低液限红黏土对混凝土和易性及力学性能的影响

吴福飞， 董双快， 赵振华， 黄宗辉， 陈荣妃

(贵州师范大学 材料与建筑工程学院， 贵州 贵阳 550025)

1 研究背景

塑性混凝土通常具有变形能力大、弹性模量低和高抗渗性等特点，晏继杰[1]对塑性混凝土配合比、成槽机具、施工工艺等进行研究。王四巍等[2]发现膨润土对塑性混凝土体积最大压缩量的影响显著，对弹性模量和强度却不明显。文献[3-6]研究也发现黏土掺入后降低了混凝土的力学性能，提高抗渗性，并对混凝土的本构关系和破坏准则进行了详细研究，得出一系列的研究成果。当膨润土和黏土按一定比例替代水泥后，显著降低了混凝土的力学性能，但能抵抗长期溶蚀作用，提高了其服役年限[7]。焦凯等[8]发现膨润土掺量对塑性混凝土拉压强度的差异性影响不大，但李谈谈等[9]发现当红黏土掺量在150～200 kg/m3时，塑性混凝土性能能达到最优。除了红黏土和膨润土的掺量显著影响混凝土的力学性能外，骨料也对混凝土有一定的影响，黄杰等[10]发现尾矿砂掺量越大，混凝土强度越低，相对渗透系数均随着砂率的增加呈现出U型的变化规律[11]。张廷毅等[12]发现黄河特细砂取代率对混凝土的渗透系数呈减小趋势。高丹盈等[13-14]和王四魏等[15]对塑性混凝土的应力-应变、本构关系、破坏准则、抗渗性进行了详细的研究。为了计算的准确性，程金标等[16]采用三维非线性有限元法对塑性混凝土心墙大坝应力变形进行计算。王永明等[17]引入多轴强度的安全度准则评价防渗墙的安全状态，建议在拉应力较明显的条件下优先采用多轴强度的安全度准则进行复核。刘璐璐等[18]发现预压次数对应力-应变曲线的影响并不大。但是这些研究中对低液限红黏土塑性混凝土的研究却较少，为此，本文采用低液限红黏土、机制砂、碎石、减水剂等配制塑性混凝土，探讨低液限红黏土对塑性混凝土和易性和力学性能的影响，即分析低液限红黏土掺量对塑性混凝土流动性、黏聚性、保水性、表观密度和凝结时间的影响，探索塑性混凝土力学性能与龄期之间的关系，劈裂强度和弹性模量与抗压强度的关系，并提出简易预测弹性模量的关系模型。通过研究，以期为低液限红黏土制备塑性混凝土提供试验基础。

2 材料与方法

2.1 原材料

水泥采用西南水泥厂生产的32.5复合硅酸盐水泥，3 d的抗折强度和抗压强度分别为4.3 MPa和18.4 MPa；28 d的抗折强度和抗压强度分别为8.7 MPa和36.4 MPa，细度为13.4%，沸煮法安定性检测合格。掺合料采用低液限红黏土，密度为2.72 g/cm3，液限为48.1%，塑限为25.5%，塑性指数为23.8%，不均系数为5.8，曲率系数为0.64。砂为机制砂，细度模数为2.7，颗粒级配满足JGJ52-2006《普通混凝土用砂质量标准与检测方法》的Ⅱ区范围。小石和中石采用5～20 mm和20～40 mm的碎石，小石和中石按1∶1混合构成5～40 mm的连续颗粒级配。减水剂选用缓凝型萘系高效减水剂，根据外加剂适应性试验确定最佳掺量。水采用实验室自来水。

2.2 试验方法

影响混凝土的力学性能和和易性的因素主要有水灰比和掺合料掺量，对于黏土作为掺合料时也不例外，因此，主要考虑水灰比和掺量的影响。根据《水电水利工程防渗墙施工规范》(DL/T5199-2004)的相关规定，黏土的掺量不宜大于25%，水胶比不宜大于0.65，胶凝材料用量不低于350 kg/m3。因此，选取水灰比分别为0.55、0.60、0.65，黏土掺量分别为15%、20%、25%，具体的试验混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

3 结果与分析

3.1 和易性

和易性是混凝土拌合物的重要参数，直接影响混凝土硬化后的力学性能和耐久性，在一定程度上控制着混凝土的施工质量。文献[19-24]证实了掺合料能改善混凝土拌合物的和易性，黏土作为掺合料是否会达到同样的效果是本文研究的重点内容，试验结果如表2所示。

流动性是混凝土和易性测试的重要参数，结果发现，引入黏土和缓凝型减水剂后，混凝土的流动性较好，基本都在189 mm以上，扩散度基本在365 mm；即使在1 h后，坍落度仍能保持在173 mm以上，因此，本试验具有较好的保塌性，能满足塑性混凝土作为防渗墙的浇筑。

另外，混凝土的黏聚性和保水性都较好。这主要是黏土矿物的颗粒细小，用水拌合后具有较好的可塑性，在较小压力下发生变形但能长久保持其原来的状态，而且黏土的比表面积大，颗粒上带有负电性，因此具有较好的物理吸附性和表面化学活性，加上减水剂的减水和缓凝效果，因此黏土配制的混凝土流动性较好。

表2 塑性混凝土的和易性

凝结时间的长短也会影响混凝土的施工质量，通常水泥的初凝不早于45 min，终凝不迟于390 min，拌制混凝土后，初凝和终凝都会有所改变。黏土等质量替代水泥后，初凝延迟10 h以上，终凝在16 h以上。可见黏土替代水泥后能显著改善混凝土的初凝和终凝时间，主要是黏土在较小压力下可以变形并能长久保持原状，且比表面积大；另外，减水剂为缓凝型萘系高效减水剂，也会在一定程度上改善混凝土的凝结时间。

黏土等质量替代水泥后，明显降低了混凝土的表观密度。通常混凝土的表观密度在2 350～2 450 kg/m3之间，黏土替代后最大表观密度仅为2 326 kg/m3，最小为2 258 kg/m3，远小于普通混凝土的表观密度。这主要是黏土的密度为2.72 g/cm3比水泥(密度为3.15 g/cm3)小，因此黏土等质量替代水泥后，混凝土的表观密度有所降低。

3.2 抗压强度

矿物掺合料等质量替代水泥后，由于具有潜在活性的SiO2和Al2O3参与二次反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙[11-13]，因此，适量矿物掺和料掺入后能提高混凝土的力学性能和耐久性[14-16]。黏土与粉煤灰、矿粉等掺合料不同，由于不具有活性，能显著降低混凝土的力学性能，但其塑性较好，通常能满足水库防渗墙的浇筑。黏土等质量替代水泥后，混凝土的力学性能和拟合曲线如图1所示。随着养护龄期的延长，低液限黏土配制的混凝土抗压强度逐渐增大，并呈对数关系增加，这同普通混凝土的发展规律一致。经拟合曲线发现，对数关系拟合结果较好，相关系数均在0.95以上。因此在实际试验数据不够时，可采用对数关系进行初步预测。黏土的掺量和水灰比越大，其抗压强度越低。如水灰比0.55时，黏土替代率从15%增加至25%时，抗压强度从18.2 MPa降低至15.7 MPa；当掺量均为25%时，水灰比从0.55增加至0.65时，混凝土抗压强度从15.7 MPa降低至14.5 MPa。可见掺量对混凝土抗压强度的影响比水灰比要大。因此，在配制黏土混凝土时应注意黏土掺量的选择。

3.3 劈裂强度

劈裂强度是混凝土抵抗剪力破坏的重要参数，黏土掺量和水灰比对混凝土劈裂强度的影响规律和拟合曲线如图2所示。劈裂强度也随黏土掺量的增加显著降低，相关系数均在0.97以上，当水灰比为0.55和0.65且黏土掺量从15%增加至25%时，28 d的劈裂强度分别从1.75 MPa和1.42 MPa降低至1.43 MPa和1.32 MPa。水灰比增加时，劈裂强度不断降低，当黏土掺量为15%和25%时，劈裂强度分别从1.75 MPa和 1.43 MPa降低至1.40 MPa和1.32 MPa。对比上述的数据不难发现，水灰比相对较小时，黏土掺量的影响较大，反之较小。

通常，混凝土劈裂强度和抗压强度之间存在一定的相关性，黏土替代水泥后混凝土劈拉强度和抗压强度之间的相关性如图3所示。从图3看出，塑性混凝土的劈拉强度与抗压强度之间存在线性关系，相关系数为0.6215。可粗略采用线性关系进行数据预测。

3.4 弹性模量

弹性模量又称为杨氏模量，是混凝土中一种最重要、最具特征的力学性质。黏土替代水泥后，混凝土弹性模量的试验结果如图4所示。从图4可以看出，黏土掺量越大，混凝土的弹性模量越小，显著呈现出负对数降低的趋势，相关系数均在0.99以上，因此可采用负对数关系进行塑性混凝土弹性模量的预测，精度相对较高。从图4中也不难发现，黏土掺量对混凝土弹性模量的影响比水灰比大。

图1 不同水灰比混凝土抗压强度随龄期变化拟合曲线

图2不同水灰比黏土掺量与混凝土劈裂强度的相关性图3抗压强度与劈裂强度的相关性

图4弹性模量随黏土掺量的变化曲线图5塑性混凝土抗压强度与弹性模量的相关性

通常可采用混凝土抗压强度预测弹性模量，其表达式为E=106/(2.2+330/fc)，将本文的抗压强度代入该公式发现，其弹性模量在4×103～5×103MPa之间，远大于本文所测的实际弹性模量，因此，传统的混凝土弹性模量预测公式不再适用。黏土替代水泥后混凝土弹性模量和抗压强度之间的相关性如图5所示。

从图5看出，塑性混凝土的弹性模量与抗压强度之间存在线性关系，即，E=0.1084fc+0.0516，相关系数为0.8776，因此，可采用线性关系预测混凝土的弹性模量。

4 结 论

通过对低液限红黏土塑性混凝土和易性和力学性能的研究，得到以下结论：

(1)黏土能改善混凝土的流动性、黏聚性和保水性，即使在1 h后，混凝土坍落度仍能保持在173 mm以上。黏土能大幅度地延迟混凝土的初凝和终凝时间和明显降低混凝土的表观密度。

(2)黏土等质量替代水泥后，随着养护龄期的延长，低液限黏土配制的混凝土抗压强度逐渐增大。相对而言，掺量对混凝土抗压强度的影响比水灰比要大。混凝土劈裂强度也随黏土掺量的增加显著降低，在塑性混凝土的劈拉强度与抗压强度之间存在线性关系。

(3)黏土掺量越大，混凝土的弹性模量越小，显著呈现出负对数降低的趋势，但黏土掺量对混凝土弹性模量的影响比水灰比大。塑性混凝土的弹性模量与抗压强度之间存在线性关系。

上述这些规律对于低液限红黏土塑性混凝土的使用具有指导意义，同时也为塑性混凝土力学性能的预测提供借鉴。但本文只针对低液限红黏土进行试验，有待于对各种黏土进行试验，找出其一般规律，使其在各类塑性混凝土中的使用更具有适用性。

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