水工防渗墙塑性混凝土强度影响因素试验研究

黄 晓

(临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276300)

混凝土防渗墙是中小型水利工程建设中的重要防渗工程措施，被广泛应用于坝体、坝基、围堰、堤坝等各种防渗工程[1]。在传统的混凝土防渗墙施工中，大多采用普通刚性混凝土。但是，由于刚性混凝土的极限变形能力较差，造成防渗墙在使用过程中与周围材料的变形不匹配，进而在墙体内部产生比较明显的应力集中问题，一旦超过限度，就会诱发破坏性变形，导致防渗墙防渗失效[2]。塑性混凝土作为一种新型混凝土，主要是在传统的混凝土中添加了一定量的粘土和膨润土等材料，进而改善普通混凝土的性能[3]，大幅提升混凝土的极限变形能力，实现防渗墙与周围土体材料之间的变形匹配性，提高防渗墙的耐久性[4]。同时，塑性混凝土还具有成本低，施工工艺简单的优势，因此在水利工程建设中得到日益广泛的应用[5]。当然，将塑性混凝土应用于水利工程建设中的防渗墙工程，不仅要满足弹性模量的要求，还应该具有一定的强度。但是，就当前的工程实践来看，在塑性混凝土的弹性模量满足施工预期要求的情况下，其强度水平往往偏低，进而影响到塑性混凝土防渗墙的工程质量[6]。基于此，以实验的方式对防渗墙塑性混凝土强度的影响因素展开研究，具有重要的理论和实践价值。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验用水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥。在试验之前对水泥样品进行了检测，结果显示其比表面积为335m2/kg；初凝和终凝时间分别为175min和233min；28d抗折强度为7.5MPa，抗压强度为46.5MPa；各项指标满足相关要求，可以用于试验研究。

试验用膨润土为纳化膨润土。对其样品的实验室检测结果显示，其中的粘粒质量占比为67.2%；使用的黏土为低液限黏土。

试验中以人工碎石作为塑性混凝土的粗骨料，其岩性为石灰岩，和水泥具有良好的粘附力，粒径为5～10mm，在加热至最高拌合温度过程中没有出现开裂和分解现象，满足相关技术要求。塑性混凝土的细骨料为多级配河沙，细度模数在0.075～2.55mm之间。

试验用减水剂为聚羧酸高效减水剂。

1.2 试验方案

为了尽可能少试验次数达到试验目的，研究中利用工程类比方法，结合塑性混凝土的工程应用经验，初步确定原料的用量范围，通过室内搅拌试验的方式控制混凝土的塌落度，最终确定合适的用水量[7]。减水剂先溶于水再掺入，掺量为6‰。以三种干料为试验研究的主要变量，设计出12组不同配合比的试验方案，见表1。

1.3 试验过程

按照上节设计的验方案，每种方案制作6个试件，共12组，72个试件。试件制作的模具为内径100mm，高100mm的圆柱形钢模。试验过程中将模具清理干净，放在烘箱内加热后，在其内侧涂刷一层脱模剂，然后将按照试验设计标准利用水泥裹石法制备的透水混凝土倒入模具，并插捣密实。试件按层高50mm分上下两层单面击实，再自然冷却至常温后脱模[8]。脱模后的试件在标准养护条件下养护至相应的龄期，然后进行后续实验。

表1 不同试验方案配合比设计表

1.4 试验方法

对达到试验养护龄期的试件，用抹布擦拭干净，然后将其置于试验机压板的中间。在试验过程中以0.01MPa/s的加载速率匀速加载并观察试件的情况，当试件出现迅速变形接近破坏时，记录其荷载值，并按照如下公式进行抗压强度值的计算。将每组试验的3个试件结果的均值作为本组试验的最终结果[9- 15]。如果三个试件中的最大或最小值与中间值的差距超过15%，则以中间值为最终试验结果，如果两者与中间值的差距均超过15%，则需要重新进行该组试验。

(1)

式中，Pc—试件的抗压强度值，MPa；A—试件承压面积，mm2；F—极限破坏荷载，N。

2 试验结果与分析

2.1 水泥含量的影响分析

为了研究水泥含量对塑性混凝土强度的影响，选择黏土和砂率不变，水泥用量不同的F1、F2、F5、F8和F9等5组试验方案，对龄期为7d和28d的试件进行试件的强度试验，根据试验数据计算获取不同方案下的试件抗压强度值，结果见表2。由表2中的计算结果可知，试件的强度随着水泥含量的增加而增大。从不同龄期的对比结果来看，水泥含量对7d龄期试件弹性模量的影响相对较小，对28d龄期试件弹性模量的影响相对较大。具体而言，水泥含量在小于160kg/m3时，试件的强度随水泥含量的增加而迅速增长，水泥含量超过160kg/m3时强度的增长趋于缓慢，特别是水泥含量由180kg/m3增加到200kg/m3时，试件28d抗压强度仅增长5.06%，对试件强度的提升作用极为有限。

表2 不同水泥含量方案试验结果

2.2 黏土含量的影响分析

为了研究黏土含量对塑性混凝土强度的影响，选择水泥用量和砂率不变，黏土用量不同的F3、F4、F5、F6和F7等5组试验方案，对龄期为7d和28d的试件进行试验，根据试验数据计算获取不同方案下的试件抗压强度，结果见表3。由表3中的计算结果可知，黏土含量对塑性混凝土的强度存在一定的影响，且影响主要表现在含量较少的情况下。具体而言，当混凝土中的黏土含量小于65kg/m3时，混凝土的强度会随着黏土含量的增加而明显降低。例如，当黏土含量由45kg/m3增加到65kg/m3的情况下，试件的7d和28d龄期强度分别下降13.82%和17.72%。随着黏土含量的进一步增加，塑性混凝土的强度呈现出小幅波动的特征，说明进一步增加黏土含量对混凝土强度的影响并不明显。

表3 不同黏土含量方案试验结果

2.3 膨润土的影响分析

为了研究膨润土含量对塑性混凝土强度的影响，选择水泥用量和砂率不变，膨润土用量不同的F10、F11、F12等3组试验方案，对龄期为7d和28d的试件进行试验，根据试验数据计算获取不同方案下的试件抗压强度，结果见表4。各龄期条件下的塑性混凝土的强度均随着膨润土掺量的增加而减小，但是膨润土掺量较小时的影响较小，随着膨润土掺量的增加，影响程度逐渐增大。从具体的试验数据来看，当膨润土掺量由0增加到40kg/m3时，7d龄期和28龄期的塑性混凝土强度的下降幅度分别为24.16%和15.43%；当膨润土掺量由40kg/m3增加到80kg/m3时，7d龄期和28龄期的塑性混凝土弹性模量的下降幅度分别为55.31%和43.32%。由此可见，掺入膨润土会显著降低塑性混凝土的强度，且膨润土的掺量越多，混凝土强度的下降幅度就越大。因此，在实际工程应用中，可以在满足混凝土塑性变形性能的情况下，适当减小膨润土的掺量，以保证塑性混凝土有足够的强度。

表4 不同膨润土含量方案试验结果

3 结论

此次研究利用试验方法对水工防渗墙塑性混凝土强度影响因素试验及相关规律进行研究，获得的主要结论如下：

(1)塑性混凝土的强度随着水泥用量的增加而增大，但是水泥含量大于180kg/m3时对提高混凝土强度的作用十分有限。

(2)黏土含量对塑性混凝土的强度存在一定的影响，当黏土含量较低时，塑性混凝土强度会随着黏土含量的增加而减小，当黏土含量较高时对强度的影响并不明显。

(3)掺入膨润土对塑性混凝土的强度存在显著影响，且膨润土的掺量越多，塑性混凝土强度的下降幅度就越大。因此，在实际工程应用中，可以在满足混凝土塑性变形性能的情况下，适当减小膨润土的掺量，以保证塑性混凝土有足够的强度。