付雪梅 楊宇稀 丁向群

（沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

0 引言

塑性混凝土是一種在普通混凝土中加入粘土以及膨潤土等摻合料，大幅度降低水泥用量，同時(shí)減小彈性模量的新型柔性墻體材料[1-2]，其廣泛應(yīng)用于鐵路交通以及水利工程中的壩體、壩基防滲、險(xiǎn)壩加固、圍堰、堤壩等防滲工程，以及各種海港工程和城市建筑的基礎(chǔ)工程中，包括地下室、地下車庫等[3-4]。塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量主要與其組成成分含量有關(guān)，但目前缺乏膨潤土摻量與塑性混凝土抗壓強(qiáng)度和靜力抗壓彈性模量相關(guān)性的室內(nèi)試驗(yàn)研究，且缺乏相關(guān)規(guī)律解釋和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。本研究探究了不同膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律，并利用壓汞測孔和掃描電子顯微鏡分析影響原因。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

⑴膨潤土：鈣基膨潤土，市售，其主要化學(xué)成分含量及物理性能指標(biāo)分別見表1、表2。

表1 膨潤土化學(xué)成分含量

表2 膨潤土主要物理性能指標(biāo)

⑵水泥：普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），冀東水泥集團(tuán)有限責(zé)任公司。

⑶粗骨料：普通碎石，5～20mm 連續(xù)級(jí)配；

⑷細(xì)骨料：河砂，中砂，含泥量2%～3%；

⑸外加劑：液體聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率大于30%；

⑹拌合水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用單因素控制法，測試水膠比相同條件下塑性混凝土的力學(xué)性能隨膨潤土摻量變化的變化規(guī)律。根據(jù)《DL/T5786-2019 水工塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。假定塑性混凝土密度為2100 ～2200kg/m3，砂率為50%，水膠比為1.0，調(diào)整減水劑的用量，保證各組試驗(yàn)坍落度和擴(kuò)展度為250～330mm。膨潤土摻量分別占膠凝材料總量30%、50%、70%，其配合比見表3。

表3 塑性混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土制備參照《DL/T5303-2013 水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。由于試驗(yàn)中膨潤土摻量較大，為了更好地使減水劑產(chǎn)生作用以及膠凝材料能夠與粗細(xì)骨料攪拌均勻，攪拌前先將水泥和膨潤土拌均勻，再與粗細(xì)骨料混合攪拌。試驗(yàn)測試主要依據(jù)《DL/T5303-2013 水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》及《DL/T5144-2015 水工混凝土施工規(guī)范》進(jìn)行。采用邊長100mm×100mm×100mm 的立方體試塊測試抗壓強(qiáng)度；φ150mm×300mm 的圓柱體試塊測試靜力抗壓彈性模量。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1 可見：隨膨潤土摻量增大，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度近似線性降低。與摻量30%組28d、60d 抗壓強(qiáng)度相比，摻量50%、70%組28d 抗壓強(qiáng)度降幅分別為62.57%、78.53%；60d 分別為58.10%、79.92%。即膨潤土摻量越大，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度降低越顯著。當(dāng)齡期不變時(shí)，隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度降低，且下降速度越來越緩慢；當(dāng)齡期增加時(shí)，同一膨潤土摻量的抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而增大，增大幅度隨著膨潤土摻量增大而先增大后減小，即在摻量50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅達(dá)到最大。

圖1 立方體抗壓強(qiáng)度與膨潤土摻量的關(guān)系

水泥作為塑性混凝土強(qiáng)度主要貢獻(xiàn)者，其發(fā)生水化反應(yīng)生成堅(jiān)固的水化產(chǎn)物是決定塑性混凝土強(qiáng)度的主要因素之一。隨著膨潤土摻量增加，膠凝材料總量不變，則水泥用量降低，發(fā)生水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物減少，強(qiáng)度降低。同時(shí)，隨著齡期的增長，塑性混凝土強(qiáng)度發(fā)展過程中，發(fā)生水泥-水-土三相“固化”作用。但當(dāng)膨潤土摻量過高時(shí)，且塑性混凝土凝結(jié)硬化時(shí)間足夠長，膨潤土完全吸水膨脹，水泥與膨潤土比例失調(diào)，使得塑性混凝土強(qiáng)度降低速度加快。

2.2 膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土變形性能的影響

在外部荷載作用下，塑性混凝土的變形性能主要由其靜力抗壓彈性模量體現(xiàn)。靜力抗壓彈性模量越小，可塑性越強(qiáng)，變形性能越強(qiáng)。膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土靜力抗壓彈性模量的影響如圖2 所示。由圖可見：膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土靜力抗壓彈性模量的影響尤為明顯，隨膨潤土摻量增大，彈性模量近似線性降低。與摻量30%組28d、60d 彈性模量相比，摻量50%、70%組28d 降幅分別為97.45%、99.84%；60d 分別為75.37%、92.69%。即膨潤土摻量越大，塑性混凝土彈性模量降低越顯著。當(dāng)齡期不變時(shí)，隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土彈性模量降低，且下降速度越來越緩慢；當(dāng)齡期增加時(shí)，同一膨潤土摻量的彈性模量隨齡期增加而降低，降低幅度隨著膨潤土摻量增大減小，分別為98.42%、84.71%、25.33%，即在摻量70%時(shí)，彈性模量降幅最大。

圖2 靜力抗壓彈性模量與膨潤土摻量的關(guān)系

由胡克定律可知，塑性混凝土靜力抗壓彈性模量是試件受壓破壞后應(yīng)力與應(yīng)變的比值。在應(yīng)力不變的狀態(tài)下，應(yīng)變?cè)酱?，彈性模量越小。膨潤土中的主要成分蒙脫石是一種由兩層硅氧四面體中間加一層鋁（鎂）氧四面體組成的2:1 型粘土礦物。其中兩個(gè)單元層結(jié)構(gòu)之間通過分子間作用力（范德華力）連接，結(jié)構(gòu)松散，水分子或其他有機(jī)分子可以進(jìn)入層間發(fā)生膨脹，使得混凝土整體具有可壓縮性[5]。在荷載作用下，塑性混凝土發(fā)生較大變形，產(chǎn)生較大應(yīng)變，使得彈性模量降低。因此，當(dāng)塑性混凝土中膨潤土含量高時(shí)，其可發(fā)生應(yīng)變大，彈性模量低，變形能力強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過對(duì)膨潤土摻量對(duì)塑性混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究及理論分析，得到如下結(jié)論：

⑴隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度呈近似線性降低，且下降速度越來越緩慢。與28d 齡期相比，60d 抗壓強(qiáng)度增大，增大幅度隨著膨潤土摻量增大而先增大后減小，在摻量為50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅達(dá)到最大。

⑵隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土彈性模量呈近似線性降低，且下降速度越來越緩慢。與28d 齡期相比，60d 彈性模量降低，降低幅度隨著膨潤土摻量的增大而減小，在摻量為70%時(shí)，彈性模量降幅最大。