水工塑性防渗混凝土强度影响研究

张 宇

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，沈阳 110166)

0 引 言

混凝土防渗墙作为一种有效的工程防渗措施，在堤坝、围堰、堤基、坝体等中小型水利防渗工程中的应用越来越广泛[1-2]。实际施工过程中，传统的混凝土防渗墙通常选用普通的刚性混凝土，然而由于极限变形能力较差，在使用过程中刚性混凝土防渗墙与周围材料的变形协调性不足，导致墙体内的应力集中问题比较突出，一旦超过界限将产生破坏性变形及防渗墙防渗失效[3]。为了有效解决以上问题，将一定量的膨润土、黏土等材料添加至传统的混凝土中，由此形成的一种新型塑性混凝土可明显改善普通混凝土的性能，大大提高防渗墙的耐久性和混凝土的极限变形能力，保证周边土体材料与防渗墙之间良好的协调变形性能[4-6]。此外，塑性混凝土还存在施工工艺简单、成本低等优点，现今已被广泛应用于水利工程领域。在防渗墙工程建设时塑性混凝土应符合弹性模量的要求，同时要具备足够的强度[7]。结合现有工程实践，在达到施工预期要求的弹性模量时，塑性混凝土的强度水平普遍偏低，并对防渗墙工程质量造成较大的影响[8]。鉴于此，通过科学合理的设计试验，文章深入探讨了水工塑性防渗混凝土强度的影响因素，具有一定的实践价值和理论研究意义。

1 研究方法

1.1 试验材料

塑性混凝土试验用水泥、减水剂、粗骨料、细骨料、膨润土型号依次为P·O 42.5普通硅酸盐水泥、聚羧酸高效减水剂、人工碎石、多级配河沙、纳化膨润土。通过检测水泥样品，结果显示其28d抗压强度47.2MPa、抗折强度7.7MPa，初凝170min、终凝236min，比表面积338m2/kg，各项指标均符合规范要求和相关试验要求；室内检测膨润土样品，结果显示选用黏土符合低液限标准，黏粒质量百分比达到68.1%；所用人工碎石与水泥的黏附力良好，粗骨料属石灰岩岩性，其粒径处于5-10mm之间，在加热过程中未发现分解、开裂现象；多级配河沙的细度模数处于0.072-2.54mm。

1.2 试验方案

本研究结合工程实践经验和塑性混凝土特点，在达到试验目标的情况下最大程度的减少试验次数，并采用工程类比的方法初步确定原料用量范围，经混凝土塌落度控制和室内搅拌试验，确定最佳的用水量。首先在水中溶入减水剂，再按6‰的掺量掺入拌和物。以水泥、黏土、膨润土作为试验研究变量，设计多组配合比方案，试验研究配合比设计，见表1。

表1 试验研究配合比设计

1.3 试验过程

将表1中的每种试验方案分别设计6个试件，即12组方案制作72个试件。以高100mm、内径100mm的圆柱形钢模作为试件制作的模具，把模具清理干净并放入烘箱内加热，试验过程中在模具内侧涂刷脱模剂，然后利用透水混凝土(由水泥裹石法制备)按试验设计标准，倒入模具并插捣密实。以单侧50mm高，将试件分上、下两层击实并自然冷却至常温脱模。在标养条件下(湿度≥95%、温度20℃±2℃)养护脱模后的试件至规定的龄期，以备后续实验的使用。

1.4 试验方法

按照规定的龄期从标养室内取出试件，将其表面利用抹布擦拭干净后置于试验机压板的中间位置。设定加载速率0.01MPa/s，试验过程中保持加载匀速，并对试件的变化情况仔细观察，当试件出现接近破坏的快速变形时准确纪录其荷载值，利用以下公式计算试件的抗压强度Pc，其表达式为：

(1)

式中：F、A为试件的极限破坏荷载(N)和承压面积，mm2；Pc为抗压强度值(MPa)。

每组试验的最终结果取3个试件的抗压强度平均值，与中间值相比若其它两个数值>15%，则最终试验结果取3个试件中的中间值；与中间值相比若最大、最小值差距≤15%，则对该组试验重新测定[9-15]。

2 结果与分析

2.1 水泥含量的影响

为探究塑性混凝土强度与不同水泥含量之间的关系，以P1、P2、P5、P8、P9五组试验方案(其水泥用量不同而砂率、黏土含量不变)为例，试验研究各试件7d和28d龄期的强度。不同方案的试件抗压强度利用文中所述公式和试验数据进行计算，不同水泥含量的抗压强度，见表2。

表2 不同水泥含量的抗压强度

从表2可以看出，随着水泥含量的增大试件的抗压强度不断提高。通过对比不同龄期的计算结果可知，水泥含量对28d龄期试件弹性模量的影响程度>7d龄期的试件，具体如下：水泥含量不超过140kg/m3条件下，随水泥含量的增大试件的抗压强度呈快速增大的变化趋势，而超过140kg/m3条件下试件抗压强度增长速度变缓，尤其是从160kg/m3提高至180kg/m3时试件的28d强度增长率仅有4.90%，该条件下提高水泥含量，其提升试件强度的作用逐渐减弱。

2.2 黏土含量的影响

为探究塑性混凝土强度与不同黏土含量之间的关系，以P3、P4、P5、P6、P7五组试验方案(其黏土用量不同而砂率、水泥含量不变)为例，试验研究各试件7d和28d龄期的强度。不同方案的试件抗压强度利用文中所述公式和试验数据进行计算，不同黏土含量的抗压强度，见表3。

表3 不同黏土含量的抗压强度

从表3可以看出，黏土含量在一定程度上影响着塑性混凝土强度，并且含量较少的条件下其影响作用较为明显，具体如下：黏土含量≤75kg/m3条件下，随黏土含量的增大试件的抗压强度呈显著的减少趋势。例如，黏土含量从55kg/m3不断增大至75kg/m3条件下其7d、28d龄期强度下降速率为14.43%和17.84%。塑性混凝土的抗压强度随着黏土含量的进一步增大表现出波动变化趋势，可见塑性混凝土强度受黏土含量进一步增大的影响不再明显。

2.3 膨润土的影响

为探究塑性混凝土强度与不同膨润土含量之间的关系，以P10、P11、P12三组试验方案(其膨润土用量不同而砂率、水泥含量不变)为例，试验研究各试件7d和28d龄期的强度。不同方案的试件抗压强度利用文中所述公式和试验数据进行计算，不同膨润土含量的抗压强度，见表4。

表4 不同膨润土含量的抗压强度

从表4可以看出，随着膨润土含量的增大不同龄期的试件抗压强度均表现出减少的趋势，膨润土掺量越高其影响程度越大。通过对比不同掺量的计算结果可知，膨润土掺量从0提高至50kg/m3时7d、28d龄期的试件抗压强度减少幅度为25.35%和54.42%，从50kg/m3提高至90kg/m3时7d、28d龄期的试件抗压强度减少幅度为17.93%和43.34%。研究表明，塑性混凝土强度会随着膨润土的掺入而减少，并且掺量越高其强度减少幅度越大。所以，在达到塑性变形要求的条件下，实际工程应用时应适当降低膨润土的掺量，从而确保强度满足要求。

3 结 论

文章利用试验的方法探究了水泥、黏土、膨润土等因素对防渗混凝土强度的影响规律，得出的结论有：

1)随着水泥用量的增加塑性混凝土强度表现出不断增强的趋势，当水泥含量超过160mg/m3条件下，水泥含量的提高对增强混凝土强度的作用减弱。

2)黏土含量在一定程度上影响塑性混凝土强度，黏土含量较低时随着黏土掺量的增加塑性混凝土强度不断减少，较高含量时黏土掺量对混凝土强度的影响不明显。

3)塑性混凝土强度受膨润土掺入的影响较大，膨润土的增加大大降低了混凝土强度，且膨润土掺量越高其强度下降越明显。所以，在达到塑性变形要求的条件下，实际工程应用时应适当降低膨润土的掺量，从而确保强度满足要求。