基于摻橡膠顆粒的面板堆石壩柔性擠壓邊墻料研究

付乾坤，楊韓剛，孫 嘯，田正宏

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.河海大學，江蘇 南京 210098)

0 引 言

擠壓邊墻技術因施工迅速、簡便、經濟，得以廣泛應用于混凝土面板堆石壩的設計與施工。擠壓邊墻為面板提供了平整的墊層基礎，可靠均勻地將水壓力經面板傳遞給墊層料和堆石體，起到協調面板、邊墻、墊層料的整體變形作用。但已有研究表明擠壓邊墻技術應用仍存在一些問題，如，趙津磊等[1]提出擠壓邊墻彈性模量偏高會導致擠壓邊墻對混凝土面板約束偏大，應力狀態易惡化；周偉等[2]指出由于施工質量影響，墻體大面平整度不理想，嚴重影響面板受力均勻性，增加面板開裂風險；丁林等[3]認為，擠壓邊墻材料參數的改變有利于擠壓邊墻和面板間應力狀態的改善；王建幫等[4]認為，擠壓邊墻混凝土的抗壓強度、抗壓彈性模量、滲透系數和干密度等各項參數的性能在不同壩高和壩型下均需進行定性的分析研究。但是，到目前為止工程業界尚未見具體有效的改善措施提出。

國內外研究成果表明，在普通混凝土中摻加橡膠顆粒可顯著降低材料彈性模量，提高結構韌性、變

形能力與抗滲性[5- 8]。因此，這一優點恰好契合擠壓邊墻要求減小過度約束、協調變形與改進結構抗裂等需求，從而有助于緩解面板開裂的工程問題。但目前國內外僅有一些道路工程中的有限應用經驗，混凝土面板堆石壩建設中的應用可行性和效果未知。因此，研究含橡膠顆粒的擠壓邊墻材料，通過試驗驗證彈性模量、強度、透水性是否可滿足工程應用要求，具有重要意義和實踐價值。

1 室內試驗

1.1 材料性能

試驗采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，具體參數見表1。細骨料吸水率0.8%，含泥量為0，表觀密度2 790 kg/m3，堆積密度為1.78 g/cm3，細度模數為2.82，篩分結果見表2；粗骨料吸水率0.22%，含泥量0.2%，表觀密度2 830 kg/m3，篩分結果見表3。橡膠顆粒為不規則顆粒，顆粒直徑在2～3 mm之間，吸水率為0，表觀密度1.165 g/cm3。減水劑采用四川柯帥ks型減水劑，速凝劑采用長安育才生產的速凝劑。

表1 水泥主要參數

表2 細骨料篩分結果

表3 粗骨料篩分結果

1.2 配合比設計

試驗參考某面板堆石壩擠壓邊墻混凝土配合比，采用了橡膠顆粒分別取代細骨料，取代粗骨料，以及直接添加粗集料質量的橡膠顆粒，研究不同橡膠摻量(5%和10%)對柔性邊墻料的抗壓強度的影響，初步確定合適的柔性擠壓邊墻材料配合比，試驗配合比見表4。

表4 試驗配合比 kg

1.3 抗壓強度試驗方法

對每種配合比，根據DL/T 5422—2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》規定，采用鋼試模和鋼套模，并采用壓力機以0.1 MPa/s速率進行連續均勻加壓，制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件6個；移入20±5 ℃的成型室內，靜置24 h后拆除試模；脫模后移入養護室按DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規程》中相關規定進行養護，養護7 d和28 d后進行抗壓強度試驗。

1.4 抗壓強度結果與分析

抗壓強度試驗結果如圖1所示。從圖1可以看出，橡膠顆粒摻入量和摻入方式對柔性擠壓邊墻材料的抗壓強度均有影響。

圖1 各配合比抗壓強度對比

1.4.1 橡膠顆粒摻入量分析

在相同齡期、相同摻入方式情況下，試塊抗壓

強度隨橡膠顆粒摻入量上升而下降。其中，摻量為5%試塊的抗壓強度低于基準試塊的抗壓強度約15%～20%，摻量為10%試塊的抗壓強度低于基準試塊的抗壓強度約30%～40%。

1.4.2 橡膠顆粒摻入方式分析

在相同的齡期、相同摻入量情況下，橡膠顆粒等體積取代粗骨料的試塊抗壓強度較等體積取代細骨料的試塊抗壓強度高，且均高于直接加入橡膠顆粒的試塊抗壓強度。

橡膠顆粒等體積取代粗骨料和細骨料破壞了原有級配，造成強度降低。直接加入橡膠顆粒即外摻方法，雖然沒有破壞原有級配，但是直接加入顆粒導致與其他配合比相比同體積試塊的密度下降，抗壓強度自然也隨之下降。

DL/T 5297—2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術規范》規定，擠壓邊墻混凝土28 d抗壓強度應小于5 MPa。但本文研究表明，上述擠壓邊墻材料配合比28 d抗壓強度可達6.3 MPa，超出標準要求達25%，由此將對面板和墊層受力情況產生不利影響。因此，在實際工程當中考慮摻加橡膠顆粒，采取等體積取代粗骨料的摻入方式。

2 現場試驗及制樣

2.1 成型性能

為進一步研究柔性擠壓邊墻材料的成型性、彈性模量與滲透系數等性能指標，在某混凝土面板堆石壩施工現場進行了邊墻擠出試驗，并制作了現場試樣用于進一步測試研究。現場試驗段選用5V-CJL(試塊代號)配合比，即，使用5%橡膠顆粒等體積取代粗集料，擠壓邊墻機行進速度穩定控制在40 m/h，現場試驗段長5 m。通過試驗可見，柔性擠壓邊墻可順利進行擠壓邊墻施工，邊墻面較為光滑平整，可適應施工要求。根據DL/T 5422—2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》，制取棱柱形和圓柱形基準樣及含橡膠顆粒的柔性擠壓邊墻試塊，用于測試彈性模量和滲透系數。

2.2 抗壓強度

由JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》，采用沖擊能量為0.735J的小型回彈儀對養護28 d的試驗段進行了測試，首先劃定10個測區，每個測區內彈擊16次。試驗結果顯示，柔性擠壓邊墻材料28 d抗壓強度為4.3 MPa，滿足擠壓邊墻技術規范所規定的擠壓邊墻混凝土28 d抗壓強度應小于5 MPa要求。

2.3 滲透系數

滲透系數采用北京建研華測公司的馬略特全自動混凝土透水系數測定儀(HC-APC型)進行測試。試驗方法基于馬略特原理如圖2所示。

圖2 透水系數測定原理

滲透系數計算公式

(1)

式中，Kt為水溫為T℃時試樣的透水系數，mm/s；Q為ts內滲透總流量；L為試塊的高度(又稱滲徑長度，50 mm)；A為試塊的橫截面積(直徑100 mm)；H為水頭差(500 mm)；t為滲流時間。

試驗結果顯示，加入橡膠顆粒后，抗滲性明顯提高，基準樣28 d的滲透系數量級在10-3～10-2cm/s之間，5V-CJL樣的滲透系數數量級在10-4～10-3cm/s，為基準樣的1/2左右。這是由于橡膠憎水性使得滲流阻力加大，滲徑變長，降低了毛細孔的抽吸作用，故摻入橡膠對混凝土抗滲性具有一定增強作用，并滿足DL/T 5297—2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術規范》規定的擠壓邊墻混凝土28 d滲透系數應符合10-4～-10-2cm/s范圍要求。

2.4 彈性模量

按GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定，對試樣進行了彈性模量測定。試件尺寸為15 cm×15 cm×30 cm，測試裝置如圖3所示。彈性模量計算公式如下

圖3 彈性模量測試

(2)

式中，Ec為所測試件彈性模量；Fa為破壞時的軸向荷載；F0為0.5 MPa時的軸向荷載；εa為破壞時的千分表讀數；ε0為0.5 MPa 時的千分表讀數；L為測點標距；A為試塊的橫截面積。

試驗顯示，基準樣28 d彈性模量為12 GPa，5V-CJL樣28 d彈性模量為7.6 GPa。基準樣加載后碎裂，5V-CJL樣加載后仍成一體，只是產生了復雜的裂縫網絡。由此可見，摻入橡膠顆粒后，彈性模量明顯減小。摻加5%橡膠后，彈性模量較基準下降36.6%；橡膠顆粒本身的彈性模量較低，且橡膠顆粒和水泥漿界面處粘接力相對較弱，是造成強度和彈性模量下降的主要原因。但是，橡膠顆粒摻入后在混凝土內部形成可伸縮顆粒群；在荷載作用下可釋放尖端應力、阻斷裂紋繼續發展，形成部分脫開部分粘連的裂縫網絡體系。因此，橡膠柔性擠壓邊墻材料比現有擠壓邊墻材料具有更好的變形性能和韌性。橡膠柔性擠壓邊墻材料能夠滿足DL/T 5297—2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術規范》有關混凝土彈性模量的要求。

3 結 論

(1)目前擠壓邊墻材料28 d抗壓強度偏高，超過規范允許值，摻入橡膠顆粒可有效降低抗壓強度，抗壓強度隨橡膠顆粒摻入量增大而減小。同時，橡膠顆粒摻入方式也對抗壓強度有顯著影響，最終確定以5%橡膠顆粒等體積取代粗集料制成柔性擠壓邊墻材料。

(2)現場5 m試驗段施工及測試表明，柔性擠壓邊墻材料可順利成型，表面較光滑；28 d抗壓強度經現場回彈測試為4.3 MPa；28 d滲透系數在10-4～10-3cm/s之間；28 d彈性模量為7.6 GPa，以上參數均滿足規范要求。此外，柔性擠壓邊墻材料破壞時不碎裂，破壞形態較完整，具有延展性，說明摻入橡膠顆粒后，柔性擠壓邊墻材料可滿足施工作業、各性能指標和提高延性等要求。