煤矸石塑性混凝土的配合比設計試驗

熊復慧，侯新月，李向東

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

在水利工程中，水庫防滲主要是采用混凝土防滲墻，亦稱地下連續墻，防滲墻墻體材料使用初期主要是采用常規混凝土亦稱剛性混凝土，經過近40多年的研究和實踐，發現剛性混凝土防滲墻在抗滲方面存在著不少缺陷，因為剛性混凝土的強度大、彈性模量大，在外荷載的作用下，產生的變形極小，在應力應變關系方面與墻體周圍的材料存在著較大的差異，從而在防滲墻體內產生大量地有害裂縫，使墻體本身的抗滲性能降低，同時，剛性混凝土的強度高，拆除時施工較為復雜，使得在圍堰等工程使用中受到一定的限制，在20世紀50年代國外首次出現使用塑性混凝土作為防滲墻墻體材料，并且取得了較理想的效果，從80年代開始我國也開始對塑性混凝土進行研究并使用到工程中，1989年我國在福建水口水電站首次將塑性混凝土使用于圍堰防滲墻工程中，并獲得成功，隨后在國內許多大中型水利水電工程中推廣應用，如小浪底水庫的主壩，福建水口水電站二期工程的上圍堰，湖北丹江口水庫的副壩，湖北隔河巖電廠圍堰等。隨著我國水電事業的發展，塑性混凝土在壩體、壩基防滲、除險加固、圍堰、堤壩的防滲工程中廣泛采用。

1 試驗用原材料的性能測試

試驗所用原材料分別有水泥、膨潤土、普通中砂、碎石、煤矸石、水，以及外加劑木鈣。

(1)試驗用水泥是哈爾濱亞泰水泥廠生產的天鵝牌P·O42.5水泥，其物理指標及化學成分如表1、表2所示。

表1 試驗用水泥的物理指標

表2 試驗用水泥的化學指標 %

(2)試驗用膨潤土來自龍江縣膨潤土廠，其性能指標如表3所示。

表3 試驗用膨潤土的性能指標

(3)試驗用砂為依蘭縣松花江流域河床天然河沙，檢測其性能指標如表4所示。

表4 試驗用砂性能指標

(4)試驗用碎石為阿城石場5～25 mm連續級配碎石，檢測其性能指標如表5所示。

(5)試驗用煤矸石是達連河煤礦的粒徑在30～100 mm范圍內煤矸石，檢測其性能指標如表5所示。

試驗用砂、碎石、煤矸石顆粒級配區間如圖1所示。

(6)水為哈爾濱自來水，檢測其性能指標如表6所示。

(7)試驗用外加劑是木鈣，不但有減水的作用還可以起到抑制坍落度損失的效果。

圖1 試驗用骨料所在級配區間

表6 試驗用水的化學指標

2 煤矸石塑性混凝土配合比設計

關于塑性混凝土的配合比設計在《現澆塑性混凝土防滲墻施工技術規程》(JGJ/T 291—2012)[1]中有詳細提及且在《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》(SL 174—2014)[2]中也有簡要提及，首先就塑性混凝土原材料的品質要求、塑性混凝土的性能指標，以針對摻有煤矸石的塑性混凝土加以分析說明；然后分析計算塑性混凝土的配制強度以及配合比，并根據研究內容，列出相關塑性混凝土配合比。

2.1 塑性混凝土的性能指標

在《現澆塑性混凝土防滲墻施工技術規程》中分別對塑性混凝土拌合物與力學性能做如下規定：

(1)地下防滲芯墻塑性混凝土拌和物的密度不應小于2100 kg/m3；泌水率應小于3%；入孔坍落度應為180～220 mm，擴展度應為340～400 mm；坍落度保持150 mm以上的時間應不小于1 h。

(2)地上立模澆筑防滲芯墻塑性混凝土拌和物的密度不應小于2200 kg/m3；泌水率應小于2%；入孔坍落度應為140～160 mm。

(3)塑性混凝土初凝時間不應小于6 h，終凝時間不應大于24 h。

(4)28 d抗壓強度應為1.0～5.0 MPa。

(5)彈性模量宜為防滲墻周圍介質彈性模量的1～5倍，且不應大于2000 MPa；彈強比宜為200～500。

(6)塑性混凝土滲透系數應為10-6～10-8cm/s，滲透系數破壞坡降不宜小于300。

選用煤矸石來部分或全部替代塑性混凝土里的粗骨料，由于大部分煤矸石表觀密度低于2500 kg/m3，更有部分產地的煤矸石表觀密度低至2000 kg/m3，所以用煤矸石來配置塑性混凝土拌和物密度明顯低于普通塑性混凝土的，因此關于標準中“地下防滲芯墻塑性混凝土拌和物的密度不應小于2100 kg/m3”的規定需做調整。本課題旨在將煤矸石應用到塑性混凝土中，但不改變其質量要求，因此關于塑性混凝土拌和物的其他性能指標與力學性能的規定不做調整，且保證達到其要求。

2.2 塑性混凝土的配制強度

在《現澆塑性混凝土防滲墻施工技術規程》與《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》中關于塑性混凝土的配制強度的計算分別以標準差與離差系數的方法計算，如式(1)、式(2)、式(3)所示：

fc u,0=fc u,k+tσ

(1)

σ=βfc u,k

(2)

fc u,0=fc u,k/(1-tCv)

(3)

式中：fc u,0為塑性混凝土施工配制強度，MPa；fc u,k為塑性混凝土設計齡期的標準強度值，MPa；β為標準差與塑性混凝土施工配制強度的關系系數；σ為標準差；t為概率度系數；Cv為強度的離差系數。

t、β、Cv與fc u,k的關系在相應規程的附表中查得。塑性混凝土強度保證率不應小于80%,也不宜大于85%。根據兩種計算方法，表7列出了幾個塑性混凝土的配制強度。

表7 塑性混凝土的配制強度

如表7所示塑性混凝土強度的計算結果基本相同。在兩種計算方法中，標準差反應的是強度離散性的絕對值，離差系數反應的是離散性的相對值。近幾年，國內很多規范都采用標準差法，分析其原因強度等級較大的混凝土，在相同的質量控制水平下，標準差更穩定，用標準差法會方便一些。而塑性混凝土強度低至2～6 MPa，強度值離散性更大，標準差不夠穩定，而離差系數反而會相對穩定一些，呈現出一定的規律性。

如保證塑性混凝土拌和物性能與力學新性能一樣，煤矸石的塑性混凝土的配制強度要求應保證與普通塑性混凝土的相一致。

2.3 煤矸石塑性混凝土配合比

關于塑性混凝土配合比的計算《現澆塑性混凝土防滲墻施工技術規程》中對原材料的摻量做了如下規定：

(1)塑性混凝土中水泥用量不應小于80 kg/m3；

(2)膨潤土用量不應少于40 kg/m3；

(3)膠凝材料的總用量不應少于240 kg/m3；

(4)砂率不應低于45%；

(5)水膠比宜為0.85～1.20。

因煤矸石的強度較普通碎石低，試驗過程中，將最小水膠比降至0.7，在拌和過程中強度較低的煤矸石容易破碎，最小砂率也降至43%。本課題主要研究煤矸石的摻量、膠凝材料總量以及砂率對塑性混凝土的影響，采用單一變量法選用以下十組配合比作為研究對象，如表8所示。大多數混凝土配合比試驗研究都采用正交試驗設計法做分析試驗，因正交試驗設計方法具有同時比較分析多因素多水平下還能保證大幅度較少試驗組數的優點。但塑性混泥土強度范圍過小，標準差極不穩定，再分析各因素影響指標，會出現數據漂移無規律可循的現象。而本課題對塑性混凝土采用單一變量法并多次試驗驗證的方法來分析研究各因素對煤矸石塑性混凝土影響規律。

表8 試驗配合比設計

如表8所示，1#配合比是課題試驗的基準對照組，配合比1#～6#的變量是煤矸石的摻量，煤矸石占塑性混凝土粗骨料的質量百分比分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，因煤矸石的表觀密度為2260 kg/m3遠遠低于普通碎石的表觀密度，所以理論容重從2200 kg/m3均勻遞減至2000 kg/m3；6#、7#、8#配合比是以砂率為單一變量的配合比，在煤矸石摻量達到100%的條件下降低砂率，分別為50%、47%、43%，此系列的試驗目的是分析在膠凝材料用量、用水量不變的條件下，增加煤矸石的摻量對煤矸石塑性混凝土的影響規律；6#、9#、10#配合比是以膠凝材料摻量為單一變量的配合比，用水量不變的條件下(用水量為240 kg/m3)增加膠凝材料的用量，分別為300 kg/m3、320 kg/m3、340 kg/m3，此系列的試驗目的是分析增加膠凝材料總量對塑性混凝土性能補償的程度。通過以上10組塑性混凝土的配合比，定量分析其抗壓強度。

圖2 煤矸石摻量對抗壓強度的影響規律

3 試驗結果分析

煤矸石摻量對抗壓強度的影響如圖2所示，根據7 d、28 d抗壓強度趨勢線的斜率可知，隨著煤矸石摻量的增加28 d抗壓強度的下降速率是7 d抗壓強度的3.47倍。與普通塑性混凝土相比，當煤矸石摻量達到80%以上時，7 d抗壓強度降低10%以上，28 d抗壓強度降低20%以上。由表8可知，1#～6#號配比的水泥摻量是相同的，在煤矸石塑性混凝土成型7 d后，水泥水化不完全，其抗壓強度的薄弱環節主要表現在CSH凝膠體系上，其抗壓強度并沒有因為煤矸石摻量的增加而受到多大的影響。而成型28 d后，水泥水化基本完成，其抗壓強度的薄弱環節在粗骨料部分，由于煤矸石的密度低、強度低的特點，而導致抗壓強度因為煤矸石摻量的增加而大幅度下降。

砂率與膠凝材料摻量對煤矸石混凝土抗壓強度的影響如圖3所示，圖中S43/C300表示砂率為43%，膠凝材料用量為300 kg/m3，以此類推。砂率的降低導致煤矸石塑性混凝土的7 d、28 d抗壓強度呈現降低趨勢，而適當增加膠凝材料的用量可以提高其抗壓強度。在煤矸石摻量為100%的前提下，降低煤矸石塑性混凝土配比中的砂率就是提高煤矸石的用量，煤矸石塑性混凝土抗壓強度的損失是因為煤矸石摻量增加導致的，而適當提高膠凝材料的用量可以彌補由煤矸石導致的強度損失。

圖3 砂率與膠凝材料總量對抗壓強度的影響規律

4 結 論

(1)因為煤矸石低強度的特點，在煤矸石塑性混凝土配合比中，增大煤矸石用量會導致煤矸石塑性混凝土抗壓強度的降低。

(2)在煤矸石塑性混凝土配合比中，適當增加膠凝材料的用量，可以有效改善煤矸石塑性混凝土的抗壓強度。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．現澆塑性混凝土防滲墻施工技術規程：JGJ/T 291—2012[S]．北京： 中國建筑工業出版社，2012.

[2] 中華人民共和國水利部．水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范：SL 174—2014[S]．北京：中國水利水電出版社，2014．