塑性混凝土在我国水利工程中的应用

张亚坤

（1．黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2．小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封475004）

塑性混凝土在我国水利工程中的应用

张亚坤1，2

（1．黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2．小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封475004）

分析了塑性混凝土的性能及水胶比、水泥用量、膨润土、黏土、用沙量等因素对其物理力学性能的影响，探讨了塑性混凝土在围堰工程、坝基混凝土防渗墙、病险水库除险加固等水利工程中的应用。

塑性混凝土；水利工程；物理力学性能；试验研究

0 引言

混凝土防渗墙技术的施工程序是机械造孔、灌注泥浆护壁、用导管浇筑混凝土和排出泥浆，筑成连续防渗墙［1］。这项技术最早出现在欧洲的意大利，之后被各国引入，并在水利工程基础防渗、地下工程施工中得到了广泛而成功的应用。采用刚性混凝土作为防渗墙墙体材料，其弹性模量很高（≥104MPa）。根据胡克定律可知，在荷载作用下，若墙体的极限变形能力很小，而坝基变形较大，很容易使混凝土防渗墙内部应力集中，进而出现防渗墙内部裂缝，甚至防渗墙体有被压碎的危险。然而，以水泥、黏土、膨润土为胶凝材料，以石子、沙子为粗细骨料，与水、外加剂等按照一定的比例混合而成的塑性混凝土是一种柔性材料［2］，它具有低强度（≤10 MPa）、低弹性模量（≤2 000 MPa）、抗渗性能良好（≤10－7cm／s）等特点。使用塑性混凝土浇筑的防渗墙可以很好地与较软的基础相适应，同时又具有很好的防渗性能，在水利工程的防渗中应用较多。

1 塑性混凝土的分类及性能

1．1 塑性混凝土的分类

常规混凝土的胶凝材料主要是水泥，而塑性混凝土的胶凝材料主要包括水泥、黏土、膨润土等2种或2种以上材料。按照胶凝材料的不同，塑性混凝土可以分为3类：黏土塑性混凝土、膨润土塑性混凝土、黏土－膨润土塑性混凝土。

1．2 塑性混凝土的性能

1．2．1 弹性模量低、强度低

弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大。塑性混凝土的弹性模量是其配合比设计的重要指标。抗压强度反映了在压力作用下塑性混凝土破坏前所承受的最大应力。由于黏土、膨润土掺量较多，水泥用量较少，相对于常规混凝土来说，塑性混凝土显示出较低的强度和弹性模量。国内塑性混凝土的28 d抗压强度一般为1～5 MPa，设计弹性模量一般在2 000 MPa以下（如表1所示）［3］。然而，由于塑性混凝土的弹性模量接近于地基的弹性模量，因而能更好地适应地基的变形，使建筑物与地基联合受力，从而能承受比常规混凝土防渗墙更大的变形量。因此，以适当配合比的塑性混凝土代替常规混凝土、钢筋混凝土，应用于高应力区的水利工程基础防渗，对解决防渗墙的应力集中问题有着积极的意义。

1．2．2 抗渗性能好

塑性混凝土的渗透系数小，因此其抗渗性能好。常规混凝土是根据强度进行混凝土配合比设计的，而塑性混凝土则是根据所需的变形模量和抗渗性能要求进行设计的。在一定范围内，掺入的水泥和膨润土越多，塑性混凝土的渗透系数就越小［4］。在进行塑性混凝土配合比设计时，可以根据工程要求和实际需要，制出适当渗透系数的塑性混凝土。

表1 国内塑性混凝土物理力学性能指标Tab．1 Physical mechanics performance index of plastic concrete in China

1．2．3 工作性能良好

塑性混凝土的工作性能又称和易性，是指新拌塑性混凝土易于进行各工序施工操作（搅拌、运输、浇灌等）并具有质量均匀、成型密实的性能，包含流动性、黏聚性和保水性。通常用坍落度和扩展度来反映塑性混凝土拌和物的和易性。塑性混凝土的水胶比、用沙量、用水量比常规混凝土大，而水泥用量比常规混凝土小，再加上粉煤灰、外加剂等的掺入，使其具有更大的坍落度（塑性混凝土拌和物技术性能指标要求如表2所示）［5～6］。因此，塑性混凝土拌和物具有更好的流动性，且不容易发生离析，在泵送浇筑时，不容易堵塞导管，能自动流平、自动密实。这样，就简化了施工程序、缩短了工期、降低了工程投资。塑性混凝土防渗墙中水泥的用量较少，一般少于常规混凝土防渗墙中水泥用量的三分之一，且不用布置钢筋，大大降低了工程造价。

表2 塑性混凝土拌和物技术性能指标要求Tab．2 Technical performance index requirements of plastic concrete mixture

2 塑性混凝土的试验研究

针对塑性混凝土的特性，国内外开展了大量的研究工作，主要集中在各种因素（如水胶比、水泥用量、膨润土用量、用沙量、粉煤灰用量、外加剂等）如何影响塑性混凝土强度、弹性模量、抗渗性能、工作性能等方面。这些研究成果为实际工程中塑性混凝土配合比的设计提供了重要的参考，也促进了塑性混凝土的应用和推广。

2．1 水泥用量对塑性混凝土的影响

水泥用量对塑性混凝土抗压强度影响的试验结果如图1和图2所示。

图1 水泥用量对塑性混凝土强度的影响Fig．1 Influence of cement dosage on plastic concrete strength

由图1和图2可以看出：随着水泥用量的增加，塑性混凝土的抗压强度和抗压弹性模量逐渐增大［7］。这主要是因为，水泥为水硬性胶凝材料，用量越多，水化反应中就会形成越多的C－S－H等化学物质，进而形成硬化浆体，从而使塑性混凝土的强度提高。因此，在实际工程中，在适当的范围内，可以通过加大水泥用量来提高塑性混凝土的抗压强度。

图2 水泥用量对塑性混凝土弹性模量的影响Fig．2 Influence of cement dosage on plastic concrete elasticity modulus

2．2 水胶比对塑性混凝土的影响

水胶比是影响塑性混凝土抗渗性的关键因素［8］。随着水胶比的增大，塑性混凝土的抗压强度和弹性模量均会降低，水胶比对塑性混凝土强度和弹性模量的影响如图3和图4所示。水胶比越大，水化反应后自由水蒸发所造成的塑性混凝土内部空隙越多、密实度越小，从而使塑性混凝土的强度和弹性模量降低得也越多。

塑性混凝土凝结硬化后的孔隙率取决于塑性混凝土拌和物的水胶比的大小。因此，水胶比直接影响着塑性混凝土的抗渗性能。随着水胶比的增大，塑性混凝土的孔隙率、渗透系数也增大，抗渗性能随之降低。所以，在满足使用要求的前提下，应尽可能采用较小的水胶比。

2．3 膨润土、黏土对塑性混凝土的影响

图3 水胶比对塑性混凝土强度的影响Fig.3 Influence of water cement ratio on plastic concrete strength

塑性混凝土中膨润土的掺入不但能够提高塑性混凝土的抗渗能力，而且能够降低塑性混凝土的弹性模量。试验研究表明，塑性混凝土的弹性模量随着膨润土掺量的增加而减小［9］，塑性混凝土的抗压强度随着膨润土用量的增加而降低。这种强度降低的微观机理在于膨润土中含有吸水性较强的黏性矿物质，这些黏性矿物吸水后会发生膨胀，从而导致塑性混凝土的强度降低。含不同类型膨润土的塑性混凝土的力学强度差异较大。研究结果发现，在其他条件相同的前提下，钠基－膨润土塑性混凝土的抗压强度是钙基－膨润土的3倍以上。

膨润土是以蒙脱石为主要成分的含水硅酸盐，其矿物成分的颗粒很细。较细膨润土和黏土颗粒能堵塞水泥及其水化产物间的绝大部分空隙，从而增加塑性混凝土的抗渗性能。另外，黏土的掺入使水化反应生成C－S－H和CnAHn，使得水泥石的密实度提高［10］。黏土中的蒙脱石和高岭石属于层状结构，遇水后膨胀，使各部分相互挤压。这种化学和物理的双重作用使塑性混凝土的结构更加密实，从而使其抗渗性能得到提高。

2．4 用沙量对塑性混凝土的影响

在一般情况下，塑性混凝土都采用较大的沙率（普遍≥80%）。采用大沙率能够减少粗骨料（石子）的用量，进而降低粗骨料在塑性混凝土中的骨架效应，最终达到减低塑性混凝土弹性模量的效果。通常在一定的沙率范围内，塑性混凝土的弹性模量随着沙率的增大而降低［11］。

3 塑性混凝土在水利工程中的应用

塑性混凝土由于具有抗渗性能好、地基变形适应性强、工作性能好、经济性好等特点，在工程领域得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。

3．1 围堰工程防渗

图4 水胶比对塑性混凝土弹性模量的影响Fig.4 Influence of water cement ratio on plastic concrete elasticity modulus

在水利工程建设中，为了建造永久性建筑物，需要修建临时性维护结构（围堰）来围护基坑，以创建水工建筑物干地施工条件。若采用混凝土围堰，不但成本高，而且难以拆除。我国普遍采用土石围堰。若土石围堰的地基渗透性大（如砂卵石地基），则难以控制地基的渗漏量。而采用塑性混凝土进行围堰工程的地基防渗，能够取得较好的防渗效果。在小浪底工程建设中，为了缩短工期，并达到较好的抗渗要求，上游围堰右岸部分长239．41 m、总面积13 762 m2采用塑性混凝土连续防渗墙体，取得巨大的成功［12］。该塑性混凝土防渗墙穿越的坝基内河岸堆积物主要是沙卵石、沙层及堆积块石和坡积土层，河床覆盖层厚度为40～70 m，其渗透差异性很大。此工程采用塑性混凝土不仅实现了“高强度、低弹性模量”的预期目的，还提前了工期，而且防渗效果良好。北京十三陵蓄能电站进水口围堰的防渗墙，福建省的水口水电站上下游围堰，山西册田水库副坝、隔河岩水电站围堰，湖北三峡二期围堰、紫坪铺水利枢纽上游围堰、向家坝水电站一期围堰，云南里底水电站一期围堰，山东东平湖围堰等都成功采用塑性混凝土防渗墙技术［13～14］，并且取得了显著的效果。

3．2 坝基混凝土防渗墙

常规混凝土防渗墙的弹性模量较高，在荷载作用下，极限变形较小，导致墙体不能与地基协调变形，出现应力集中，使得防渗墙出现破坏，尤其在高坝深墙中，表现得更为明显。这无疑给水利工程的正常运行造成巨大的威胁。塑性混凝土防渗墙具有弹性模量低、极限应变大的优异性能，使得墙体能与地基协调变形，墙体应力降低，从而大大提高了防渗墙运行的可靠性。尤其在地震区，应用塑性混凝土防渗墙作为永久防渗工程，更能显示其巨大的优越性。如山西省册田水库大坝曾经受6．1级强烈地震，震中位于距大坝下游3 km的堡村，大坝震害严重，在除险加固中，采用了塑性混凝土防渗墙方案，解决了下游出现的阴湿区域问题，运行情况良好［14］。另外，内蒙古的绰勒水电枢纽坝基防渗墙、广西的风亭和水库主坝坝基防渗墙、湖北省随州两河口水库大坝坝基防渗墙、山西省张峰水库坝基防渗墙等都采用塑性混凝土防渗墙，并取得巨大的成功［15］。

3．3 病险水库除险加固

建国后，我国修建了大量的土石坝，历经几十年的运行，如今大都进入了“老龄化”阶段，对病险水库大坝进行除险加固已成为当前水利行业亟待解决的问题。在处理涉及渗透破坏的大坝时，常用的方法有混凝土截水槽、劈裂灌浆、充填灌浆、帷幕灌浆、高压喷射灌浆等。在这些灌浆法中，采用塑性混凝土灌浆技术既能满足结构的强度、刚度及抗渗性要求，又可以节约水泥及钢筋用量，缩短工期，降低加固费用。如浙江省长潭水库坝上游基础加固、贵州省都匀市绿茵湖水库大坝加固、湖北省蕲春大同水库加固、山东日照水库加固、甘肃省酒泉市五一水库加固、江西省竹坑水库加固、浙江省杭州市青山水库加固、辽宁省大河水库加固等一大批大中型水库除险加固都采用塑性混凝土坝体防渗加固技术，取得了良好的效益［15］。

此外，几十年以来，塑性混凝土防渗技术不但在坝体、坝基防渗、险坝除险加固、施工围堰、坝后挡土、隧洞出口、溢洪道下游防冲加固、堤坝防渗中普遍使用，而且在海港、码头、地下交通、高层建筑基础工程中也得到广泛应用和发展。

4 结语

（1）塑性混凝土具有强度低、弹性模量低、抗渗性能好、工作性能好、便于施工等优异性能。使用它浇筑防渗墙，不仅更好地适应地基变形、满足强度要求，还便于机械化施工，从而缩短工期，降低工程投资。

（2）水胶比、水泥用量、沙率、膨润土用量、黏土用量等因素是影响塑性混凝土物理力学性能（强度、弹性模量、渗透系数等）以及工作性能的关键因素。在进行塑性混凝土配合比设计时，应根据各种因素对塑性混凝土性能的影响规律，结合已有研究和实际应用成果，配制适合工程需要的塑性混凝土。

（3）塑性混凝土以其优越的性能，开拓了广泛的应用空间，已经在坝体坝基防渗、病险土石坝除险加固、施工围堰防渗、提防防渗、人造水域防渗等水利工程和地下交通工程防渗、高层建筑地基防渗工程等领域广泛使用，并取得巨大的成功。

（4）目前，国内外尚无专门针对塑性混凝土的试验规程和设计、施工规范。所以，应进一步更加系统地开展塑性混凝土理论研究试验，收集、积累更多切合工程实际的塑性混凝土工程应用成果，这是今后科研人员和工程技术人员的一项长期任务。

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[责任编辑 杨明庆]

TV431

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10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．005

2016-06-21

张亚坤（1983-），男，讲师，河南宝丰人，主要从事高校水利专业教学与研究工作，研究方向为水工新材料及其结构性能。