掺石渣粉塑性混凝土配合比试验研究及应用

张胜强，杨　磊，李佳伟，曾　力，欧阳小平

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉　430072；2.葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北 宜昌　443000)



掺石渣粉塑性混凝土配合比试验研究及应用

张胜强1，杨磊1，李佳伟1，曾力1，欧阳小平2

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072；2.葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北 宜昌443000)

摘要：塑性混凝土弹模低、变形大，其能较好地适应地基沉降，因而在水利水电工程防渗墙施工中得到了广泛应用。在陆丰核电厂围堰防渗工程中，为了充分利用现场资源，降低工程成本，拟采用石渣粉代替部分或全部石子和河沙进行塑性混凝土防渗墙配合比设计。通过塑性混凝土性能试验对各项技术指标进行了测定，并通过注水试验和孔内摄像对配合比方案的现场防渗效果进行了检测。结果表明，在砂率保持不变的情况下，随着膨润土掺量的增加，塑性混凝土防渗墙的抗渗性能大幅提高，强度只存在小幅度降低，满足工程对塑性混凝土各项性能指标的要求，且塑性混凝土防渗墙成墙质量完好。这验证了石渣粉作为骨料的配合比方案的可行性。

关键词：塑性混凝土；石渣粉；配合比；注水试验；孔内摄像

1研究背景

塑性混凝土主要由水泥、膨润土、黏土、粗细骨料、水、外加剂等材料拌制而成，抗压强度一般不超过5 MPa，弹性模量≤1 000 MPa，渗透系数<1×10-6cm/s，具有弹性模量低、极限变形大，以及与土层形态相似的应力-应变曲线而能较好地适应地基沉降等特点[1]。自20世纪80年代末首次在国内使用以来，塑性混凝土在国内许多大中型水利水电工程中得到了广泛应用，取得了很好的社会经济效益。

国内针对塑性混凝土的研究工作虽然起步较晚，但是进展迅速，塑性混凝土课题的试验成果不断涌现。王迎春等[2]结合工程实际对塑性混凝土进行了三轴测试和应力应变计算分析以及现场检测，结果表明塑性混凝土性能达到了设计要求；李家正等[3]结合塑性混凝土在三峡二期围堰防渗墙中的成功应用，总结了塑性混凝土各项参数的试验方法；黄绪通等[4]通过优化塑性混凝土的原材料及配合比，使配制的混凝土渗透系数达到了10-11cm/s；刘数华等[5]通过胶凝材料的变化，使得塑性混凝土具有较大的变形能力和抗渗能力，满足工程对塑性混凝土变形性能和抗渗性能的更高要求。

现阶段塑性混凝土骨料以石子和砂为主，筛分良好的石子和砂的成本及运输费用均较高；而工程现场由于爆破开挖等原因通常会存在大量的石渣粉，如果能用处理后的石渣粉来部分代替石子或砂，不仅能节约工程成本，而且大大简化了材料处理工序以及缩短了材料准备时间。本文以陆丰核电厂围堰防渗工程为背景，通过性能试验和现场分析对石渣粉部分或全部取代石子和砂的配合比方案能否满足工程要求进行了研究。

2工程简介

广东陆丰核电厂厂址位于广东省汕尾市陆丰市碣石镇以南约8 km的田尾山，厂区处地质条件复杂，由于海蚀作用，花岗岩体裂隙发育，大部分为中等和弱透水层，设计采用塑性混凝土防渗墙进行围堰防渗处理。围堰顶部宽12 m，临海侧采用扭王块护面，防渗墙设计长度约500 m，墙顶标高4.00 m，设计深度3～36 m，墙厚0.8 m。

根据工程防渗的要求，中国广核集团设计院对陆丰核电厂塑性混凝土防渗墙各项设计指标的要求如表1所示。

表1　塑性混凝土设计指标

3原材料检测

3.1水泥与膨润土

工程采用的广东惠州龙门生产的42.5号塔牌普通硅酸盐水泥，经品质检验各项指标均满足国家和行业标准。

试验采用膨润土作为混凝土掺合料，经品质检验,膨润土部分指标如塑性黏度、屈服值、水分和75 μm筛余量达到一级标准，滤失量达到二级标准，满足国家和行业标准。

3.2骨料

骨料是塑性混凝土的主要组成材料，骨料的质量是决定塑性混凝土的技术性能和经济效益的重要因素。试验所用骨料包括3种：陆丰拿投坑石场石子、陆丰焦坑砂场河沙和石渣粉。其品质检测结果如表2和表3所示。

表3　骨料不同筛孔尺寸累计筛余检测结果

由表2及表3检测数据可知：试验所用石子含泥量较少，大部分属于小石(5～20 mm)，连续级配，逊径石含量较小；河沙细度模数为2.84，属于中砂，各尺寸筛余百分率均位于级配2区，级配良好[6]；石渣粉中石子含量21.1%，砂含量67%，石粉含量11.9%，属于未经筛分的混合骨料，其中粗细骨料比例为1∶3。因此试验所用骨料(石子、河沙和石渣粉)均能满足国家和行业标准。

4塑性混凝土配合比设计

与普通混凝土配合比设计不同，塑性混凝土是根据墙体周围材料的变形模量和墙体抗渗要求配置的，它弱化了石子的骨架作用，胶结材料水泥、膨润土、粉煤灰、砂浆除满足填充粘结作用外，还要求在骨料周围形成一定数量及质量良好的柔软砂浆包裹层，从而达到增大变形、降低弹性模量和提高抗渗性能的作用[7]。塑性混凝土配合比设计是通过确定配合比参数来完成的，包括水灰比、单位用水量、砂率和外加剂掺量。依据《水工混凝土配合比设计规程》[8]，以陆丰核电厂防渗工程设计标准为基础，各配合比参数的具体确定如下所述。

(1) 水灰比W/C。一般通过试验确定混凝土强度与W/C的关系曲线，由此确定满足混凝土性能要求的W/C。本次配合比设计选取水灰比为1.1～1.2。

(2) 单位需水量W。按规范要求，塑性混凝土碎石最大粒径20 mm，坍落度70～90 mm时初选用水量为190 kg/m3，坍落度每增加20 mm，用水量增加5 kg/m3。本次配合比设计坍落度为200～220 mm，故选取单位需水量为300～350 kg。

(3) 砂率S/(S+G)(S，G分别为单位体积中砂子和石子的质量)。按规范要求，当骨料最大粒径为20 mm，坍落度为60 mm时，砂率可以初选为42%～44%，在此基础上，按坍落度每增加20 mm，砂率增加1%的幅度予以调整。本次配合比设计坍落度为220～220 mm，另外考虑到本次试验是为了验证用石渣粉代替河沙或石子配合比方案的可行性，石渣粉砂率为76%，故选取砂率为40%～76%。

(4) 膨润土。根据水泥和掺合料的品质以及塑性混凝土性能指标的要求，根据以往工程经验，选取膨润土的掺量为45%～60%。

(5) 外加剂。试验中所用的减水剂KFDN为深圳金冠高效缓凝减水剂，根据减水效果和缓凝效果确定外加剂掺量为0.8%～1%。

根据本次试验的目的，设计了3组配合比试验，即LF-1—LF-4，LS-1—LS-4，LH-1—LH-6，充分验证石渣粉替代河沙、石渣粉替代石子以及石渣粉部分替代河沙和石子配合比方案的可行性。

由选定的配合比参数，采用“假定表观密度法”计算单位体积混凝土各种材料的用量，初拟塑性混凝土配合比设计结果如表4所示。

5塑性混凝土性能试验及现场效果分析

5.1塑性混凝土性能试验

依据《水工混凝土试验规程》[9]，对塑性混凝土各项物理力学性能指标进行了室内试验检测，试验结果如表5所示。

表4　混凝土配合比设计初拟结果

注：表中砂率为将石渣粉中粗细骨料进行折算之后的综合砂率。

表5　塑性混凝土物理力学性能指标试验检测结果

由表4和表5中试验数据可见，在水胶比相近的情况下，减少水泥用量、增加膨润土掺量会使抗压强度和抗拉强度、弹性模量、渗透系数降低，符合塑性混凝土材料的普适规律。在LF-1—LF-4，LS-1—LS-4两个系列中，因膨润土掺量较小，石子含量较大，塑性混凝土强度和渗透系数均较大；对比LF-1—LF-4，LS-1—LS-4和LH-1—LH-5三个系列，用石渣粉替代所有的河沙和石子，按设计的配合比，塑性混凝土的渗透系数大幅减小，强度却只存在小幅降低。

对比表1和表5可知，设计渗透系数≤1×10-7cm/s，只有LH-1—LH-6满足渗透系数设计要求，其余系列的渗透系数均超出了设计要求；设计弹性模量为250～500 MPa， LH-1，LH-3，LH-5，LF-2满足设计弹性模量的要求。因此只有LH-1，LH-3，LH-5既满足设计渗透系数要求又满足设计弹性模量要求，并且还满足设计要求的其它指标。

由于泥浆下混凝土的浇筑强度一般只有陆上强度的70%，依据《水工混凝土施工规范》的相关规定，泥浆下混凝土的配制抗压强度可采用式(1)计算，即

(1)

式中：fcuo为塑性混凝土配制抗压强度(MPa)；fce为塑性混凝土设计抗压强度(MPa)；t为塑性混凝土强度保证率为95%时的概率度，取t=1.645[10]；Cv为塑性混凝土抗压强度离差系数，取Cv=0.2。试验中，fce=1 MPa，计算得fcuo=1.49 MPa。

由表5中数据可知，LH-1，LH-3，LH-5中只有LH-1满足配置抗压强度要求，且LH-1其它试验指标也满足设计要求。综合考虑，将方案LH-1作为陆丰核电厂防渗工程的塑性混凝土推荐配合比。

5.2现场试验

为进一步了解推荐配合比的性能，在陆丰核电厂围堰施工工地，选取26个试验孔进行了现场试验，采用孔内摄像和注水试验对试验段的防渗效果进行了分析。部分孔内摄像(试验点编号SY-1)效果如图1所示。

图1　试验段孔内摄像(试验点标号SY-1)Fig.1　Hole imagery of test section (point SY-1)

由孔内图像可知，塑性混凝土防渗墙检查孔壁光滑，墙体浇筑均匀密实，孔内完整性较好，表明推荐配合比满足混凝土施工和易性要求，成墙质量基本完好。

依据《水利水电工程注水试验规程》[11]，注水试验渗透系数计算过程如下：由于试段位于地下水位以下，故试验土层的渗透系数按式(2)计算，即

(2)

式中：K为渗透系数(cm/s)；Q为注入流量(cm3/s)，由图2数据而得；H为试验水头，为外海水位与地下水位之差(cm)；A为形状系数，由现场条件计算分析而得。

部分注水试验数据(试验点编号SY-1)如图2所示。

图2　SY-1试验点第1段和第2段注水试验结果Fig.2　Results of the first and second section inwater injection test(point SY-1)

由图2可知，对于SY-1试验孔，试验段长5 m，Q=0.9×10-4L/min，试验水头H=434 cm，形状系数A=603，代入式(2)得K=9.54×10-8cm/s。

根据试验段压水试验及孔内摄像资料分析，塑性混凝土防渗墙采用石渣粉代替石子和河沙的配合比方案，防渗效果较好，渗透系数<1×10-7cm/s，能够满足设计要求。

6结论

通过塑性混凝土性能试验对各项技术指标进行了测定，并通过注水试验和孔内摄像对配合比方案的现场防渗效果进行了检测，得出以下结论：

(1) 在陆丰核电厂围堰防渗工程中，利用石渣粉全部代替河沙和石子进行了配合比设计。按照设计的配合比，塑性混凝土防渗墙的渗透系数大幅减小，强度只存在小幅降低，但能满足工程对塑性混凝土各项性能指标的要求，可作为施工推荐方案。

(2) 由混凝土性能试验分析及试验段现场效果分析资料可见，利用石渣粉代替河沙和石子配置的塑性混凝土防渗墙，成墙质量基本完好，墙体抗渗效果较好，能用于围堰防渗等工程实践。

参考文献：

[1]程瑶, 张美霞. 塑性混凝土配合比试验研究及应用[J]. 长江科学院院报, 2002, 19(5): 62-64.[2]王迎春,李家正,朱冠美,等.三峡工程二期围堰防渗墙塑性混凝土特性[J].长江科学院院报,2001,18(1): 32-34.[3]李家正, 王迪友, 杨华全. 塑性混凝土配合比设计及试验方法探讨[J]. 长江科学院院报, 2002, 19(4): 58-60.

[4]黄绪通, 杨宏伟, 刘云霞. 塑性防渗墙混凝土性能研究[J]. 水力发电学报, 1998, (2): 58-69.[5]刘数华, 方坤河, 曾力, 塑性混凝土的试验研究[J]. 中国建筑防水, 2005, (10): 19-21.[6]李亚杰,方坤河.建筑材料[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2009.

[7]赵中华, 马耀辉. 塑性混凝土配合比设计[J]. 黑龙江水专学报, 2009, 36(2): 53-56.

[8]DL/T5300—2005, 水工混凝土配合比设计规程[S].北京: 中国电力出版社, 2005.

[9]SL352—2006,水工混凝土试验规程[S].北京: 中国水利水电出版社, 2006.[10]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.[11]SL345—2007,水利水电工程注水试验规程[S].北京: 中国水利水电出版社, 2007.

(编辑：刘运飞)

Mix Proportion Design of Plastic Concrete Mixed with Stone Ballast

ZHANG Sheng-qiang1, YANG Lei1, LI Jia-wei1, ZENG Li1, OUYANG Xiao-ping2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2.Foundation Engineering Limited Company, Gezhouba Group, Yichang443000, China)

Abstract:Plastic concrete could well adapt to foundation settlement due to its low elastic modulus and large deformation. As a result, it is widely used in the construction of cutoff wall in hydropower projects. As to the anti-seepage project of cofferdam in Lufeng nuclear power plant, in order to make full use of resources on site and reduce the cost of project, we adopted stone ballast to take the place of pebble and sand for mix proportion design of plastic concrete. Then we determined the technical indexes of plastic concrete by performance test, and detected the anti-seepage effect of the mix proportions through water injection test and hole imagery. Results show that when the sand ratio remains unchanged, the impermeability improves greatly with bentonite content increases, while the strength decreases little, which meets the requirements for performance index. The cutoff wall is also in good condition. The mix proportion with stone ballast replacing pebble and sand is verified to be feasible.

Key words:plastic concrete; stone ballast; mix proportion; water injection test; hole imagery

中图分类号：TV431.2

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0116-05

doi:10.11988/ckyyb.201503392016,33(05):116-120

作者简介：张胜强(1989-)，男，湖北监利人，硕士研究生，主要从事水工结构的研究，(电话)13343468200(电子信箱)1204918596@qq.com。

基金项目：国家大坝安全工程技术研究中心基金项目(2011NDS025)

收稿日期：2015-04-22；修回日期：2015-05-22