基于不同硅粉摻量的塑性混凝土性能研究

李桂寶

（綏中水利電力建設(shè)有限公司，遼寧 綏中 125200）

塑性混凝土是一種具有抗?jié)B性能好、極限變形大、彈性模量小等特性的新型防滲材料，一般適用于基礎(chǔ)、大壩、圍堰等工程[1-3]。在防滲墻工程中使用塑性混凝土?xí)r，必須遵循抗?jié)B強(qiáng)度良好、強(qiáng)度足夠和強(qiáng)度模量較低等原則，而隨著防滲墻對(duì)可靠度要求及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提升，當(dāng)前亟需采取有效手段進(jìn)一步增強(qiáng)塑性混凝土的整體性能。

硅粉是一種具有表面吸水效應(yīng)和顆粒填充效應(yīng)的球狀火山灰質(zhì)高活性礦物摻合料，硅粉的摻入能夠有效減少混凝土泌水和離析，明顯改善拌合物保水性及黏聚性，且硅粉的火山灰效應(yīng)可以增強(qiáng)混凝土耐化學(xué)侵蝕性能、抗?jié)B性能、密實(shí)度和強(qiáng)度，有利于減少或抑制堿骨料反應(yīng)[4-6]。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，關(guān)于塑性混凝土性能受硅粉摻量的影響研究還較少。鑒于此，文章通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了不同硅粉摻量對(duì)塑性混凝土性能的影響，并進(jìn)一步揭示硅粉的作用機(jī)理和影響規(guī)律，對(duì)改善塑性混凝土性能以及防滲墻工程質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

本試驗(yàn)選用渤海水泥（葫蘆島）有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，大連亞泰科技新材料股份有限公司生產(chǎn)的S95 級(jí)硅粉，鈣基膨潤土和粉質(zhì)黏土(200 目)，其中硅粉中SiO2含量95%。粗細(xì)骨料選用連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石和Ⅱ區(qū)河砂，碎石粒徑5～25mm，河砂細(xì)度模數(shù)2.7，相關(guān)參數(shù)符合《建筑用砂》、《建筑用卵石、碎石》標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用硅粉等量替代水泥的方式設(shè)計(jì)5 種配合比，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，見表1，硅粉摻量為0%、10%、20%、30%、40%，其中膠凝材料有硅粉、水泥、黏土和膨潤土。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)與測(cè)試

考慮到現(xiàn)階段尚未形成統(tǒng)一的塑性混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，故參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》開展相關(guān)測(cè)試。首先，精準(zhǔn)稱量試驗(yàn)所用的各項(xiàng)原材料，倒入適量的水預(yù)先濕潤強(qiáng)制攪拌機(jī)；然后依次倒入碎石、河砂、膨潤土、黏土、水泥干拌60s，拌和均勻后再加水濕拌60s 出料；為確保試件密實(shí)性利用人工插搗的方式成型，表面覆蓋薄膜以防水分蒸散發(fā)，室內(nèi)靜置24h 后拆模，將各組試件標(biāo)養(yǎng)28d后依次進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。其中，測(cè)試劈拉和抗壓強(qiáng)度試件尺寸均為150mm 立方體，測(cè)試抗折強(qiáng)度試件為400mm×100mm×100mm。試驗(yàn)過程中，由于塑性混凝土強(qiáng)度較低應(yīng)適當(dāng)減小其加載速率，控制劈拉、抗壓和抗折強(qiáng)度加載速率為0.04MPa/s、0.1MPa/s、20N/s。測(cè)試彈性模量、相對(duì)滲透系數(shù)試件為300mm×150mm×150m 和高150mm×上口徑175mm×下口徑185mm 的圓臺(tái)形體，利用一次加壓法測(cè)定相對(duì)滲透系數(shù)，設(shè)定恒壓時(shí)間6h，滲透水壓0.5MPa，參考文獻(xiàn)[6]中的方法計(jì)算彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 硅粉對(duì)強(qiáng)度的影響

塑性混凝土摻不同硅粉時(shí)的劈拉、抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，塑性混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，見表2。為了更加直觀地反映硅粉摻量對(duì)強(qiáng)度的影響，定義絕對(duì)增長率和強(qiáng)度增長率為B～E 組試件強(qiáng)度較基準(zhǔn)組A 組及其前一組試件的強(qiáng)度增幅。

表2 塑性混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)硅粉摻量與塑性混凝土劈拉、抗壓及抗折強(qiáng)度比之間的關(guān)系進(jìn)行分析，硅粉摻量與強(qiáng)度比之間的關(guān)系圖，見圖1。從圖1 可以看出，硅粉摻量≤30%時(shí)，隨硅粉摻量增加塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度呈逐漸上升趨勢(shì)，而摻量＞30%時(shí)抗壓強(qiáng)度略有下降，但依然大于基準(zhǔn)組A 組。塑性混凝土摻10%硅粉時(shí)具有最大的抗壓強(qiáng)度相對(duì)增長率，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)增長率為20%、30%、40%硅粉摻量組的10.61 倍、3.60 倍和2.85 倍，表明塑性混凝土抗壓強(qiáng)度受較低摻量硅粉的影響更加顯著。

圖1 硅粉摻量與強(qiáng)度比之間的關(guān)系圖

隨硅粉摻量增加塑性混凝土的劈拉強(qiáng)度呈先上升后下降的變化規(guī)律，摻30%時(shí)硅粉的劈拉強(qiáng)度達(dá)到最高，摻10%硅粉時(shí)塑性混凝土劈拉強(qiáng)度增幅較緩，而＞10%時(shí)劈拉強(qiáng)度增幅明顯，摻量達(dá)到30%時(shí)增幅最高為44.6%；摻10%硅粉時(shí)塑性混凝土劈拉強(qiáng)度相對(duì)增長率最高達(dá)到21.4%，其劈拉強(qiáng)度相對(duì)增長率為20%、30%、40%硅粉摻量組的2.43 倍、2.25 倍、1.16 倍，表明塑性混凝土劈拉強(qiáng)度受較低摻量硅粉的影響更加顯著。

隨硅粉摻量增加塑性混凝土的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，摻20%時(shí)硅粉的抗折強(qiáng)度達(dá)到最高，硅粉摻量達(dá)到40%時(shí)，塑性混凝土的抗折強(qiáng)度不增反降，其相對(duì)和絕對(duì)增長率為負(fù)值，其抗折強(qiáng)度相對(duì)增長率為20%、30%、40%硅粉摻量組的4.53 倍、3.17 倍、10.10 倍，表明塑性混凝土抗折強(qiáng)度受較高摻量硅粉的影響更加顯著。

綜上分析，摻入適量的硅粉能夠明顯提高塑性混凝土的強(qiáng)度，其中硅粉的火山灰效應(yīng)是增強(qiáng)試件強(qiáng)度的主要原因。水化生成的Ca(OH)2與硅粉中的活性SiO2顆粒化合，從而加快水化速度，形成含大量C-S-H 凝膠、結(jié)構(gòu)致密的水泥石，有效增強(qiáng)了試件強(qiáng)度[7-8]。另外，硅粉的微粒填充效應(yīng)也可在一定程度上增大混凝土強(qiáng)度，這是由于水泥顆粒間的空隙被硅粉顆粒填充，大大提高了水泥石的密實(shí)度。因此，在適量范圍內(nèi)硅粉摻量越高其顆粒填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)就越明顯，對(duì)混凝土強(qiáng)度的提升作用越顯著，但是摻量過高則無法生成足夠的Ca(OH)2，也就抑制了與SiO2的反應(yīng)，混凝土強(qiáng)度反而降低[9]。硅粉對(duì)提高塑性混凝土強(qiáng)度的積極作用具有一定摻量范圍，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)摻30%時(shí)硅粉時(shí)塑性混凝土的劈拉和抗壓強(qiáng)度較高，而摻20%時(shí)硅粉時(shí)塑性混凝土的抗折強(qiáng)度最高，且摻30%硅粉時(shí)試件的抗折強(qiáng)度未明顯下降，所以塑性混凝土中的最佳硅粉摻量為30%。由圖1 可知，不同摻量的硅粉對(duì)各組試件的強(qiáng)度影響存在較大差異，在摻量相同情況下，硅粉對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用排序?yàn)榭拐郏伎箟海寂瓘?qiáng)度。

2.2 硅粉對(duì)彈性模量的影響

彈性模量是反映力學(xué)性能和變形特性的重要參數(shù)，塑性混凝土防滲墻與周圍土體的協(xié)調(diào)變形是保證其抗?jié)B性能的基本條件，所以必須滿足一定的彈性模量要求。本研究借鑒文獻(xiàn)[10]推薦的方法測(cè)試塑性混凝土彈性模量，硅粉摻量與彈性模量之間的關(guān)系圖，見圖2。結(jié)果顯示，塑性混凝土彈性模量隨著硅粉摻量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，該變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相同。在摻量相同條件下，抗壓強(qiáng)度與彈性模量的變化關(guān)系如下：摻10%、20%、30%、40%硅粉時(shí)的試件彈性模量較基準(zhǔn)組A 組依次增加11.7%、60.1%、22.1%、3.6%，抗壓強(qiáng)度增幅與彈性模量增幅之比依次為1.63、0.35、1.25、5.35，可見除摻20%硅粉的C 組外其它各組比值均＞1。因此，硅粉的摻入對(duì)塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅整體上要高于彈性模量，這有利于降低試件的彈強(qiáng)比；摻40%硅粉的增幅之比為摻10%、20%、30%硅粉組的3.3 倍、15.1 倍和4.3倍，說明硅粉摻量越高其降低塑性混凝土彈強(qiáng)比的效果越明顯。

圖2 硅粉摻量與彈性模量之間的關(guān)系圖

2.3 硅粉對(duì)相對(duì)滲透系數(shù)的影響

塑性混凝土摻不同硅粉時(shí)的相對(duì)滲透系數(shù)測(cè)試值，硅粉摻量與彈性模量之間的關(guān)系圖，如圖3 所示，結(jié)果顯示硅粉的摻入大大降低了混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)，并且摻量越高則減小趨勢(shì)越明顯。摻0%、10%、20%、30%、40%硅粉組的相對(duì)滲透系數(shù)依次為4.0×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s、1.6×10-8cm/s、1.3×10-8cm/s、0.8×10-8cm/s，相對(duì)于基準(zhǔn)組A 組的相對(duì)滲透系數(shù)，10%、20%、30%、40%硅粉組依次下降37.5%、60.0%、67.5%、80.0%。因此，摻入一定范圍內(nèi)的硅粉能夠顯著降低塑性混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)。究其原因，相對(duì)滲透系數(shù)的減小是硅粉的表面吸水效應(yīng)、火山灰效應(yīng)以及顆粒填充效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。塑性混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物隨著硅粉摻量的增大而增加，基體內(nèi)部的膠凝材料逐漸形成完整骨架的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低滲水對(duì)細(xì)小顆粒的沖刷帶走概率；另外，水化產(chǎn)物以及硅粉顆粒發(fā)揮著良好的填充作用，使得水泥石孔隙結(jié)構(gòu)得以明顯改善。膠凝材料參與水化的需水量隨著硅粉摻量的增加而增大，在一定程度上降低了水分蒸發(fā)產(chǎn)生的泌水通道，有效改善了內(nèi)部毛細(xì)多孔體系。摻量較低時(shí)，硅粉的火山灰效應(yīng)發(fā)揮著決定作用；摻量較高時(shí)，硅粉的表面吸水效應(yīng)以及顆粒填充效應(yīng)發(fā)揮著主導(dǎo)作用，這也是導(dǎo)致?lián)搅浚?0%時(shí)塑性混凝土的抗?jié)B性能繼續(xù)增強(qiáng)，而彈性模量和強(qiáng)度下降的主要原因[11-14]。

圖3 硅粉摻量與彈性模量之間的關(guān)系圖

3 結(jié) 論

文章通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了硅粉摻量對(duì)塑性混凝土抗?jié)B性、彈性模量和強(qiáng)度的影響作用，主要結(jié)論如下：

1）摻入適量的硅粉能夠有效提升塑性混凝土強(qiáng)度，摻30%時(shí)的強(qiáng)度最優(yōu)，摻量相同情況下，硅粉對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用排序?yàn)榭拐郏伎箟海寂瓘?qiáng)度。

2）塑性混凝土的彈性考量和強(qiáng)度均隨著硅粉摻量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度增幅高于彈性模量，對(duì)降低其彈強(qiáng)比具有積極作用。另外，硅粉的摻入大大降低了混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)，并且摻量越高則減小趨勢(shì)越明顯。