防渗墙塑性混凝土配合比设计试验研究

吕振东

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

塑性混凝土是一种介于土与普通混凝土之间的柔性材料，它是以黏土、膨润土等作为胶凝材料减少水泥用量，而形成低强度、低弹性模量和添加减水剂、引气剂提高抗渗透性的低成本防渗墙材料。它克服了传统混凝土的弹性模量高，变形小，易产生应力集中，与基础连接性不好等缺陷，在水利工程领域广泛应用，尤其大坝基础的防渗透和河道防渗墙的应用。本文结合防渗墙工程，对塑性混凝土参数的测试和配合比的优化设计进行研究。

针对塑性混凝土防渗墙的特点，根据委托方提供的塑性混凝土配合比作为基准，设计出六种配合比方案，在首先满足塑性混凝土拌和物性能要求下，调整混凝土中各个组分以满足塑性混凝土的强度和弹性模量的要求，并提出相对最佳的塑性混凝土配合比。

1 原材料

水泥采用的是山西亚美建筑工程材料有限公司生产的P.O.42.5，比表面积、安定性、标准稠度用水量、凝结时间都满足要求，3d、28 d抗折强度分别为5.5MPa、8.7MPa，3d、28 d 抗压强度分别为26.7MPa、52.6MPa。细骨料的产地是河北阜平的天然中砂，细度模数2.78，泥含量1.5%，堆积密度1510kg/m3，表现密度2650kg/m3。粗骨料是产于忻州的10～31.5mm的碎石，堆积密度1370kg/m3，表现密度2790kg/m3，含泥量、针片状含量、压碎指标均符合要求。本试验所用黏土为阜新本地黏土，含水率为20%。膨润土采用是钠基膨润土，具体的物理性能指标见表1。

表1 土料的物理性能指标

2 塑性混凝土物理力学参数的试验方法

2.1 塑性混凝土强度的测试

测试塑性混凝土强度，本试验采用立方体抗压试件为150mm×150mm×150mm，每组配合比打六块，分别测试7d和28 d强度。由于塑性混凝土抗压强度较小，用量程50kN的万能压力试验机，并且加荷速度控制在0.05～0.15MPa/s。[3]

2.2 塑性混凝土弹性模量的测试

由于塑性混凝土的弹性模量很低，本试验依据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）采用标距为300mm的测试方法，测试φ150mm×300mm的圆柱体试件，用磁力表座安装量程为150mm的千分表，测量不同压应力下的试件变形，作出应力应变关系曲线，计算出弹性模量值。

2.3 塑性混凝土相对渗透系数的测定

由于塑性混凝土主要用于水利工程基础及坝体、河道防渗墙等，我国的塑性混凝土渗透性标准也主要采用水压力法来评价混凝土的渗透性。故本试验测试塑性混凝土抗渗性渗水高度法采用一次加压法，快速抗渗，缩短试验时间。参考《水工混凝土试验规程》（SL352—2006），试块采用上口 φ=175mm，下口 φ=185mm，h=150mm的圆台试块，采用无锡建仪仪器厂生产的HS-4S型数显混凝土抗渗仪，设定0.2MPa的水压力，加压6 h，记录试验过程试件透水时间，对不透水试件劈裂量测渗水高度，计算其相对渗透系数。[1]

3 塑性混凝土防渗墙配合比的优化设计

参考水工混凝土配制强度的确定方法，塑性混凝土的设计强度、保证率系数、抗压强度标准差，依据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）中的相关规定确定，但是考虑到水下浇筑混凝土强度只有地面浇筑混凝土强度的70%，结合以往塑性混凝土的使用情况，张鹏等提出

式中R配:塑性混凝土配制强度；R28：塑性混凝土设计强度；t：强度保证率系数，强度保证率为95%时，取 t=1.645；Cvo：抗压强度离差系数，本试验 Cvo=0.15。委托方要求的塑性混凝土的强度R28=1.5～3MPa，代入公式（1）可得本试验的塑性混凝土的配制强度为R配=2～4MPa。[1]

塑性混凝土作为一种新型混凝土材料技术，目前没有正式的国家标准和规范，对于绝大多数土体来说，通过配合比试验都可以设计出与其变形模量相近的塑性混凝土防渗墙。本次塑性混凝土配合比拌和试验首先采用忻州市水利工程建筑公司推荐的配方进行试配，然后根据塑性混凝土拌和物性能：坍落度18～22cm，扩散度34～40cm，初凝时间不大于8 h，终凝时间不大于48 h，对塑性混凝土进行配比设计并且调整试拌。

3.1 塑性混凝土拌和物性能

塑性混凝土拌和物性能包括：坍落度、扩散度、泌水率、均匀性、表现密度、凝结时间和含气量等，本配合比试验首先保证塑性混凝土具有良好工作和易性，选取坍落度和扩散度两项参数来优选配合比。

参照委托方提供的基准塑性混凝土配合比，考虑到水胶比和膨润土的掺量是影响塑性混凝土性能的最主要的因素，结合工作中的经验设计出1—1～1—6五种配合比方案见表2，并以此对各个方案按照天然黏土加水拌制，膨润土直接掺入的方法进行试拌，得出方案1—1和1—4的坍落度过大，并出现大量泌水，并且扩散度，明显表现出黏聚性不好，各组分布不均匀现象。方案1—3和1—6的坍落度和扩散度都比较小不满足塑性混凝土工作性要求。方案1—2和1—5拌和性能都能满足塑性混凝土拌和物性能的要求。

3.2 调整配合比试验

对满足拌和物性能的方案1—2和1—5，按照前述的塑性混凝土各项物理参数的测试方法制备规范要求的试块，并达到龄期后进行测试，得到的各个物理参数见表3，塑性混凝土28 d的各项物理参数应符合表3的要求。

方案1—2和1—5，28 d塑性混凝土的强度、相对渗透系数、密度和凝结时间均满足委托方的要求，但塑性混凝土的弹性模量均在1400MPa以上，远远超过要求的700MPa。对于防渗墙塑性混凝土，弹性模量过高，防渗墙的允许变形较小，易产生应力集中，和周边土体产生不均匀沉降，很容易产生裂缝和空腔，很难满足塑性混凝土渗透性的要求。需要通过水泥、黏土、膨润土、骨料和水各组分进行重新配制。

表2 拌和物性能指标

根据黏土具有一定的增加塑性与降低强度的作用和膨润土可以有效地增加混凝土的抗渗性，且能有效地降低混凝土的弹性模量的性能，试验通过减少水泥的用量和增加黏土和膨润土的掺量来降低塑性混凝土的弹性模量，并设计出配合比方案见表4，拌制过程中掺和物的各项物理性能参数和硬化塑性混凝土物理力学性能见表4和表5。方案2—1～2—4各项拌和物性能均满足委托方要求，但是硬化塑性混凝土的弹性模量虽然降低并满足要求，抗压强度却和要求相差很多。[2]

表3 初试方案的塑性混凝土物理力学性能及应达到指标

表4 再次调整后的配合比及其拌和物性能指标

3.3 推荐施工配合比

根据塑性混凝土抗压强度的要求，方案1—2和1—5能满足配制轻度的要求，同时密度、凝结时间和相对渗透系数均满足，但是弹性模量和要求相差比较大，如前所述，按照减少水泥用量增加黏土和膨润土掺量来降低塑性混凝土弹性模量，设计出方案2—1～2—4。结果显示弹性模量虽然达到要求，但是塑性混凝土强度却不满足配制强度。

经过上述试验，塑性混凝土的水胶比和黏土、膨润土掺量对塑性混凝土的强度和弹性模量影响较大，当水胶比减少时，塑性混凝土的强度和弹性模量都能显著提高，反之则降低。[4]调整黏土和膨润土的掺量只能在一定程度减少塑性混凝土的弹性模量，在原材料给定的情况下，如果能满足强度的要求，则无法满足委托方对弹性模量的要求。综合上文的分析和试验结果，方案1—2～1—5都能满足施工和设计要求，但是考虑到成本，推荐配合比方案1—2。

表5 再次调整后配合的塑性混凝土物理力学参数

4 结语

塑性混凝土配合比设计是根据特定土体环境下进行的，满足该土体的弹性模量，极大程度地迎合土体的变形，从而增加与土体基础的衔接和增加土体的抗渗性能，但是实际施工中，由于条件所限，如：原材料特定，施工工艺等条件限制，很难满足塑性混凝土强度的基础上，又同时满足现有土体弹性模量，这也对以后塑性混凝土的研究提出了方向。

[1]张 鹏，李清富.塑性混凝土施工配合比试验研究[J].建筑技术，2007，38（ 8）:620-622.

[2]金婉香，章晓桦.掺膨润土塑性混凝土用于防渗墙的试验研究[J].浙江水利科技，2003（1）:67-68.

[3]赵金柱，等.七台市汪清水库塑性混凝土配合比设计研究[J].黑龙江水利科技，2011（ 4）：:30-31.

[4]曾 伟.南水北调兴隆水利枢纽围堰防渗墙工程塑性混凝土配合比设计试验研究[J].陕西水利，2014（ 6）:135-136.