復摻膠粉、硅粉、粉煤灰防滲墻塑性混凝土力學特性研究

劉 鋼

(江西省水利水電開發有限公司，江西 南昌 330001)

塑性混凝土具有良好的抗滲性、和易性、穩定性、耐久性，同時擁有適應變形能力強等諸多優勢，被廣泛應用于水利工程的防滲工程中。隨著水利事業的不斷發展，國家對于環保和安全提出了新的要求，普通塑性混凝土已不能滿足新時代的需求，復摻一定的礦物料，可以在提高防滲墻整體安全穩定性的基礎上，增大工業礦物料的回收利用，起到一定的環保效果，符合綠色開發的新理念，因此，有必要對復摻多種礦料的塑性混凝土進行系統分析[1- 3]。

鄭瀅[4]對黏土塑性混凝土進行了分析，認為添加黏土可以獲得較好的力學性能，同時減少水泥用量，可大大降低工程的造價。石妍等[5]對于摻低液限黏土塑性混凝土防滲墻材料的微觀性能進行了分析，從微觀角度揭示了塑性混凝土的作用機理。熊復慧等[6]以煤矸石摻量為變量，研究了其摻量對于塑性混凝土強度的影響，并得到了最佳配比。吳俊姿[7]、周衛國[8]、陳鐳[9]對塑性混凝土的抗滲性和抗壓強度進行了試驗分析，研究了水膠比、膨潤土以及水泥用量對于塑性混凝土力學性能的影響。陳曦[10]則對塑性混凝土防滲墻的施工技術進行了探討，對于在實際過程中的推廣應用起到一定的借鑒作用。

本文從不同材料的角度，對塑性混凝土的基本性能進行改進，同時對工業廢料進行利用，兼顧國家對于環保的要求，以獲得強度高、抗滲性好但彈模低的塑性混凝土，可為工程實踐提供參考。

1 試驗概況

試驗水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，平均密度為3.19g/cm3，比表面積為340m2/kg；細骨料采用連續級配的中等粒徑砂，平均松散堆積密度為1620kg/m3，含泥量小于1.0%，細度模數為2.6；粗骨料為粒徑5～20mm的卵石，平均松散堆積密度為1550kg/m3，壓碎指標為12.7%，吸水率為1.1%；膠粉為某公司生產的粒徑為80目的膠粉，平均密度1.14mg/m3，拉伸強度大于15MPa，平均過篩率為96%；硅粉主要含量為SiO2，平均燒失量為4.5%；粉煤灰的細度為23.2%，堿含量為0.69%；拌制水采用普通自來水。

根據等量替代水泥和正交試驗原理，共設計對照試驗組、單摻組、雙摻組以及混合試驗組12組配合比試驗組，用R表示膠粉，S表示硅粉，F表示粉煤灰，具體情況見表1。

表1 配合比方案設計情況

2 試驗結果分析

2.1 工作性能分析

圖1 坍落度、擴展度特征

塑性混凝土的工作性能主要包括坍落度、擴展度以及流動性等，對不同配合比下的工作性能進行測試，得到坍落度和擴展度的變化特征，如圖1所示。從圖中可以看到，坍落度和擴展度的變化趨勢是一致的，但相對而言，摻料對于坍落度的影響程度大于擴展度；普通混凝土的坍落度值為170mm，而塑性混凝土的坍落度值范圍處于175～235mm之間，試驗4組的坍落度值最大(235mm)，其次為試驗2組(230mm)，最小值為試驗組12(175mm)；普通混凝土的擴展度為320mm，塑性混凝土的擴展度處于325～410mm，最大值仍然為試驗4組(410mm)，最小值為試驗12組(325mm)；膠粉、硅粉以及粉煤灰三者混摻或者單摻粉煤灰都能對混凝土的坍落度或者擴展度起到明顯的提升作用，而未摻加硅粉的試驗組，對于普通混凝土而言，其坍落度和擴展度未發生明顯變化，表明硅粉對于坍落度和擴展度的影響較大。

對不同摻合料摻量情況下的流動性進行計算，結果見表2(表中均為坍落度/擴展度)。由表2可以看到：隨著膠粉和硅粉摻合料的增加，塑性混凝土的坍落度和擴展均呈逐漸減小趨勢；隨著粉煤灰的增加，坍落度和擴展呈先增后減的特征，這是因為粉煤灰具有較好的形態效應、微集料效應和活性效應，故而在混凝土中摻入粉煤灰會有助于流動性的發展，但是當摻量大于10%以后，由于硅粉的摻入會減小混凝土的流動性，故而流動性會有所減小。從坍落度極值對比情況可以看出，膠粉對于混凝土的流動性影響最大，其次為粉煤灰，最后為硅粉。

表2 不同摻合料和摻量下混凝土流動性

2.2 強度及彈模分析

將各試驗組試件標準養護28d后，經試驗得到其抗壓強度和彈性模量的變化情況如圖2所示。從圖中可以看到：試驗組3和試驗組9的抗壓強度值最大，達到4.3MPa，而對應的彈性模量分別為0.979GPa和1.07GPa，摻入膠粉、硅粉及粉煤灰后，混凝土的彈模較對照試驗組(1.214GPa)顯著降低，最大降幅達到56.18%，平均降幅約為32.53%；彈模隨著膠粉摻量增加而降低，隨著硅粉摻量增加而增大，隨著粉煤灰摻量增加而降低，可見，為了達到強度高、彈模低的良好效果，應合理控制膠粉、硅粉及粉煤灰三者的摻合比。

圖2 抗壓強度及彈性模量特征

將彈性模量和抗壓強度的比值稱為彈強比，它是塑性混凝土性能的重要指標，各試驗組計算得到的彈強比情況見表3。從表中可看到：試驗3組條件下(膠粉：硅粉：粉煤灰=2∶3∶2)，彈強比最小，僅為230；綜合對比彈強比來看，對照試驗組>等量雙摻膠粉和粉煤灰組>單摻粉煤灰組>膠粉、硅粉、粉煤灰混摻組，這表明硅粉的摻入對于獲得強度較高而彈模較低的塑性混凝土十分重要，但是若只摻入硅粉，那么混凝土后期的強度就得不到保證，故而在摻入硅粉的同時，應輔以膠粉和粉煤灰，這樣既能發揮硅粉和膠粉早強的特性，也能發揮粉煤灰對后期強度的貢獻，同時還能有效減小彈模，改善塑性混凝土性能。

表3 不同配比下彈強比

2.3 抗滲性分析

對不同試驗組的抗滲性進行測試，其結果如圖3所示。抗滲性的高低關系著防滲墻性能的直接發揮，是評價塑性混凝土防滲墻質量好壞的主要指標之一，從圖中可以看到：在試驗9組(膠粉：硅粉：粉煤灰=1∶3∶2)情況下，塑性混凝土的滲透系數最低，僅為3.24×10-9cm/s，較普通試驗組降低約1/14.5，對應的彈強比為258，坍落度和擴展度分別為215和380，從綜合性能來講，試驗9組最佳，即膠粉摻量為7.5%，硅粉摻量為22.5%，粉煤灰摻量為15%(膠粉：硅粉：粉煤灰=1∶3∶2)。

圖3 滲透系數特征

對不同實驗組下的滲透系數進行極差和方差分析，獲得了膠粉、硅粉、粉煤灰三種摻料對于塑性混凝土滲透性影響的主次關系，如圖4所示。從圖4可以看到，三者對于塑性混凝土滲透系數的影響程度依次為：硅粉、粉煤灰以及膠粉，且硅粉對于抗滲性的影響為顯著作用(p值小于0.02)，而膠粉和粉煤灰為非顯著作用(p值大于0.02)。

圖4 抗滲性影響主次關系

3 結論

根據等量替換原理和正交試驗原則，對復摻膠粉、硅粉、粉煤灰防滲墻塑性混凝土的工作性能、強度和抗滲性進行了對比分析，結果表明：硅粉對于坍落和擴展的影響較大，而膠粉對于塑性混凝土流動性的影響程度大于粉煤灰和硅粉；彈模隨著膠粉和粉煤灰的增加而減小，隨著硅粉的增加而增加，當膠粉∶硅粉∶粉煤灰=2∶3∶2時，彈強比僅為230；硅粉對于滲透性的影響最大，其次為粉煤灰，最后為膠粉。通過綜合分析，認為在膠粉：硅粉：粉煤灰=1∶3∶2配比下，塑性混凝土的綜合性能最佳。