硅灰改性水泥基阻截墙的防渗及力学性能试验研究

何逵 邓英尔

摘要： 为了获得防渗效果、力学性能更好的塑性混凝土阻截墙体系，通过一系列坍落度、渗透性、抗压强度、弹性模量、XRD测试试验，研究了添加硅灰对土壤-水泥-膨润土阻截墙的渗透性及力学性能的影响。 研究结果表明：随着硅灰含量的逐渐增加，改性阻截墙的渗透系数呈现出先减小后增加，抗压强度先急劇增大后缓慢增加的趋势，当干物质质量含量为5.10%硅灰、76.55%黏土、8.35%膨润土和10.00%水泥时，改性阻截墙能够获得较低的渗透系数（1.02×10-9 m/s）、合适的抗压强度（0.951 MPa）和较低的弹性模量（1 244.5 MPa），含水率为66.76%时能够达到标准的施工和易性;XRD图谱显示硅灰与水泥水化产物生成了水化硅酸钙，该物质能够有效填充墙体内部孔隙并增加岩土基质密度。硅灰在提高混凝土阻截墙机械强度、降低渗透系数方面具有潜在的应用价值，同时能达到固废综合利用的目的，基于硅灰改性的阻截墙有望应用于水利工程地基的防渗。

关 键 词： 水泥基阻截墙; 硅灰; 渗透性能; XRD

中图法分类号：  TQ177

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.031

0 引 言

中国是世界上水库存量最多的国家之一，绝大多数水库建设于20世纪70～80年代，多采用土石等材料修筑大坝。这种类型的大坝存在一系列问题，如渗漏、管涌、底部侵蚀等，严重威胁大坝的安全。竖向阻截墙由于其施工简单、成本低、防渗性能好而被广泛应用于水库大坝、水电站大坝等的防渗[1-2]。传统的阻截墙材料主要包括水泥和黏土[3-4]，然而水泥基阻截墙成本高昂且防渗性能欠佳，黏土阻截墙的力学性能较差。而土壤-水泥-膨润土阻截墙综合了上述两种材料的特性，具有良好的防渗性能而被广泛使用。近年来，众多学者与机构致力于开发一系列成本更低的添加剂，用来提高土壤-水泥-膨润土阻截墙的力学性能并进一步降低其渗透性，目前已有的成熟添加剂包括高炉矿渣、粉煤灰、沸石、木屑等[5-8]。硅灰作为一种工业固废，颗粒细小、比表面积大，相比沸石、高炉矿渣、粉煤灰等，它具备化学活性低、成本低、稳定性高等优点。硅灰可与水泥的水化产物氢氧化钙发生火山灰效应而生成水化硅酸钙、铝硅酸钙等物质，这些物质能够充填多孔介质的内部孔隙并增加基质密度，从而提高混凝土和黏土的强度并降低基质的渗透性。Bagheri等[9]研究了添加硅灰对混凝土阻截墙的渗透性的影响，研究结果表明添加硅灰能够显著降低混凝土阻截墙的渗透系数，增加抗压强度与弹性模量值。Lu等[10]研究了添加硅灰对混凝土坍落度与流变特性的影响，研究结果表明硅灰能够影响混凝土的流变参数，混凝土的屈服应力随着硅灰含量的增加而增加，塑性黏度值先减少后增加，同时渗透系数显著降低。而目前国内外关于硅灰改性土壤-水泥-膨润土阻截墙相关的研究甚少，因此很有必要开展此类阻截墙的渗透性能、力学性能的影响研究，以此合成最佳材料比例的优良防渗阻截墙体系。

本文试验以传统的土壤-水泥-膨润土阻截墙为基础，通过添加硅灰合成一种新型的竖向阻截墙体系，开展一系列的坍落度试验、变水头渗透试验、抗压试验、弹性模量测试试验获得最低渗透系数、较高抗压强度和较低弹性模量的阻截墙材料体系配比，并采用XRD图谱分析改性前后阻截墙材料矿物成分。

1 材料与方法

1.1 试验材料及制备

硅灰（-0.012 mm）、普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）由成都蜀通岩土工程检测监测中心提供，黏土取自于成都成华区某野外场地，钠基膨润土（-0.054 mm）从四川仁寿工业公司购买。相关材料的成分分析见表1～3。按照质量比1 ∶8配比膨润土与自来水[8]，采用电动搅拌器（SHZ-82）充分搅拌24 h，得到膨润土水化浆。剔除黏土中的大块颗粒并置于电热鼓风干燥箱中，调节温度105～110 ℃烘6～8 h，然后再次调节温度至65～70 ℃保持黏土恒重，干燥过后的黏土经过万能粉碎机粉碎，使用2 mm的筛子筛分得到筛下产物。按质量比0 ∶1，1 ∶3，1 ∶5，1 ∶7，1 ∶9，1 ∶11，1 ∶13，1 ∶15，1 ∶17，1 ∶19，1 ∶21，1 ∶23配比硅灰与黏土，分别往上述12组混合物中添加10%（总物质质量分数）的硅酸盐水泥充分搅拌混合。

1.2 坍落度测试

为了提高试验效率，节约试验材料，选取具有代表性的4组配比（1 ∶3，1 ∶9，1 ∶15，1 ∶21）混合物料按照ASTM C143标准开展坍落度试验。试验之前在标准坍落度筒内壁涂抹一层机油，试验环境温度控制在21 ℃，往4组混合物料中添加水化膨润土泥浆，控制初始含水率为55%左右，分3次将混合泥浆加入标准坍落度筒中，使用搅拌棒插捣以消除气泡，装填完整后刮平并快速提起坍落度筒，用标准钢尺记录样品坍落度，精确到mm。按照上述步骤逐渐添加水化膨润土泥浆，依次测量坍落度，直到坍落度值（ΔH）达到100～150 mm[9]，取样品中间的物料进行含水率（w）测试，每组开展3次平行试验，记录平均值。

1.3 渗透系数，抗压强度及弹性模量测试

根据坍落度试验测定的最佳含水率以及膨润土含量配置12组改性阻截墙混合物料，使用65 mm×35 mm渗透仪环刀制取测试样品，测试之前，将样品放入温度21 ℃、湿度98%的养护箱中养护7 d。样品上下配置透水石并抽气24 h至水饱和状态，随后采用变水头渗透仪测定相应的渗透系数，待出水稳定后记录数据，并根据公式（1）计算出相应的渗透系数：

KT=2.3× aL A t1-t2  lg h1 h2  （1）

式中：KT为变水头渗透系数，m/s;L为样品高度，m;a为测压管断面积，m2;A为试样截面面积，m2;t1，t2分别为测压管水头的测定前后时间，s;h1，h2为测定前后水头，m。

按配比制备好的阻截墙在养护7 d之后，进行最大抗压强度测试。采用微型控制压力试验机得到最大压应力，并根据公式（2）计算得到抗压强度：

au= p A  （2）

式中：au为抗压强度，MPa;P为单轴应变力，N;A为垂直方向上试样面积，m2。

选取渗透系数最低、抗压强度适中的样品开展弹性模量的测试。制备直径15 cm、高30 cm的圆柱样品于恒温箱中养护28 d，采用递减压力负荷进行测量，每个样品测量3次取平均值作为最终的结果。

2 试验结果与讨论

2.1 坍落度（施工和易性）

4组样品的坍落度值与含水量关系如图1所示，从图1中可以看出：4组样品（硅灰与黏土比分别为1 ∶3，1 ∶9，1 ∶15，1 ∶21）在要求的目标坍落度（115±5 mm）下相对应的含水率分别为64.59%，66.05%，67.49%和68.92%。由此可以推断：12组不同配比下，目标坍落度值对应的含水量约为66.76%，膨润土含量为8.35%（膨润土与水的质量比为1 ∶8）。

2.2 渗透系数、抗压强度与弹性模量

12组阻截墙样品的渗透系数、抗压强度、弹性模量值如表4所列。其中11组样品的渗透系數都达到了1×10-9 m/s，依据相关标准，传统的土壤-水泥-膨润土竖向阻截墙的渗透系数为（1～100）×10-10 m/s。相关渗透系数随着硅灰含量的逐渐增加出现了先减小后缓慢增加的现象，渗透系数最低值出现在S1C15组别中;12组样品的抗压强度值均远大于0.1 MPa，达到了竖向隔离墙的基本要求[11]，抗压强度值与硅灰含量成正比例，当硅灰与黏土质量比小于1 ∶15时，抗压强度值急剧增大，之后缓慢增加，渗透系数与抗压强度呈反比;弹性模量值随着硅灰含量的增加而增加，改性后样品的弹性模量值约为改性前的1～4倍，能够达到Icold提出的塑性混凝土的标准弹性模量值范围[12]，说明硅灰能够降低传统土-膨润土阻截墙的渗透性并提高其力学性能。因此，当硅灰与黏土的配比为1 ∶15时，能够获得最低渗透系数和较高抗压强度性能的改性阻截墙。

2.3 XRD

改性前后的塑性混凝土阻截墙材料XRD图谱如图2所示。从图2中可以看出：塑性混凝土阻截墙材料主要含有石英、钙长石等矿物质;改性前后阻截墙的物质组成大体一致，但是在2θ= 29.00°时出现了碳酸钙特征峰，2θ= 31.02°时出现了水化硅酸钙特征峰，与相关文献结果一致[9-10]。添加的硅灰与水泥产物发生了火山灰反应，生成的水化硅酸钙能够有效填充改性阻截墙内部的空隙，同时增加墙体基质的密度，明显降低了阻截墙的渗透系数并提高了抗压强度。

3 结 语

本文通过一系列的坍落度、渗透性及力学性能测试试验，研究硅灰对传统土-水泥-膨润土阻截墙改性后的渗透率、抗压强度、施工和易性的影响。试验结果表明：当干物质成分为5.10%硅灰、76.55%黏土、8.35%膨润土和10.00%水泥时，可以获得渗透系数为1.02×10-9 m/s、抗压强度为0.951 MPa、弹性模量为1 244.5 MPa的合格阻截墙;坍落度试验表明当含水率为66.76%时，可以获得目标坍落度值（115±5 mm）;XRD结果证实了添加的硅灰与水泥发生了火山灰效应，生成的水化硅酸钙填充了内部孔隙并增加了基质密度，从而降低了阻截墙的渗透性并提高了力学性能。

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（编辑：胡旭东）

引用本文：

何逵，邓英尔.硅灰改性水泥基阻截墙的防渗及力学性能试验研究

[J].人民长江，2021，52（8）：204-207.

Study on anti-permeability and mechanical behavior of soil-cement-bentonite cutoff

wall improved by silica fume

HE Kui1，2 DENG Yinger1

（ 1.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China; 2.College of Vanadium and Titanium，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China ）

Abstract：

In order to develop a plastic concrete cutoff wall system with better anti-seepage effect and mechanical properties，a series of slump，permeability，mechanical strength，elastic modulus and XRD tests were carried out to study the effect of silica fume on the permeability and mechanical properties of soil-cement-bentonite cutoff wall.The test results showed that with the gradual increasing of silica fume content，the permeability coefficient of the modified cutoff wall decreased first and then increased，and the compressive strength increased sharply first and then increased slowly.When the dry matter content was 5.1% silica fume，76.55% clay，8.35% bentonite and 10% cement，the modified cutoff wall can obtain lower permeability coefficient（ 1.02×10-9 m/s），appropriate compressive strength（ 0.951 MPa），and lower elastic modulus（ 1 244.5 MPa）.When the moisture content was 66.76%，it could meet the workability standard.The XRD analysis results showed that the hydrated calcium silicate was generated by the hydration products of silica fume and cement，which could effectively fill the pores of the wall and increase the density of rock and soil matrix.Silica fume has potential application value in improving the mechanical strength and reducing the permeability coefficient of concrete cutoff wall.At the same time，it realizes comprehensive utilization of solid waste.The modified cutoff wall is expected to be applied in the seepage prevention of water conservancy project foundation.

Key words：

soil-cement-bentonite cutoff wall;silica fume;permeability;XRD