膨潤土對塑性混凝土力學性能的影響研究

付雪梅 楊宇稀 丁向群

（沈陽建筑大學材料科學與工程學院）

0 引言

塑性混凝土是一種在普通混凝土中加入粘土以及膨潤土等摻合料，大幅度降低水泥用量，同時減小彈性模量的新型柔性墻體材料[1-2]，其廣泛應用于鐵路交通以及水利工程中的壩體、壩基防滲、險壩加固、圍堰、堤壩等防滲工程，以及各種海港工程和城市建筑的基礎工程中，包括地下室、地下車庫等[3-4]。塑性混凝土的抗壓強度和彈性模量主要與其組成成分含量有關，但目前缺乏膨潤土摻量與塑性混凝土抗壓強度和靜力抗壓彈性模量相關性的室內試驗研究，且缺乏相關規律解釋和混凝土內部結構分析。本研究探究了不同膨潤土摻量對塑性混凝土抗壓強度和彈性模量的影響規律，并利用壓汞測孔和掃描電子顯微鏡分析影響原因。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

⑴膨潤土：鈣基膨潤土，市售，其主要化學成分含量及物理性能指標分別見表1、表2。

表1 膨潤土化學成分含量

表2 膨潤土主要物理性能指標

⑵水泥：普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），冀東水泥集團有限責任公司。

⑶粗骨料：普通碎石，5～20mm 連續級配；

⑷細骨料：河砂，中砂，含泥量2%～3%；

⑸外加劑：液體聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率大于30%；

⑹拌合水：自來水。

1.2 試驗方案設計

采用單因素控制法，測試水膠比相同條件下塑性混凝土的力學性能隨膨潤土摻量變化的變化規律。根據《DL/T5786-2019 水工塑性混凝土配合比設計規程》進行配合比設計。假定塑性混凝土密度為2100 ～2200kg/m3，砂率為50%，水膠比為1.0，調整減水劑的用量，保證各組試驗坍落度和擴展度為250～330mm。膨潤土摻量分別占膠凝材料總量30%、50%、70%，其配合比見表3。

表3 塑性混凝土配合比

1.3 試驗方法

混凝土制備參照《DL/T5303-2013 水工塑性混凝土試驗規程》進行。由于試驗中膨潤土摻量較大，為了更好地使減水劑產生作用以及膠凝材料能夠與粗細骨料攪拌均勻，攪拌前先將水泥和膨潤土拌均勻，再與粗細骨料混合攪拌。試驗測試主要依據《DL/T5303-2013 水工塑性混凝土試驗規程》及《DL/T5144-2015 水工混凝土施工規范》進行。采用邊長100mm×100mm×100mm 的立方體試塊測試抗壓強度；φ150mm×300mm 的圓柱體試塊測試靜力抗壓彈性模量。

2 結果與分析

2.1 膨潤土摻量對塑性混凝土抗壓強度的影響

膨潤土摻量對塑性混凝土抗壓強度的影響如圖1所示。由圖1 可見：隨膨潤土摻量增大，塑性混凝土抗壓強度近似線性降低。與摻量30%組28d、60d 抗壓強度相比，摻量50%、70%組28d 抗壓強度降幅分別為62.57%、78.53%；60d 分別為58.10%、79.92%。即膨潤土摻量越大，塑性混凝土抗壓強度降低越顯著。當齡期不變時，隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土抗壓強度降低，且下降速度越來越緩慢；當齡期增加時，同一膨潤土摻量的抗壓強度隨齡期增加而增大，增大幅度隨著膨潤土摻量增大而先增大后減小，即在摻量50%時，抗壓強度增幅達到最大。

圖1 立方體抗壓強度與膨潤土摻量的關系

水泥作為塑性混凝土強度主要貢獻者，其發生水化反應生成堅固的水化產物是決定塑性混凝土強度的主要因素之一。隨著膨潤土摻量增加，膠凝材料總量不變，則水泥用量降低，發生水化反應生成水化產物減少，強度降低。同時，隨著齡期的增長，塑性混凝土強度發展過程中，發生水泥-水-土三相“固化”作用。但當膨潤土摻量過高時，且塑性混凝土凝結硬化時間足夠長，膨潤土完全吸水膨脹，水泥與膨潤土比例失調，使得塑性混凝土強度降低速度加快。

2.2 膨潤土摻量對塑性混凝土變形性能的影響

在外部荷載作用下，塑性混凝土的變形性能主要由其靜力抗壓彈性模量體現。靜力抗壓彈性模量越小，可塑性越強，變形性能越強。膨潤土摻量對塑性混凝土靜力抗壓彈性模量的影響如圖2 所示。由圖可見：膨潤土摻量對塑性混凝土靜力抗壓彈性模量的影響尤為明顯，隨膨潤土摻量增大，彈性模量近似線性降低。與摻量30%組28d、60d 彈性模量相比，摻量50%、70%組28d 降幅分別為97.45%、99.84%；60d 分別為75.37%、92.69%。即膨潤土摻量越大，塑性混凝土彈性模量降低越顯著。當齡期不變時，隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土彈性模量降低，且下降速度越來越緩慢；當齡期增加時，同一膨潤土摻量的彈性模量隨齡期增加而降低，降低幅度隨著膨潤土摻量增大減小，分別為98.42%、84.71%、25.33%，即在摻量70%時，彈性模量降幅最大。

圖2 靜力抗壓彈性模量與膨潤土摻量的關系

由胡克定律可知，塑性混凝土靜力抗壓彈性模量是試件受壓破壞后應力與應變的比值。在應力不變的狀態下，應變越大，彈性模量越小。膨潤土中的主要成分蒙脫石是一種由兩層硅氧四面體中間加一層鋁（鎂）氧四面體組成的2:1 型粘土礦物。其中兩個單元層結構之間通過分子間作用力（范德華力）連接，結構松散，水分子或其他有機分子可以進入層間發生膨脹，使得混凝土整體具有可壓縮性[5]。在荷載作用下，塑性混凝土發生較大變形，產生較大應變，使得彈性模量降低。因此，當塑性混凝土中膨潤土含量高時，其可發生應變大，彈性模量低，變形能力強。

3 結論

通過對膨潤土摻量對塑性混凝土力學性能影響的試驗研究及理論分析，得到如下結論：

⑴隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土抗壓強度呈近似線性降低，且下降速度越來越緩慢。與28d 齡期相比，60d 抗壓強度增大，增大幅度隨著膨潤土摻量增大而先增大后減小，在摻量為50%時，抗壓強度增幅達到最大。

⑵隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土彈性模量呈近似線性降低，且下降速度越來越緩慢。與28d 齡期相比，60d 彈性模量降低，降低幅度隨著膨潤土摻量的增大而減小，在摻量為70%時，彈性模量降幅最大。