劉文龍

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

1 概 述

在土石壩除險(xiǎn)加固工程中，塑性混凝土防滲墻可有效彌補(bǔ)剛性混凝土防滲墻在高烈度或地基承載力較弱地區(qū)應(yīng)用的缺陷，故塑性混凝土防滲墻加固技術(shù)應(yīng)用得越來越廣泛[1-2]。

隨著塑性混凝土防滲墻在水庫除險(xiǎn)加固工程及相關(guān)工程的應(yīng)用，采用壓縮性低、抗剪強(qiáng)度高、承載能力較好和弱透水性等特點(diǎn)的紅黏土作為塑性混凝土原材料，成為一種有效的解決措施[3-8]，故通過試驗(yàn)研究分析紅黏土對(duì)塑性混凝土防滲墻性能影響顯得非常重要。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

紅黏土取自某水庫庫區(qū)，水泥采用型號(hào)為PO42.5的普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均符合要求。采用的河砂細(xì)度模數(shù)為3.0，屬中砂，顆粒級(jí)配屬于II區(qū)，級(jí)配良好，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。碎石粗骨料采用粒徑為5～20 mm的碎石顆粒級(jí)配，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。膨潤(rùn)土采用某膨潤(rùn)土廠生產(chǎn)的特級(jí)泥漿膨潤(rùn)土。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 設(shè)計(jì)紅黏土配合比

對(duì)取自贛南紅土地區(qū)的紅黏土，通過改變紅黏土含量設(shè)計(jì)試樣，制備紅黏土含量分別在0、30、60、90、120、150、180和210 kg/m3(每種紅黏土含量試件為3塊，以便減小試驗(yàn)誤差)的紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土，水泥含量均為150 kg/m3。國(guó)內(nèi)尚無明確的紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，本次試驗(yàn)中的紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土配合比設(shè)計(jì)以四川南部某水庫除險(xiǎn)加固工程需要為背景，要求滿足相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。取水膠比為0.9，濕容重為2 000 kg/m3，含砂率為50%，膨潤(rùn)土含量為65 kg/m3。制備成100 mm×100 mm×100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。

2.2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

參照《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5303-2013)的有關(guān)規(guī)定，將試樣(每種紅黏土含量為3個(gè)試樣，以減少試驗(yàn)誤差)放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓盤上，試樣中心應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)的下壓盤中心對(duì)準(zhǔn)。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，上壓板快速接觸試樣時(shí)調(diào)整球座，使接觸平衡，測(cè)量抗壓強(qiáng)度。以0.05 MPa/s的速度連續(xù)均勻加載，當(dāng)試件接近失效并開始快速變形時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的節(jié)流閥應(yīng)停止調(diào)整，直到試件損壞，并記錄失效載荷和變形。為計(jì)算試件的壓縮彈性模量，在20%極限載荷和40%極限載荷下，安裝兩個(gè)測(cè)微計(jì)來記錄試件的變形。

2.2.3 滲透試驗(yàn)

參照《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5303-2013)的相關(guān)規(guī)定，具體步驟為：

1) 首先將試件(每種紅黏土含量試件為3塊，以便減小試驗(yàn)誤差)放入真空飽水裝置中進(jìn)行飽和。在試驗(yàn)過程中，將試樣擦拭干凈。在試樣側(cè)面涂上一層合適尺寸的橡膠膜或一層密封材料，然后用螺旋加壓器將試樣壓入試驗(yàn)?zāi)＞?，使試樣與模型底面齊平。

2) 啟動(dòng)抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)，打開試驗(yàn)位置下的閥門，將試驗(yàn)坑注滿水，關(guān)閉抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)，將密封試樣安裝在抗?jié)B試驗(yàn)機(jī)上。試驗(yàn)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的水力坡度，計(jì)算試驗(yàn)中的水壓。計(jì)算時(shí)，將不透性計(jì)的水壓加在水壓上一次，直到發(fā)生滲漏為止。用中性濾紙或吸水性好的材料吸水，開始記錄時(shí)間。

3) 根據(jù)滲水量準(zhǔn)備足夠的中性濾紙，稱取其重量。然后將中性濾紙覆蓋在滲水試樣表面，蓋上玻璃板，每隔2 h取出中性濾紙，稱取其重量。前后兩個(gè)質(zhì)量差為該時(shí)期滲水量，即試件測(cè)試可以停止。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同紅黏土含量下抗壓強(qiáng)度規(guī)律探究

按照下列公式計(jì)算混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度：

(1)

式中：Pa為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；F為破壞時(shí)的極限荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

經(jīng)過試驗(yàn)，得到各混凝土立方體試件單軸抗壓強(qiáng)度，見表1、圖1、圖2。

表1 不同紅黏土含量下混凝土立方體試件單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同紅黏土含量下單軸抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖2 各含量下強(qiáng)度降幅曲線

由表1和圖1可以看出，紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別下降了10%、15%、24%、30%、34%、36%、38%、41%，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

其中，當(dāng)紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60和90 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低0.72、1.13和1.42 MPa，降幅十分顯著；當(dāng)紅黏土含量從90 kg/m3增加至210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低0.18、0.27、0.37和0.52 MPa，降幅明顯放緩。

從圖2可以看出，隨著紅黏土含量的增加，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度在各階段的降幅逐漸變緩，整體表現(xiàn)出指數(shù)規(guī)律。以90 kg/m3含量為界，單軸抗壓強(qiáng)度在各階段的降幅從一個(gè)快速下降進(jìn)入到一個(gè)緩慢下降的階段。試驗(yàn)結(jié)果表明，在水泥含量一定的情況下，以紅黏土含量90 kg/m3含量為界，紅黏土含量小于90 kg/m3紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體的單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)紅黏土含量十分敏感；超過90 kg/m3含量范圍，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體的單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)紅黏土含量的敏感程度逐漸降低；當(dāng)紅黏土含量接近100%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度也接近紅黏土的單軸抗壓強(qiáng)度。

3.2 壓縮彈性模量規(guī)律探究

靜力抗壓彈性模量按下式計(jì)算：

(2)

式中：Ec為壓縮彈性模量，MPa；F2為最大荷載的40%，N；F1為最大荷載的20%，N；ΔL為荷載從20%增加到40%時(shí)的變形量，mm；L為測(cè)量變形的標(biāo)距，mm；A為試件受壓面積，mm2。

試驗(yàn)結(jié)果見表2、圖3。

表2 紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同紅黏土含量下彈性模量曲線

由表2和圖3可以看出，紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土立方體彈性模量分別下降了5%、11%、13%、21%、26%、28%和29%，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。圖3表明在水泥含量一定的條件下，在0～210 kg/m3的紅黏土含量范圍內(nèi)，隨著紅黏土含量的增加，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體試件的彈性模量在各階段的降幅幾乎相等，整體表現(xiàn)出線性規(guī)律。

3.3 滲透結(jié)果分析

混凝土的滲透系數(shù)按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：K20為室溫為20℃時(shí)的滲透系數(shù)，cm/s；Q為總滲透水量，cm3；J為滲透比降；t為間隔時(shí)間，s；A為試件平均截面面積，cm2；τT為實(shí)際試驗(yàn)條件下的水動(dòng)力黏滯系數(shù)；τ20為室溫為20℃時(shí)的水動(dòng)力黏滯系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖4。

表3 紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同紅黏土含量下試件滲透系數(shù)曲線

由表3和圖4可以看出，紅黏土含量從0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3時(shí)，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土立方體滲透系數(shù)分別下降了21%、31%、46%、52%、55%、56%和57%，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

圖4表明，紅黏土含量與滲透系數(shù)的下降呈現(xiàn)出先陡降后緩降的變化規(guī)律，整個(gè)變化過程表現(xiàn)出二次函數(shù)規(guī)律。與抗壓強(qiáng)度類似，同樣以紅黏土含量90 kg/m3為界定點(diǎn)，滲透系數(shù)在各階段的降幅從一個(gè)快速下降進(jìn)入到一個(gè)緩慢下降的階段。結(jié)果表明，在水泥含量一定的情況下，以紅黏土含量為90 kg/m3含量為界，紅黏土含量小于90 kg/m3紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體的滲透系數(shù)對(duì)紅黏土含量十分敏感，超過90 kg/m3含量范圍，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土立方體試件的滲透系數(shù)對(duì)紅黏土含量的敏感程度逐漸降低；當(dāng)紅黏土含量接近100%時(shí)，滲透系數(shù)也接近紅黏土的滲透系數(shù)。

4 結(jié) 論

1) 在水泥含量一定的條件下，紅黏土含量對(duì)紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)起著決定性的作用。隨紅黏土含量增加，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

2) 隨著紅黏土含量增加，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的彈性模量與紅黏土含量呈現(xiàn)線性下降的規(guī)律。

3) 隨著紅黏土含量增加，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。整個(gè)變化過程表現(xiàn)出二次函數(shù)規(guī)律。

4) 在水泥含量一定的情況下，以紅黏土含量為90 kg/m3含量為界，紅黏土含量小于90 kg/m3，紅黏土膨潤(rùn)土塑性件混凝土的立方體的單軸抗壓強(qiáng)度和滲透性對(duì)紅黏土含量十分敏感；超過90 kg/m3含量范圍，敏感程度逐漸降低。