導(dǎo)致防滲墻和地基圍巖的變形應(yīng)力存在較大差別，這會(huì)造成防滲墻內(nèi)存在較多裂縫，甚至存在防滲墻被壓碎的可能性，嚴(yán)重影響水利水電工程的安全運(yùn)營。如何才能在既能保證防滲墻的強(qiáng)度，同時(shí)又能對于防滲性能有所保證。塑性混凝土一經(jīng)推出便得到了大量廣泛的應(yīng)用，相比普通剛性混凝土，塑性混凝土不僅具有剛性混凝土的骨架作用，膨潤土和粉煤灰的加入對于防滲性能也有較大的增強(qiáng)作用，因此在水利水電防滲墻中得到了較為廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)60年代以來，隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步和施工工藝的成熟發(fā)展，塑性混凝土在國內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用。相比剛性混凝土，塑性混凝土的彈性模量較低，極限變形較大，這對于塑性混凝土保證較大的變形有了最基礎(chǔ)的保證，同時(shí)塑性混凝土必要的強(qiáng)度和抗?jié)B性能對于塑性防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)還有一定程度的改善；同時(shí)摻入大量粉煤灰和膨潤土，塑性混凝土對于水泥原材料的需求有所降低，使得水利水電工程造價(jià)在一定程度上有所降低。

鑒于當(dāng)前塑性混凝土的大量應(yīng)用，因此對于塑性混凝土的性能需要有充分的研究，尤其是其防滲機(jī)理需要有清晰精確的研究；根據(jù)查閱文獻(xiàn)，當(dāng)前對于塑性混凝土的研究，多是集中在其工程應(yīng)用，性能多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室適配確定，缺乏定性的研究，因此本文從塑性混凝土典型材料方面展開研究，通過相對滲透系數(shù)法，對于水泥用量對塑性混凝土抗?jié)B性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，水泥用量的增加，對于塑性混凝土的抗?jié)B性能具有一定程度的增強(qiáng)作用。相關(guān)研究對于未來類似工程設(shè)計(jì)、施工和后期維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 塑性混凝土防滲性能分析

1.1 材料組成

對于塑性混凝土而言，相比普通剛性混凝土，水泥用量相對降低，膨潤土摻入，和易性相對較高，由于水泥含量相對較低，因此強(qiáng)度和彈性模量均低于普通剛性混凝土，而極限應(yīng)變大大增加，因此能夠與地基基礎(chǔ)進(jìn)行較好的適應(yīng)，鑒于其在塑性防滲墻的防滲要求和強(qiáng)度要求，塑性混凝土配合比組成如下：

(1)水泥用量。相比普通剛性混凝土，塑性混凝水泥用量相對較低，一般為80～150kg/m3。

(2)膠凝材料總量。針對防滲墻用塑性混凝土而言，膠凝材料的含量一般為270～360kg/m3，膨潤土和黏土總用量占總量的40%～70%，同時(shí)一些塑性防滲墻中還應(yīng)用了粉煤灰。

(3)水膠比。鑒于塑性混凝土中大量摻加膨潤土和黏土，具有較大的吸水率，為了滿足流動(dòng)性與和易性的要求，水膠比多為0.8～1.3。

(4)骨料含量。為了降低塑性混凝土的變形模量，對于骨料粒徑要求不得低于20mm，且砂石比例不得小于1∶1，骨料含量多為1300～1600kg/m3。

1.2 塑性混凝土滲透產(chǎn)生的原因

對于塑性混凝土，其滲透性能主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定，如孔隙率、孔徑大小和骨料-界面區(qū)的骨料組成等?；炷羶?nèi)部由于溫度應(yīng)力或者收縮徐變引起的微裂縫，也是其產(chǎn)生滲透的原因之一。對于塑性混凝土的滲透，當(dāng)前主流觀點(diǎn)如下：

(1)毛細(xì)孔越多越大，則會(huì)導(dǎo)致塑性混凝土的強(qiáng)度降低，同時(shí)滲透系數(shù)增大。毛細(xì)孔的增多主要是由于在塑性混凝土澆筑過程中較大的水膠比造成的，主要是塑性混凝土原材料中包括大量膨潤土和黏土，能夠吸收較多的水。為了塑性混凝土的流動(dòng)性和和易性，需要選擇大水膠比，這樣在塑性混凝土凝固過程中，內(nèi)部含量大量自由水，水化完成后，水化產(chǎn)物無法完全占據(jù)自由水的空間，導(dǎo)致產(chǎn)生大量空隙和毛細(xì)孔。

(2)塑性混凝土的界面區(qū)疏松多孔，這會(huì)導(dǎo)致Ca(OH)2富集并大量增長，使得塑性混凝土界面區(qū)更加疏松，惡性循環(huán)，導(dǎo)致大量有害介質(zhì)侵入塑性混凝土內(nèi)部，對于塑性混凝土的滲透性能產(chǎn)生較大的影響。

(3)塑性混凝土的收縮徐變性能也會(huì)造成在塑性混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，在水壓作用下，液體分子會(huì)沿著塑性混凝土內(nèi)部空隙和微裂縫進(jìn)行滲透，造成較大的滲透損壞。

1.3 塑性混凝土的抗?jié)B機(jī)理

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對于塑性混凝土的抗?jié)B機(jī)理，主要存在以下定性解釋：

(1)對于塑性混凝土的水膠比降低以后，水泥水化物會(huì)有一定程度的減小，因此相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jié)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(jù)試驗(yàn)確定。這是因?yàn)檫m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(chǎn)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(fù)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(chǎn)物的密度和強(qiáng)度不斷加大，造成自由水含量減少，對于混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性能具有一定程度的增強(qiáng)作用。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試件材料

迄今為止，對于塑性混凝土配合比沒有一個(gè)定論，在實(shí)際工程中，多通過經(jīng)驗(yàn)或者通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行適配，根據(jù)工程需要選擇合適的配合比，通過多次試驗(yàn)，本文塑性混凝土具體配合材料參數(shù)見表1。

表1 塑性混凝土的配合比

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 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(dāng)前多采用滲水高度方法進(jìn)行測試，即相對滲透系數(shù)法進(jìn)行測試，試件為圓柱體，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)上口直徑175mm；

(2)下口直徑185mm；

(3)高度150mm。

試驗(yàn)方法具體如圖1所示。

圖1 滲透示意圖

2.2.2 施壓方式

通過抗?jié)B儀施加水壓力，一次性加到0.4MPa，并詳細(xì)記錄時(shí)間，然后保證抗?jié)B儀水壓力恒定，直至24h。

如果恒壓過程中，發(fā)生滲水，則停止試驗(yàn)，記錄下出水試件。

2.2.3 抗?jié)B性能研究

24h后，開始降壓。降壓完成后，劈開試件，測量平均滲水高度，通過計(jì)算即可得到相對滲透系數(shù)，相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Kr—相對滲透系數(shù)，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(shí)間，h；H—水壓力，以水柱高度表示，cm。

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，水泥和骨料對于其強(qiáng)度具有較大的影響，與骨料影響不同，水泥水化作用產(chǎn)物對于其抗?jié)B性能具有一定程度的影響作用，這是因?yàn)樗嗨饔萌缦拢?/p>

2C3S+6H→C3S2H3+3CH

(2)

水泥發(fā)生水化作用，即C3S發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H和CH的過程。具體反應(yīng)過程和分析如下：

(1)氫氧化鈣結(jié)晶后，水化后的硅膠將會(huì)在硅酸三鈣表面形成包裹層，包裹層隨著水化作用的進(jìn)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地降低水分?jǐn)U散。

(2)水泥用量的多少，對于水化產(chǎn)物的形成也會(huì)有著較大的影響，水化產(chǎn)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(jù)相對滲透系數(shù)法測定相關(guān)滲透系數(shù)，則水泥用量對于塑性混凝土抗?jié)B性能的影響結(jié)果：水泥摻量的大小，影響著水化產(chǎn)物層的形成，從而影響到塑性混凝土的抗?jié)B性能(如圖2所示)。

圖2 水泥用量與滲透系數(shù)之間的關(guān)系

根據(jù)圖2可知，水泥用量增加，則塑性混凝土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢，且越來越為明顯，即塑性混凝土抗?jié)B性能與水泥用量呈正相關(guān)趨勢。這是因?yàn)楦鶕?jù)水泥水化反應(yīng)方程式，水化過程會(huì)產(chǎn)生一定量的膠體，對于結(jié)晶的硅酸三鈣產(chǎn)生一定的包裹作用，水泥用量越大，包裹性能越強(qiáng)，塑性混凝土中的空隙率則會(huì)大大降低，對于抗?jié)B性能具有較大程度的提高。

4 結(jié)語

鑒于塑性混凝土與剛性混凝土相近的剛度，且存在較大的抗?jié)B性能和極限應(yīng)變能力，在水利工程防滲墻項(xiàng)目中得到了較為廣泛的應(yīng)用。由于膨潤土的大量摻加，減少了水泥用量，大大降低了工程成本，優(yōu)異的性能和低廉的成本使得塑性混凝土在防滲墻中得到了較為廣泛的應(yīng)用。對于塑性混凝土而言，膨潤土的添加，不僅大大降低了水泥用量和工程成本，也在一定程度上降低了水泥水化熱的產(chǎn)生，對于塑性混凝土裂縫的產(chǎn)生具有一定程度的抑制作用，對于水利水電工程項(xiàng)目具有較強(qiáng)的適用性。