降低防滲墻塑性混凝土的滲透性研究

彭文龍

(臨沂市水利水電工程建設監理中心，山東 臨沂 276000)

水密性和滲流控制是大壩設計和施工中的重要考慮因素[1]。塑性混凝土防滲墻是土壩防滲的有效手段之一[2- 3]。塑性混凝土在此類應用中一個重要的先決條件是要有較低的彈性模量，通常設置彈性模量值為地基基礎彈性模量的4倍[4]。塑性混凝土的另外2個設計要求是足夠強的荷載以及足夠低的滲透性，從而滿足大壩防滲要求[5- 6]。為達到低彈性模量要求，塑性混凝土的水灰比通常較高，在1.5～4范圍內(普通混凝土的水灰比通常范圍為0.4～0.6)。如混凝土的滲透性主要取決于水灰比，塑性混凝土的滲透性遠高于普通混凝土[7- 9]。因此，低彈性模量和低滲透率2個條件很難同時滿足。因此，在不過度增加彈性模量的情況下降低塑性混凝土滲透性將是本文研究的重點。

先前的研究已經證實，在混凝土中摻入硅灰可通過細化孔徑和改善膏體與骨料之間的過渡區來降低塑性混凝土的滲透性[10]。在本文中，進一步研究了用不同比例的硅灰對降低塑性混凝土滲透性以及其他性能(如強度，彈性模量)的影響。

1 塑性混凝土的制備及特性分析

1.1 塑性混凝土的制備

(1)膨潤土泥漿。為了生產膨潤土泥漿，使用轉速為1450rpm的高速攪拌機將膨潤土粉末與所需量的水徹底混合。混合后，讓泥漿靜置24h，以便膨潤土粉充分水合。

(2)水泥-膨潤土灌漿。將含有硅灰的混合物所需數量的水泥(也包含該材料的所需百分比)添加到水合膨潤土泥漿中，并混合5min。

(3)塑性混凝土。在生產水泥-膨潤土灌漿后，將所需數量的細骨料和粗骨料添加到攪拌機中并混合。

(4)試樣制作。塑性混凝土攪拌完成后，根據ASTM C143進行坍落度試驗。然后將塑性混凝土澆注到圓柱形模具中，制成所需的試樣。在模具中固化24h后，試樣脫模并濕固化，直至試驗。

1.2 塑性混凝土特性分析

根據ASTM C150，使用的水泥符合Ⅱ型。測定了水泥的化學和物理特性。水泥的化學性質見表1。

表1 水泥的化學性質 單位：%

水泥的物理力學性能見表2。

表2 水泥的物理力學性能

所用膨潤土的化學成分見表3。

表3 膨潤土的化學性質 單位：%

粗骨料分為2個尺寸組，4.75～9.5和9.5～19mm。細骨料為壓碎型，這些骨料的級配見表4—5。

表4 礫石級配結果

表5 砂級配結果

硅灰是在未經敏化的粉末條件下獲得的。

所研究的塑性混凝土混合料中使用的材料包括水泥、水、膨潤土、硅灰和骨料。

2 塑性混凝土的性能測試

本試驗的目的是研究不同等級的硅灰混合比(包括0%、5%、10%和15%)對塑性混凝土強度、彈性模量和滲透性的影響。為了證明研究結果對不同強度等級的塑性混凝土的適用性，將試驗工作擴展到不同水膠比(w/(c+s))(包括1.8、2.2和2.6)的塑性混凝土。

對于所有混合物，水與膨潤土的比例為13。所研究塑性混凝土混合料的配合比見表6。

表6 塑性混凝土混合料的配合比

表6中水與膠凝材料比例為2.6、2.2和1.8的混合物分別對應H(高)、M(中)和L(低)。上述代碼后面的數字0、5、10和15表示硅灰替代水泥基材料的百分比。例如，代號為M10的混合料是指中等水與膠凝材料的比例為2.2，并用硅灰代替10%的水泥混合料。

2.1 抗壓強度的測定

本試驗根據ASTM C39在28和90d齡期的15.30cm圓柱形試樣上進行。給出的每個結果是在每個試驗時間段測試的3個樣本的平均值。與普通混凝土相比，塑性混凝土的強度水平要低得多，因此加載速率降低，在加載開始的65±15s內，試樣會發生破壞。

2.2 彈性模量的測定

本試驗根據ASTM C469的要求，在15.30cm圓柱形試樣上進行，降低加載速率。在每個試樣的中心15cm處測量應變，測量值是每種混合物測試的3個試樣的平均值。

2.3 滲透系數的測定

本試驗根據USBR- 4913- 92在90d內對15.30cm圓柱形試樣進行。2個試樣的平均值為最終測量值。為了避免因壓縮空氣與水混合而產生的誤差，一些研究人員提到了常用測試儀器，在本研究中，對設備進行了整改，以避免壓縮空氣與水直接接觸。

3 結果分析

3.1 塑性混凝抗壓強度分析

硅灰不同水泥替代水平混合料的90d抗壓強度結果如圖1所示。

圖1 硅灰對不同水膠比塑性混凝土抗壓強度的影響

3組混合料的水膠比分別為2.6、2.2和1.8。對于3組混合物，增加硅灰含量可顯著提高抗壓強度，硅灰能夠提高普通混凝土抗壓強度，是由于孔徑細化、與氫氧化鈣的火山灰反應以及水泥-骨料過渡區質量的改善等因素。對于水與膠凝材料比為2.6的混合料，使用硅灰替換15%的水泥，強度從10.2kg/cm2增加到29.5kg/cm2，比對照混合料(不含硅灰的混合料)增加189%。塑性混凝土混合料的抗壓強度、彈性模量和滲透系數試驗結見表7。

表7 塑性混凝土混合料的抗壓強度、彈性模量和滲透系數試驗結果

盡管對于具有較低w/(c+s)比的塑性混凝土混合料，強度增加不如上述那樣顯著，但增加幅度仍然很大。例如，對于w/(c+s)比為1.8且硅灰替代水平為15%的混合物，強度比對照混合物增加80%。值得注意的是，硅灰在通常的水膠比范圍內(0.4～0.6)提高普通混凝土混合料強度的效果，強度的增加通常被報告為超過控制30%～40%。

應考慮的另一點是，本研究的塑性混凝土中，即使使用硅灰替換15%的水泥，也不會出現和易性的顯著降低，其中，與普通混凝土一樣，硅灰的使用通常會導致和易性大幅降低，必須通過使用增塑外加劑來糾正這一點。

3.2 塑性混凝彈性模量分析

考慮了3種水膠比的情況，使用不同取代水平的硅灰水泥對塑性混凝土彈性模量影響的試驗結果如圖2所示。

圖2 硅灰對不同水膠比塑性混凝土彈性模量的影響

結果表明，隨著硅灰摻量的增加，塑性混凝土的彈性模量顯著增加。與普通混凝土一樣，硅灰的使用可細化孔隙，改善過渡區，進而增加彈性模量。

水膠比為1.8，硅灰含量為15%的塑性混凝土的彈性模量比對照組提高約180%。對于w/(c+s)為2.6的塑性混凝土混合料，由于使用硅灰替換15%的水泥，彈性模量的增加比控制混合料高70%。由于塑性混凝土的彈性模量是這些混凝土的重要力學性能之一，因此確定防滲墻與周圍基層的相容性，彈性模量和抗壓強度之間的關系以及硅灰的影響具有相當重要的意義。先前關于硅灰對普通混凝土力學性能影響的研究表明，對于含硅灰的混合料，彈性模量和抗壓強度之間的關系與含硅灰的混合料相似。換言之，對于給定的強度水平，預計摻硅灰和不摻硅灰的混合物將具有相似的彈性模量值。為了調查塑性混凝土的情況，根據本研究獲得的結果，繪制了摻硅灰和不摻硅灰混合料的彈性模量和抗壓強度之間的關系，如圖3所示。

圖3 含硅灰和不含硅灰塑性混凝土混合料的彈性模量和抗壓強度之間的關系(單位：kg/cm2)

由圖3可知，對于塑性混凝土，硅灰的使用不會顯著改變彈性模量和抗壓強度之間的關系，根據獲得的結果，可以預期，對于同等強度，含有硅灰的塑料混凝土的彈性模量與不含硅灰的混合物相似，甚至更低。這是一個重要的發現，因為如果可以證明硅灰的使用在同等強度水平下會導致較低的滲透率，那么我們可以確信，在沒有增加彈性模量的負面影響的情況下實現了這一優勢。

3.3 塑性混凝滲透分析

由于塑性混凝土的高水灰比，這些混合物的滲透性很高。技術文獻中所報告的塑性混凝土滲透系數值通常在10-8～10-10m/s。水灰比為0.5的普通混凝土的滲透系數約為10-12m/s。

本研究中硅灰的使用在降低塑性混凝土的滲透性方面具有顯著效果。例如，對于水膠比為1.8的混合料，使用15%硅灰代替水泥，導致滲透系數從5.8×10-10降低到7.2×10-12m/s，即降低80倍。硅灰降低滲透性的主要機制是孔隙細化和界面過渡區的改善，這也被許多研究人員報道用于普通混凝土。

4 結論

本文研究了不同比例硅灰對降低塑性混凝土滲透性以及強度性能和彈性模量的影響，并得出以下結論。

(1)用硅灰替換塑料混凝土中水泥含量高達15%的混凝土不會導致塑料混凝土和易性發生任何顯著降低。

(2)硅灰對塑性混凝土強度增強的影響很大。與對照混合物相比，15%的替換水平導致塑性混凝土強度增加70%～180%。

(3)硅灰的使用導致塑性混凝土彈性模量增加，在15%的替換水平下，與對照混合物相比，彈性模量增加80%～170%。

硅灰的使用在降低防滲墻滲透性的同時也提高了防滲墻的強度以及彈性模量，值得注意的是，彈性模量的增加可能導致防滲墻與周圍地層之間出現變形等兼容問題，有待進一步探討研究。