煤矸石塑性混凝土的配合比设计试验

2018-03-19熊复慧侯新月李向东

水利科学与寒区工程 2018年1期

熊复慧，侯新月，李向东

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

在水利工程中，水库防渗主要是采用混凝土防渗墙，亦称地下连续墙，防渗墙墙体材料使用初期主要是采用常规混凝土亦称刚性混凝土，经过近40多年的研究和实践，发现刚性混凝土防渗墙在抗渗方面存在着不少缺陷，因为刚性混凝土的强度大、弹性模量大，在外荷载的作用下，产生的变形极小，在应力应变关系方面与墙体周围的材料存在着较大的差异，从而在防渗墙体内产生大量地有害裂缝，使墙体本身的抗渗性能降低，同时，刚性混凝土的强度高，拆除时施工较为复杂，使得在围堰等工程使用中受到一定的限制，在20世纪50年代国外首次出现使用塑性混凝土作为防渗墙墙体材料，并且取得了较理想的效果，从80年代开始我国也开始对塑性混凝土进行研究并使用到工程中，1989年我国在福建水口水电站首次将塑性混凝土使用于围堰防渗墙工程中，并获得成功，随后在国内许多大中型水利水电工程中推广应用，如小浪底水库的主坝，福建水口水电站二期工程的上围堰，湖北丹江口水库的副坝，湖北隔河岩电厂围堰等。随着我国水电事业的发展，塑性混凝土在坝体、坝基防渗、除险加固、围堰、堤坝的防渗工程中广泛采用。

1 试验用原材料的性能测试

试验所用原材料分别有水泥、膨润土、普通中砂、碎石、煤矸石、水，以及外加剂木钙。

(1)试验用水泥是哈尔滨亚泰水泥厂生产的天鹅牌P·O42.5水泥，其物理指标及化学成分如表1、表2所示。

表1 试验用水泥的物理指标

表2 试验用水泥的化学指标 %

(2)试验用膨润土来自龙江县膨润土厂，其性能指标如表3所示。

表3 试验用膨润土的性能指标

(3)试验用砂为依兰县松花江流域河床天然河沙，检测其性能指标如表4所示。

表4 试验用砂性能指标

(4)试验用碎石为阿城石场5～25 mm连续级配碎石，检测其性能指标如表5所示。

(5)试验用煤矸石是达连河煤矿的粒径在30～100 mm范围内煤矸石，检测其性能指标如表5所示。

试验用砂、碎石、煤矸石颗粒级配区间如图1所示。

(6)水为哈尔滨自来水，检测其性能指标如表6所示。

(7)试验用外加剂是木钙，不但有减水的作用还可以起到抑制坍落度损失的效果。

图1 试验用骨料所在级配区间

表6 试验用水的化学指标

2 煤矸石塑性混凝土配合比设计

关于塑性混凝土的配合比设计在《现浇塑性混凝土防渗墙施工技术规程》(JGJ/T 291—2012)[1]中有详细提及且在《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL 174—2014)[2]中也有简要提及，首先就塑性混凝土原材料的品质要求、塑性混凝土的性能指标，以针对掺有煤矸石的塑性混凝土加以分析说明；然后分析计算塑性混凝土的配制强度以及配合比，并根据研究内容，列出相关塑性混凝土配合比。

2.1 塑性混凝土的性能指标

在《现浇塑性混凝土防渗墙施工技术规程》中分别对塑性混凝土拌合物与力学性能做如下规定：

(1)地下防渗芯墙塑性混凝土拌和物的密度不应小于2100 kg/m3；泌水率应小于3%；入孔坍落度应为180～220 mm，扩展度应为340～400 mm；坍落度保持150 mm以上的时间应不小于1 h。

(2)地上立模浇筑防渗芯墙塑性混凝土拌和物的密度不应小于2200 kg/m3；泌水率应小于2%；入孔坍落度应为140～160 mm。

(3)塑性混凝土初凝时间不应小于6 h，终凝时间不应大于24 h。

(4)28 d抗压强度应为1.0～5.0 MPa。

(5)弹性模量宜为防渗墙周围介质弹性模量的1～5倍，且不应大于2000 MPa；弹强比宜为200～500。

(6)塑性混凝土渗透系数应为10-6～10-8cm/s，渗透系数破坏坡降不宜小于300。

选用煤矸石来部分或全部替代塑性混凝土里的粗骨料，由于大部分煤矸石表观密度低于2500 kg/m3，更有部分产地的煤矸石表观密度低至2000 kg/m3，所以用煤矸石来配置塑性混凝土拌和物密度明显低于普通塑性混凝土的，因此关于标准中“地下防渗芯墙塑性混凝土拌和物的密度不应小于2100 kg/m3”的规定需做调整。本课题旨在将煤矸石应用到塑性混凝土中，但不改变其质量要求，因此关于塑性混凝土拌和物的其他性能指标与力学性能的规定不做调整，且保证达到其要求。

2.2 塑性混凝土的配制强度

在《现浇塑性混凝土防渗墙施工技术规程》与《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》中关于塑性混凝土的配制强度的计算分别以标准差与离差系数的方法计算，如式(1)、式(2)、式(3)所示：

fc u,0=fc u,k+tσ

(1)

σ=βfc u,k

(2)

fc u,0=fc u,k/(1-tCv)

(3)

式中：fc u,0为塑性混凝土施工配制强度，MPa；fc u,k为塑性混凝土设计龄期的标准强度值，MPa；β为标准差与塑性混凝土施工配制强度的关系系数；σ为标准差；t为概率度系数；Cv为强度的离差系数。

t、β、Cv与fc u,k的关系在相应规程的附表中查得。塑性混凝土强度保证率不应小于80%,也不宜大于85%。根据两种计算方法，表7列出了几个塑性混凝土的配制强度。

表7 塑性混凝土的配制强度

如表7所示塑性混凝土强度的计算结果基本相同。在两种计算方法中，标准差反应的是强度离散性的绝对值，离差系数反应的是离散性的相对值。近几年，国内很多规范都采用标准差法，分析其原因强度等级较大的混凝土，在相同的质量控制水平下，标准差更稳定，用标准差法会方便一些。而塑性混凝土强度低至2～6 MPa，强度值离散性更大，标准差不够稳定，而离差系数反而会相对稳定一些，呈现出一定的规律性。

如保证塑性混凝土拌和物性能与力学新性能一样，煤矸石的塑性混凝土的配制强度要求应保证与普通塑性混凝土的相一致。

2.3 煤矸石塑性混凝土配合比

关于塑性混凝土配合比的计算《现浇塑性混凝土防渗墙施工技术规程》中对原材料的掺量做了如下规定：

(1)塑性混凝土中水泥用量不应小于80 kg/m3；

(2)膨润土用量不应少于40 kg/m3；

(3)胶凝材料的总用量不应少于240 kg/m3；

(4)砂率不应低于45%；

(5)水胶比宜为0.85～1.20。

因煤矸石的强度较普通碎石低，试验过程中，将最小水胶比降至0.7，在拌和过程中强度较低的煤矸石容易破碎，最小砂率也降至43%。本课题主要研究煤矸石的掺量、胶凝材料总量以及砂率对塑性混凝土的影响，采用单一变量法选用以下十组配合比作为研究对象，如表8所示。大多数混凝土配合比试验研究都采用正交试验设计法做分析试验，因正交试验设计方法具有同时比较分析多因素多水平下还能保证大幅度较少试验组数的优点。但塑性混泥土强度范围过小，标准差极不稳定，再分析各因素影响指标，会出现数据漂移无规律可循的现象。而本课题对塑性混凝土采用单一变量法并多次试验验证的方法来分析研究各因素对煤矸石塑性混凝土影响规律。

表8 试验配合比设计

如表8所示，1#配合比是课题试验的基准对照组，配合比1#～6#的变量是煤矸石的掺量，煤矸石占塑性混凝土粗骨料的质量百分比分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%，因煤矸石的表观密度为2260 kg/m3远远低于普通碎石的表观密度，所以理论容重从2200 kg/m3均匀递减至2000 kg/m3；6#、7#、8#配合比是以砂率为单一变量的配合比，在煤矸石掺量达到100%的条件下降低砂率，分别为50%、47%、43%，此系列的试验目的是分析在胶凝材料用量、用水量不变的条件下，增加煤矸石的掺量对煤矸石塑性混凝土的影响规律；6#、9#、10#配合比是以胶凝材料掺量为单一变量的配合比，用水量不变的条件下(用水量为240 kg/m3)增加胶凝材料的用量，分别为300 kg/m3、320 kg/m3、340 kg/m3，此系列的试验目的是分析增加胶凝材料总量对塑性混凝土性能补偿的程度。通过以上10组塑性混凝土的配合比，定量分析其抗压强度。

图2 煤矸石掺量对抗压强度的影响规律

3 试验结果分析

煤矸石掺量对抗压强度的影响如图2所示，根据7 d、28 d抗压强度趋势线的斜率可知，随着煤矸石掺量的增加28 d抗压强度的下降速率是7 d抗压强度的3.47倍。与普通塑性混凝土相比，当煤矸石掺量达到80%以上时，7 d抗压强度降低10%以上，28 d抗压强度降低20%以上。由表8可知，1#～6#号配比的水泥掺量是相同的，在煤矸石塑性混凝土成型7 d后，水泥水化不完全，其抗压强度的薄弱环节主要表现在CSH凝胶体系上，其抗压强度并没有因为煤矸石掺量的增加而受到多大的影响。而成型28 d后，水泥水化基本完成，其抗压强度的薄弱环节在粗骨料部分，由于煤矸石的密度低、强度低的特点，而导致抗压强度因为煤矸石掺量的增加而大幅度下降。

砂率与胶凝材料掺量对煤矸石混凝土抗压强度的影响如图3所示，图中S43/C300表示砂率为43%，胶凝材料用量为300 kg/m3，以此类推。砂率的降低导致煤矸石塑性混凝土的7 d、28 d抗压强度呈现降低趋势，而适当增加胶凝材料的用量可以提高其抗压强度。在煤矸石掺量为100%的前提下，降低煤矸石塑性混凝土配比中的砂率就是提高煤矸石的用量，煤矸石塑性混凝土抗压强度的损失是因为煤矸石掺量增加导致的，而适当提高胶凝材料的用量可以弥补由煤矸石导致的强度损失。