塑性混凝土防滲墻材料配比設計和性能測試

程 澤

（新疆昌源水務科學研究院（有限公司），新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

塑性混凝土是一種利用膨潤土、粘土等材料部分代替水泥的一種大流動性混凝土，因水泥含量低，故具有低強度、低彈模、大應變等特點，屬于一種柔性材料，可很好地適應地基變形，且具有良好的不透水性，因此在水利防滲工程中被廣泛采用。以新疆塔橋灣水庫大壩為實例，通過試驗對塑性混凝土的水膠比進行分析。

1 工程概況

塔橋灣水庫位于烏魯木齊市米東區，該水庫系平原灌注式中型水庫。塔橋灣水庫大壩全長2.5 km，壩底寬40 m，壩頂均寬6 m，壩高14 m，為土石壩。水庫設計庫容1200×104m3，最大泄洪能力10m3/s，控制灌溉面積1.3萬畝，水產養殖面積900畝，年捕撈量可達100 t，是一座綜合性水利工程。2018年5月，烏魯木齊市水務局對塔橋灣水庫大壩進行全面檢測，得到壩體中段約50 m長度滲漏量較大，總體達到了150 L/min。經過多方討論，最終決定采用塑性混凝土防滲墻技術對塔橋灣水庫大壩進行徹底加固。

2 塑性混凝土最佳水膠比的確定

塑性混凝土主要材料包括水泥、砂、石、膨潤土、減水劑等，其各項指標參數對防滲效果有直接影響，而水膠比則決定了混凝土性能。因此確定混凝土材料的最佳水膠比是首要任務[1]。

2.1 各材料的性能指標

（1）水泥性能指標

測試采用P.O52.5R標號水泥，該水泥物理力學性質指標見表1。經測定：該水泥各類指標均能達到相關要求，適合做塑性混凝土材料[2]。

表1 水泥物理力學性質指標

（2）骨料性能指標

骨料分為粗骨料和細骨料，其中粗骨料為附近河灘砂卵石，粒徑要求5 mm～20 mm，在此不再詳述。細骨料采用河砂，塑性混凝土要求的細骨料規格及規格指標見表2，篩分曲線見圖1。通過與標準值對比分析，測試所采用的細骨料河砂性能指標滿足使用要求[3]。

表2 細骨料物理力學性質指標

圖1 細骨料篩分曲線同標準曲線對比

（3）膨潤土和減水劑性能指標

測試所采用的膨潤土為鈣基膨潤土，pH值為9.0，含水率0.19%，比重1.11，經檢測符合要求。減水劑可在一定程度維持混凝土坍塌度不變，減少用水量，改善混凝土的拌合性。項目所用減水劑為聚羧酸，一般合理摻量范圍在0.7%～1.0%，具體可根據實際情況適當調整。

2.2 不同水膠比的塑性混凝土力學性能測試

根據塑性混凝土的特點及結合本項目實際需要，選取7個技術參數（力學性能和變形性能）作為塑性混凝土水膠比的指導要求，見表3。

表3 塑性混凝土技術指標標準

（1）不同水膠比設計

根據測試要求的塑性混凝土指導參數，結合其他項目經驗，設計3個不同水膠比的實驗組，分別為0.90、0.95、1.05。然后對試件進行標準養護一定時間后（7 d和28 d）測定其各項技術指標。具體配比設計見表4[4]。

表4 塑性混凝土不同水膠比配比數據

（2）不同水膠比塑性混凝土抗壓強度測試分析

試件均為圓柱體形狀，具體尺寸：直徑為100 mm，要求尺寸精度不大于10-3cm，角度偏差不超過±1°，以0.3 MPa/s速度均勻加壓，并記錄破壞時的載荷，然后利用式（1）[5]計算試件抗壓強度fcn，測試擬合曲線見圖2。

式中：P為試件破壞載荷，kN；A為試件承壓面積，mm2。

由圖2可知：①隨著水膠比增大，混凝土抗壓強度在逐漸下降，水膠比為1.05時，抗壓強度達不到標準值要求，因此排除；②28 d的強度大概是7 d強度的兩倍左右；③水泥用量越大，抗壓強度越大，但是也會降低混凝土柔性，在此推薦水膠比為0.95。

圖2 不同水膠比塑性混凝土抗壓強度擬合曲線

（3）不同水膠比彈性模量測試分析

塑性混凝土的彈性模量Ec利用式（2）計算：

式中：P1為應力為0.5 MPa時載荷；P2為40%極限破壞載荷；L為測量變形標準距離，mm；ΔL為試件變形值。

去除誤差超過15%的測量值后將剩余數值取平均值。測量擬合曲線見圖3。由圖3可知：①隨著水膠比增大，混凝土彈性模量急劇下降，兩者擬合度超過0.89，說明水膠比是決定彈性模量的重要因素；②不同的水膠比下，各個彈性模量均小于標準值1500 MPa，滿足要求；③彈性模量低說明混凝土內部孔隙多，不利于防滲性，因此推薦水膠比為0.95[6]。

圖3 不同水膠比塑性混凝土彈性模量擬合曲線

（4）不同水膠比防滲性測試分析

采用“穩定滲流法”對試件抗滲性進行分析，結果見圖4。由圖4可知：①隨著水膠比增大，滲透系數也在增大，但均小于要求值1.0×10-7cm/s；②水膠比每增加一級，滲透系數增大50%以上，說明水膠比對滲透性有著決定影響。

圖4 不同水膠比塑性混凝土防滲性擬合曲線

通過試驗對比及綜合分析，塑性混凝土水灰比為0.95時，其抗壓性、彈性模量、防滲性等指標均處于合理范圍，因此確定0.95為本項目的最佳水灰比。

3 塑性混凝土抗溶蝕耐久性分析

由于防滲墻常年處于水環境中，且物質成分復雜，因此抗溶蝕耐久性是評價塑性混凝土防滲墻質量的另一個重要指標，直接決定墻體的防滲效果及使用壽命。故使用試驗手段對比分析水泥土和塑性混凝土的抗溶蝕耐久性[7]。

（1）試驗設計

塑性混凝土防滲墻產生溶蝕破壞的原因：材料通過化學反應產生可溶于水的Ca（HCO3）2和CaSO4，因此試驗測量一定水壓下試件的滲透系數及鈣化物溶出量。

設計水泥土水泥摻入比為18%，水灰比為0.5；塑性混凝土按照0.95水膠比進行配比，均為標準養護30 d后取出試驗，并定期對試件滲透系數、鈣化物（CaO）進行測試。

（2）試驗結果分析

①通過測量，水泥土和塑性混凝土試件前3 d的滲透系數接近，均超過10.0×10-7cm/s。但塑性混凝土在7 d后逐步下降至2.0×10-7cm/s，30 d后基本穩定在1.0×10-7cm/s以下；而水泥土滲透系數比塑性混凝土下降的慢，最終均降到標準值以下。

②水泥土和塑性混凝土CaO累計溶蝕量曲線見圖5。由圖5可知：兩者的累計溶蝕量速度均為先快后慢；水泥土累計穩定溶蝕量達到8000 mg，塑性混凝土約為3800 mg，相差2倍左右，塑性混凝土優勢巨大，且滿足相關標準要求。

圖5 試件CaO累計溶蝕量曲線

4 結語

塔橋灣水庫經除險加固后，大壩年滲流量直接下降了60%以上，降到了最低標準值以下，取得了很好的效果。塑性混凝土力學性能受多種因素控制，會因工程的水質、地質條件等不同而產生不同的效果，因此在使用時應當充分結合當地實際條件，不可盲目照搬其他相似工程，必須進行嚴謹地試驗對比，確保工程質量。