塑性混凝土抗渗性能研究

吴俊姿

(江西省源河工程有限责任公司，江西 南昌 330025)

随着水利科学技术的发展，水利水电工程的堤坝建设规模也发生了较大的变化，因此对于防渗的要求也逐渐提高，促进了防渗墙的设计建造方法、设备和防渗材料的不断改进。水利水电工程中，多采用混凝土防渗墙进行防渗处理。根据相关工程实践和研究成果，刚性混凝土在防渗墙工程中存在一定的弊端：首先是适应能力较差，这是因为普通混凝土的弹模多为2×104MPa，是坝体地基的数百倍，弹模高则意味着荷载作用下防渗墙变形较小，与地基变形不能协调一致，这会导致墙体与土结合面脱开，在防渗性能较差的情况下也不利于坝体的稳定[1]。其次是因为水利水电工程多为大体积工程，对于水泥的需求量较大，同时为了抗渗防裂性能，在墙内增加了较多的抗裂钢筋，大大提高了工程造价。

如何更好地解决普通混凝土防渗墙所产生的这些问题，能否找到一种合适的材料来代替普通混凝土的缺陷，在这种情况下，塑性混凝土也就应运而生了。塑性混凝土是一种介于土与普通混凝土之间的柔性工程材料。由于塑性混凝土具有很低的弹性模量和良好的塑性变形特性，能与周围地基围岩协调变形，另外塑性混凝土不仅能保证足够的力学强度，而且抗渗性尤佳，因而在水利水电工程中得到了广泛的应用。对于塑性混凝土，国内外展开了大量研究。1994年，三峡二期围岩防渗墙中通过掺加粉煤灰的方式降低了水泥用量，有效降低了防渗墙的弹性模量并增加了抗渗性能[2]。2006年，魏光辉结合减水剂和粉煤灰的掺加，有效降低了水泥水化热，大大减少了裂缝的产生，还有效减弱了水化过程那种碱性集料的反应，有效降低了塑性混凝土受到水熔盐的侵蚀风险[3]。上述均为对于塑性混凝土定性的研究，陈磊在2008年研究了粉煤灰的掺入量与塑性混凝土的弹性模量的关系[4]；周梅教授在2009年，研究了橡胶微粒在塑性混凝土中的掺加，通过对比试验分析了橡胶微粒在塑性混凝土中的工作性、弹性模2a、强度和渗透系数的影响[5]。杨林在2012年，通过掺加硅灰的方式定量研究了硅灰掺量的增加，对于塑性混凝土弹性模量和强度的影响，这对于塑性混凝土的推广应用起到了较大的推动作用[6]。

鉴于塑性混凝土防渗性能受到多种因素的影响，同时对于塑性混凝土的抗渗性能需要进行适配，确定最终配合比。本文通过渗水高度方法研究水胶比、水泥用量和外加剂掺量对于塑性混凝土渗透性能的影响，相关研究结果对于未来类似工程设计、施工和后期维护提供最为基础的数据支撑。

1 围堤结构对塑性混凝土的要求

1.1 围堤结构的要求

大型水利水电工程项目的建设，对于堤坝具有较高的防渗要求，堤坝的防渗功能有缺陷会大大降低水利水电工程的安全使用性能。随着水利水电工程的规模越来越大，在高水头作用下，堤坝对防渗的要求则更高，由此将对维持水利水电工程的正常运营造成较大的影响，甚至发生渗漏问题，造成严重的后果，具体如下[7]：

(1)渗漏造成堤坝扬压力太高，对于堤坝的抗滑稳定性有着较大的影响，甚至造成失稳破坏。

(2)渗漏降低堤坝耐久性。如果堤坝发生渗漏作用，则会在裂缝处析出钙化物，造成混凝土疏松，严重则会影响大坝耐久性。

(3)渗漏加剧混凝土冻融破坏。对于堤坝而言，尤其是高寒地区的堤坝，渗漏条件下，渗入混凝土内部水分会发生结冰膨胀，导致混凝土结构发生冻融循环破坏，严重影响堤坝安全。

1.2 塑性混凝土的基本特点

与普通刚性混凝土相比，塑性混凝土原材料增加了膨润土和外加剂等多元材料，因此在性质上也与普通混凝土有较大的不同。鉴于本文是研究塑性混凝土在堤坝工程中的应用，因此以下对于塑性混凝土在堤坝工程应用中的优点进行描述[8]。

(1)弹性模量低。相对普通刚性混凝土，塑性混凝土加入了部分膨润土，在一定程度上增加了塑性混凝土的塑性，对应的其弹性模量也大大降低，使得塑性混凝土具有较大的极限应变。

(2)抗裂性能好。鉴于塑性混凝土弹性模量较低，因此相比普通刚性混凝土具有较大的极限应变，使得塑性混凝土防渗墙在荷载作用下具有较大的变形，与周围土体有较好的变形协调能力，几乎不会因变形产生裂缝，即抗裂性能优良。

(3)三向受力强度大。相比普通混凝土，塑性混凝土的抗压强度较低，但对于堤坝工程等对于强度要求不高的工程能够满足结构要求。然而由于塑性混凝土的塑性变形较大，在三向力作用下，塑性混凝土强度会得到较大的提高，不会因为受压较大而发生破坏现象。

(4)抗渗性能好。塑性混凝土掺入大量低透水性材料，尤其是膨润土的掺加，不仅降低了其弹性模量，对于其渗透系数也有较大程度的降低，这正好符合防渗墙的要求；在塑性混凝土设计中，多考虑掺入粉煤灰，粉煤灰的二次水化作用进一步降低了塑性混凝土的渗透系数。

(5)良好的抗震性。根据上述分析，塑性混凝土弹性模量较低，具有较大的应力变形能力，因此在地震力作用下，能够吸收较多的振动能力，极大地提高了防渗墙的抗震能力。

1.3 塑性混凝土渗透产生的原因

对于塑性混凝土的渗透原理，目前多数认为是混凝土内部的空隙、微裂缝造成了混凝土内部的裂缝，流体通过裂缝渗透进入混凝土中，具体方式如图1所示[7]。

对于多孔非均质材料的塑性混凝土，内部存在着大量的空隙以及微裂缝，因此防渗方面需要进行特殊的处理。因此为了防渗方面的考虑，对于塑性混凝土的水胶比有一定程度的限制，这是因为在混凝土中存在着一定量的自由水，在水泥水化过程完成后，水化产物却不能完全占据自由水所占的空间，因此在塑性混凝土内部残留的自由水，蒸发后存在一定量的毛细孔。同时施工中振捣不密实也会造成内部空隙。在浇筑完成后，内部骨料会有一定程度的沉降和上升，骨料的沉降和上升在混凝土内部形成贯通的毛细管通道，成为后期液体分子渗透的途径；同时混凝土在运营过程中的干缩效应，也会在内部和表面产生裂缝，在运营过程中，在水压作用下，水分子会沿着内部存在的空隙和微裂缝进行渗透。

1.4 塑性混凝土的抗渗机理

塑性混凝土的抗渗性能，即塑性混凝土抵抗水、油等溶液的渗透作用的能力，这也是衡量塑性混凝土质量的指标之一，同时对于塑性混凝土的耐久性也有较大的影响。塑性混凝土抗渗性能，除了对水等溶液的渗透有抵抗能力，同时对于碳化、冻融循环破坏具有一定的抵抗能力。根据工程实践，塑性混凝土在水利工程中的应用，对于防渗均具有一定程度的要求，当前对于其防渗机理的研究，多集中在以下几个方面[8]：

(1)对于塑性混凝土的水胶比降低以后，水泥水化物会有一定程度的减小，因此相应的网状结构较普通混凝土单薄，然而却能够组成完整的骨架，对于大部分的骨料具有一定的黏结能力，保证其稳定性，足以抵抗一定程度的渗水压力。

(2)骨料和土料的含量要根据试验确定。这是因为适量的骨料和土料使得塑性混凝土不仅能够满足塑性混凝土的和易性和变形要求，使得单位体积的孔隙率大大降低。

(3)水泥颗粒及其水化产物间的空隙大部分被膨润土或黏土颗粒堵塞。

(4)膨润土和黏土颗粒的存在，使得正负电荷能够吸附大量水分子，使得自由水分子变成化合水分子，降低渗水的过水面积。

(5)对于塑性混凝土而言，水泥和膨润土水化过程，使得水化产物的密度和强度不断加大，造成自由水含量减少，对于混凝土的密实性和抗渗性能具有一定程度的增强作用。

2 塑性混凝土的试验分析

2.1 试验方法

塑性混凝土相对渗透系数测定的试验方法参考DL/T5303-2013《水工塑性混凝土试验规程》，采用混凝土抗渗仪一次加压进行，具体试验过程如下：

(1)试件要求。对于塑性混凝土的抗渗性能，鉴于其抗渗性能的大小，当前多采用渗水高度方法进行测试，即相对渗透系数法进行测试，试件为圆柱体，具体标准为：上口直径175mm、下口直径185mm、高度150mm。试验方法具体如图2所示。

图2 渗透示意图

(2)施压方式。将抗渗仪的水压力一次性加到0.4MPa，并记录时间(精确至分)。保持恒定压力24h。

(3)抗渗性能公式推导。24h后，开始降压。然后劈开试件，测量试件的平均渗水高度，根据计算得到相对渗透系数，有关计算公式为：

(1)

式中，Kr—相对渗透系数，cm/h；α—塑性混凝土的吸水率；Dm—平均渗水高度，cm；T—恒压保持时间，h；H—水压力，以水柱高度表示，cm；若在恒压的过程中，试件出现渗水，则停止试验，记下出水时间，试件的渗水高度为150mm。

2.2 试验配合比

当前缺少塑性混凝土试验规程，本次试验原理主要借鉴DL/T5199-2004《水工混凝土试验规程》和DL/T5150-2001《水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》，对于塑性混凝土抗渗性能的相关影响因素进行研究。鉴于水胶比、水泥用量和减水剂含量对于塑性混凝土抗渗性能的影响较大，本文以其他参数为定值，通过改变水胶比、水泥用量和减水剂的方法，进行塑性混凝土的抗渗性能试验[9]。

迄今为止，关于塑性混凝土的配合比，国内外没有统一的设计方法，在具体工程应用中，往往依靠经验设计多组配合比进行试配工作，从中选择符合工程要求的配合比，以供工程施工使用，本文通过多次试验，选择的配合比见表1。

表1 塑性混凝土试验配合比

图3 塑性混凝土试件渗水高度

试验塑性混凝土设计强度为0.6MPa，水泥采用P.O32.5号普通硅酸盐水泥，粗骨料为连续级配碎石，最大粒径为25mm，天然河沙，级配曲线位于II区，属于中砂；膨润土采用四川乐山生产的钠质膨润土。

3 试验结果分析

3.1 试验结果

作为塑性混凝土较为重要的技术指标，抗渗性能直接关系着塑性混凝土防渗性能的好坏，基于上节对于塑性混凝土3种不同材料对比的工况，根据相对渗透系数法进行试验，得到不同工况下掺加材料对于塑性混凝土渗透系数的影响，根据公式计算得到塑性混凝土相对渗透系数，具体见表2。

表2 塑性混凝土抗渗性能试验结果

试验计算图如3所示。

3.2 水胶比对塑性混凝土抗渗性能的影响

水胶比是塑性混凝土配合比设计中的重要指标，同时也对于塑性混凝土的抗渗性能有较大的影响。根据渗水高度法的测量原理，对于塑性混凝土的抗渗性能进行研究，如以渗透系数研究塑性混凝土的抗渗性能，结果如图4所示。

图4 渗透系数与水胶比之间的关系

根据图4可知，塑性混凝土的水胶比越大，则塑性混凝土的渗透系数越大。这是因为在塑性混凝土拌合过程中，水胶比越大，则需要越多的水，塑性混凝土凝固过程中则会有更多的自由水，大量自由水的存在一定程度上影响着塑性混凝土结构中胶凝材料的连续性。胶凝材料的连续性不好，则会导致塑性混凝土的抗渗性能下降，即渗透系数会有一定程度的增加。同时，水胶比过大，在塑性混凝土凝固后，自由水会有一定程度的蒸发，造成塑性混凝土内部孔隙率变大，导致渗透能力增加、渗透系数大大增加。

3.3 水泥用量对塑性混凝土抗渗性能的影响

对于塑性混凝土而言，水泥和骨料是影响其强度的主要因素，与骨料含量不同的是，水泥用量对于塑性混凝土的抗渗性能也有一定程度的影响，这是与水泥水化反应方程式有较大的区别：

2C3S+6H→C3S2H3+3CH

(2)

式(2)即为硅酸盐水泥发生水化反应的方程式，即硅酸三钙发生水化反应生成硅酸(C—S—H)和氢氧化钙(CH)的过程。具体反应过程和分析如下。

(1)氢氧化钙结晶，水化后的硅胶将会在硅酸三钙表面形成包裹层，包裹层随着水化作用的进行不断变厚。鉴于水化硅胶的粒径仅为1mm，吸附氢氧化钙后则能有效的降低水分扩散。

(2)对于水泥用量的多少，对于水化产物的形成也会有着较大的影响，水化产物的形成和生成速度对于塑性混凝土的抗渗性能有着较大的影响，根据相对渗透系数法测定水泥用量对于塑性混凝土抗渗性能的影响，具体结果如图5所示。

图5 水泥用量与渗透系数之间的关系

根据图5可以看出，随着水泥用量的增加，塑性混凝土的渗透系数呈下降趋势，即塑性混凝土的抗渗性能随着水泥用量的增加而增加。这是因为根据水泥水化反应方程式，水化过程会产生一定量的胶体，对于结晶的硅酸三钙产生一定的包裹作用，水泥用量越大，包裹性能越强，塑性混凝土中的空隙率则会大大降低，对于抗渗性能具有较大程度的提高。水泥掺量的大小，影响着水化产物层的形成，从而影响到塑性混凝土的抗渗性能。

3.4 外加剂对塑性混凝土抗渗性能的影响

塑性混凝土中掺加外加剂，在一定程度上降低塑性混凝土的渗透系数，具体如图6所示。

图6 渗透系数与减水剂掺量之间的关系

根据图6可知，随着减水剂掺量的增加，塑性混凝土的抗渗性能有所降低。这是因为减水剂中含有的亲水基团能够吸附大量水分子，悬浮的水分子包裹水泥颗粒，形成水层，使得水泥颗粒之间的滑动性能得到一定程度的提高。同时导致塑性混凝土中产生大量小气泡，在混凝土小气泡一方面可以有效组织塑性混凝土中固体颗粒的沉降和水分子的上升，同时气泡形成薄膜也在一定程度上消耗了水分，降低了自由水的含量；上述作用使得自由水的游移作用降低，同时切断水分传输的毛细管，大大降低了塑性混凝土的渗透系数。

4 结论

鉴于塑性混凝土的的大变形、地弹性模量、高抗渗性能的特征，在水利东湖店工程防渗施工、加固处理工程中得到了较为广泛的应用。通过水胶比、水泥用量和减水剂掺量的不同，研究塑性混凝土的抗渗性能，得到以下结论：

(1)针对塑性混凝土水胶比对于塑性混凝土的防渗性能影响进行了研究，发现随着水胶比的增加，塑性混凝土的渗透系数会大幅度增加。

(2)通过研究塑性混凝土水泥用量对于塑性混凝土防渗性能的影响，发现随着水泥用量的增加，塑性混凝土的渗透系数会大幅度降低。

(3)减水剂的添加，对于塑性混凝土的防渗性能有较大的影响，随着减水剂用量的增加，塑性混凝土抗渗性能有较大程度增强。