水工塑性防滲混凝土強度影響研究

張 宇

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，沈陽 110166)

0 引 言

混凝土防滲墻作為一種有效的工程防滲措施，在堤壩、圍堰、堤基、壩體等中小型水利防滲工程中的應用越來越廣泛[1-2]。實際施工過程中，傳統(tǒng)的混凝土防滲墻通常選用普通的剛性混凝土，然而由于極限變形能力較差，在使用過程中剛性混凝土防滲墻與周圍材料的變形協(xié)調性不足，導致墻體內的應力集中問題比較突出，一旦超過界限將產生破壞性變形及防滲墻防滲失效[3]。為了有效解決以上問題，將一定量的膨潤土、黏土等材料添加至傳統(tǒng)的混凝土中，由此形成的一種新型塑性混凝土可明顯改善普通混凝土的性能，大大提高防滲墻的耐久性和混凝土的極限變形能力，保證周邊土體材料與防滲墻之間良好的協(xié)調變形性能[4-6]。此外，塑性混凝土還存在施工工藝簡單、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)今已被廣泛應用于水利工程領域。在防滲墻工程建設時塑性混凝土應符合彈性模量的要求，同時要具備足夠的強度[7]。結合現(xiàn)有工程實踐，在達到施工預期要求的彈性模量時，塑性混凝土的強度水平普遍偏低，并對防滲墻工程質量造成較大的影響[8]。鑒于此，通過科學合理的設計試驗，文章深入探討了水工塑性防滲混凝土強度的影響因素，具有一定的實踐價值和理論研究意義。

1 研究方法

1.1 試驗材料

塑性混凝土試驗用水泥、減水劑、粗骨料、細骨料、膨潤土型號依次為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、聚羧酸高效減水劑、人工碎石、多級配河沙、納化膨潤土。通過檢測水泥樣品，結果顯示其28d抗壓強度47.2MPa、抗折強度7.7MPa，初凝170min、終凝236min，比表面積338m2/kg，各項指標均符合規(guī)范要求和相關試驗要求；室內檢測膨潤土樣品，結果顯示選用黏土符合低液限標準，黏粒質量百分比達到68.1%；所用人工碎石與水泥的黏附力良好，粗骨料屬石灰?guī)r巖性，其粒徑處于5-10mm之間，在加熱過程中未發(fā)現(xiàn)分解、開裂現(xiàn)象；多級配河沙的細度模數(shù)處于0.072-2.54mm。

1.2 試驗方案

本研究結合工程實踐經(jīng)驗和塑性混凝土特點，在達到試驗目標的情況下最大程度的減少試驗次數(shù)，并采用工程類比的方法初步確定原料用量范圍，經(jīng)混凝土塌落度控制和室內攪拌試驗，確定最佳的用水量。首先在水中溶入減水劑，再按6‰的摻量摻入拌和物。以水泥、黏土、膨潤土作為試驗研究變量，設計多組配合比方案，試驗研究配合比設計，見表1。

表1 試驗研究配合比設計

1.3 試驗過程

將表1中的每種試驗方案分別設計6個試件，即12組方案制作72個試件。以高100mm、內徑100mm的圓柱形鋼模作為試件制作的模具，把模具清理干凈并放入烘箱內加熱，試驗過程中在模具內側涂刷脫模劑，然后利用透水混凝土(由水泥裹石法制備)按試驗設計標準，倒入模具并插搗密實。以單側50mm高，將試件分上、下兩層擊實并自然冷卻至常溫脫模。在標養(yǎng)條件下(濕度≥95%、溫度20℃±2℃)養(yǎng)護脫模后的試件至規(guī)定的齡期，以備后續(xù)實驗的使用。

1.4 試驗方法

按照規(guī)定的齡期從標養(yǎng)室內取出試件，將其表面利用抹布擦拭干凈后置于試驗機壓板的中間位置。設定加載速率0.01MPa/s，試驗過程中保持加載勻速，并對試件的變化情況仔細觀察，當試件出現(xiàn)接近破壞的快速變形時準確紀錄其荷載值，利用以下公式計算試件的抗壓強度Pc，其表達式為：

(1)

式中：F、A為試件的極限破壞荷載(N)和承壓面積，mm2；Pc為抗壓強度值(MPa)。

每組試驗的最終結果取3個試件的抗壓強度平均值，與中間值相比若其它兩個數(shù)值>15%，則最終試驗結果取3個試件中的中間值；與中間值相比若最大、最小值差距≤15%，則對該組試驗重新測定[9-15]。

2 結果與分析

2.1 水泥含量的影響

為探究塑性混凝土強度與不同水泥含量之間的關系，以P1、P2、P5、P8、P9五組試驗方案(其水泥用量不同而砂率、黏土含量不變)為例，試驗研究各試件7d和28d齡期的強度。不同方案的試件抗壓強度利用文中所述公式和試驗數(shù)據(jù)進行計算，不同水泥含量的抗壓強度，見表2。

表2 不同水泥含量的抗壓強度

從表2可以看出，隨著水泥含量的增大試件的抗壓強度不斷提高。通過對比不同齡期的計算結果可知，水泥含量對28d齡期試件彈性模量的影響程度>7d齡期的試件，具體如下：水泥含量不超過140kg/m3條件下，隨水泥含量的增大試件的抗壓強度呈快速增大的變化趨勢，而超過140kg/m3條件下試件抗壓強度增長速度變緩，尤其是從160kg/m3提高至180kg/m3時試件的28d強度增長率僅有4.90%，該條件下提高水泥含量，其提升試件強度的作用逐漸減弱。

2.2 黏土含量的影響

為探究塑性混凝土強度與不同黏土含量之間的關系，以P3、P4、P5、P6、P7五組試驗方案(其黏土用量不同而砂率、水泥含量不變)為例，試驗研究各試件7d和28d齡期的強度。不同方案的試件抗壓強度利用文中所述公式和試驗數(shù)據(jù)進行計算，不同黏土含量的抗壓強度，見表3。

表3 不同黏土含量的抗壓強度

從表3可以看出，黏土含量在一定程度上影響著塑性混凝土強度，并且含量較少的條件下其影響作用較為明顯，具體如下：黏土含量≤75kg/m3條件下，隨黏土含量的增大試件的抗壓強度呈顯著的減少趨勢。例如，黏土含量從55kg/m3不斷增大至75kg/m3條件下其7d、28d齡期強度下降速率為14.43%和17.84%。塑性混凝土的抗壓強度隨著黏土含量的進一步增大表現(xiàn)出波動變化趨勢，可見塑性混凝土強度受黏土含量進一步增大的影響不再明顯。

2.3 膨潤土的影響

為探究塑性混凝土強度與不同膨潤土含量之間的關系，以P10、P11、P12三組試驗方案(其膨潤土用量不同而砂率、水泥含量不變)為例，試驗研究各試件7d和28d齡期的強度。不同方案的試件抗壓強度利用文中所述公式和試驗數(shù)據(jù)進行計算，不同膨潤土含量的抗壓強度，見表4。

表4 不同膨潤土含量的抗壓強度

從表4可以看出，隨著膨潤土含量的增大不同齡期的試件抗壓強度均表現(xiàn)出減少的趨勢，膨潤土摻量越高其影響程度越大。通過對比不同摻量的計算結果可知，膨潤土摻量從0提高至50kg/m3時7d、28d齡期的試件抗壓強度減少幅度為25.35%和54.42%，從50kg/m3提高至90kg/m3時7d、28d齡期的試件抗壓強度減少幅度為17.93%和43.34%。研究表明，塑性混凝土強度會隨著膨潤土的摻入而減少，并且摻量越高其強度減少幅度越大。所以，在達到塑性變形要求的條件下，實際工程應用時應適當降低膨潤土的摻量，從而確保強度滿足要求。

3 結 論

文章利用試驗的方法探究了水泥、黏土、膨潤土等因素對防滲混凝土強度的影響規(guī)律，得出的結論有：

1)隨著水泥用量的增加塑性混凝土強度表現(xiàn)出不斷增強的趨勢，當水泥含量超過160mg/m3條件下，水泥含量的提高對增強混凝土強度的作用減弱。

2)黏土含量在一定程度上影響塑性混凝土強度，黏土含量較低時隨著黏土摻量的增加塑性混凝土強度不斷減少，較高含量時黏土摻量對混凝土強度的影響不明顯。

3)塑性混凝土強度受膨潤土摻入的影響較大，膨潤土的增加大大降低了混凝土強度，且膨潤土摻量越高其強度下降越明顯。所以，在達到塑性變形要求的條件下，實際工程應用時應適當降低膨潤土的摻量，從而確保強度滿足要求。