红黏土膨润土塑性件混凝土在土石坝防渗工程中的应用研究

2019-07-05刘文龙

水利科技与经济 2019年6期

关键词：立方体膨润土单轴

刘文龙

(吉安市水利水电规划设计院，江西吉安 343000)

1 概述

在土石坝除险加固工程中，塑性混凝土防渗墙可有效弥补刚性混凝土防渗墙在高烈度或地基承载力较弱地区应用的缺陷，故塑性混凝土防渗墙加固技术应用得越来越广泛[1-2]。

随着塑性混凝土防渗墙在水库除险加固工程及相关工程的应用，采用压缩性低、抗剪强度高、承载能力较好和弱透水性等特点的红黏土作为塑性混凝土原材料，成为一种有效的解决措施[3-8]，故通过试验研究分析红黏土对塑性混凝土防渗墙性能影响显得非常重要。

2 试验准备及试验方法

2.1 试验材料

红黏土取自某水库库区，水泥采用型号为PO42.5的普通硅酸盐水泥，各项指标经检测均符合要求。采用的河砂细度模数为3.0，属中砂，颗粒级配属于II区，级配良好，符合标准要求。碎石粗骨料采用粒径为5～20 mm的碎石颗粒级配，符合标准要求。膨润土采用某膨润土厂生产的特级泥浆膨润土。

2.2 试验过程

2.2.1 设计红黏土配合比

对取自赣南红土地区的红黏土，通过改变红黏土含量设计试样，制备红黏土含量分别在0、30、60、90、120、150、180和210 kg/m3(每种红黏土含量试件为3块，以便减小试验误差)的红黏土膨润土塑性件混凝土，水泥含量均为150 kg/m3。国内尚无明确的红黏土膨润土塑性件混凝土配合比设计技术指标，本次试验中的红黏土膨润土塑性件混凝土配合比设计以四川南部某水库除险加固工程需要为背景，要求满足相应的技术指标。取水胶比为0.9，湿容重为2 000 kg/m3，含砂率为50%，膨润土含量为65 kg/m3。制备成100 mm×100 mm×100 mm的立方体标准试件。

2.2.2 单轴压缩试验

参照《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T 5303-2013)的有关规定，将试样(每种红黏土含量为3个试样，以减少试验误差)放置在试验机的下压盘上，试样中心应与试验机的下压盘中心对准。启动试验机，上压板快速接触试样时调整球座，使接触平衡，测量抗压强度。以0.05 MPa/s的速度连续均匀加载，当试件接近失效并开始快速变形时，试验机的节流阀应停止调整，直到试件损坏，并记录失效载荷和变形。为计算试件的压缩弹性模量，在20%极限载荷和40%极限载荷下，安装两个测微计来记录试件的变形。

2.2.3 渗透试验

参照《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T 5303-2013)的相关规定，具体步骤为：

1) 首先将试件(每种红黏土含量试件为3块，以便减小试验误差)放入真空饱水装置中进行饱和。在试验过程中，将试样擦拭干净。在试样侧面涂上一层合适尺寸的橡胶膜或一层密封材料，然后用螺旋加压器将试样压入试验模具，使试样与模型底面齐平。

2) 启动抗渗试验机，打开试验位置下的阀门，将试验坑注满水，关闭抗渗试验机，将密封试样安装在抗渗试验机上。试验过程中，根据设计要求的水力坡度，计算试验中的水压。计算时，将不透性计的水压加在水压上一次，直到发生渗漏为止。用中性滤纸或吸水性好的材料吸水，开始记录时间。

3) 根据渗水量准备足够的中性滤纸，称取其重量。然后将中性滤纸覆盖在渗水试样表面，盖上玻璃板，每隔2 h取出中性滤纸，称取其重量。前后两个质量差为该时期渗水量，即试件测试可以停止。

3 试验结果分析

3.1 不同红黏土含量下抗压强度规律探究

按照下列公式计算混凝土立方体试件抗压强度：

(1)

式中：Pa为单轴抗压强度，MPa；F为破坏时的极限荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

经过试验，得到各混凝土立方体试件单轴抗压强度，见表1、图1、图2。

表1 不同红黏土含量下混凝土立方体试件单轴抗压强度试验结果

图1 不同红黏土含量下单轴抗压强度曲线图

图2 各含量下强度降幅曲线

由表1和图1可以看出，红黏土含量从0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3时，红黏土膨润土塑性件混凝土立方体抗压强度分别下降了10%、15%、24%、30%、34%、36%、38%、41%，呈现出明显的下降趋势。

其中，当红黏土含量从0 kg/m3增加至30、60和90 kg/m3时，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体抗压强度分别降低0.72、1.13和1.42 MPa，降幅十分显著；当红黏土含量从90 kg/m3增加至210 kg/m3时，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体抗压强度分别降低0.18、0.27、0.37和0.52 MPa，降幅明显放缓。

从图2可以看出，随着红黏土含量的增加，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体试件的单轴抗压强度在各阶段的降幅逐渐变缓，整体表现出指数规律。以90 kg/m3含量为界，单轴抗压强度在各阶段的降幅从一个快速下降进入到一个缓慢下降的阶段。试验结果表明，在水泥含量一定的情况下，以红黏土含量90 kg/m3含量为界，红黏土含量小于90 kg/m3红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体的单轴抗压强度对红黏土含量十分敏感；超过90 kg/m3含量范围，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体的单轴抗压强度对红黏土含量的敏感程度逐渐降低；当红黏土含量接近100%时，单轴抗压强度也接近红黏土的单轴抗压强度。

3.2 压缩弹性模量规律探究

静力抗压弹性模量按下式计算：

(2)

式中：Ec为压缩弹性模量，MPa；F2为最大荷载的40%，N；F1为最大荷载的20%，N；ΔL为荷载从20%增加到40%时的变形量，mm；L为测量变形的标距，mm；A为试件受压面积，mm2。

试验结果见表2、图3。

表2 红黏土膨润土塑性件混凝土弹性模量试验结果

图3 不同红黏土含量下弹性模量曲线

由表2和图3可以看出，红黏土含量从0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3时，红黏土膨润土塑性件混凝土立方体弹性模量分别下降了5%、11%、13%、21%、26%、28%和29%，呈现出明显的下降趋势。图3表明在水泥含量一定的条件下，在0～210 kg/m3的红黏土含量范围内，随着红黏土含量的增加，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体试件的弹性模量在各阶段的降幅几乎相等，整体表现出线性规律。

3.3 渗透结果分析

混凝土的渗透系数按以下公式进行计算：

(3)

式中：K20为室温为20℃时的渗透系数，cm/s；Q为总渗透水量，cm3；J为渗透比降；t为间隔时间，s；A为试件平均截面面积，cm2；τT为实际试验条件下的水动力黏滞系数；τ20为室温为20℃时的水动力黏滞系数。

试验结果见表3、图4。

表3 红黏土膨润土塑性件混凝土渗透系数试验结果

图4 不同红黏土含量下试件渗透系数曲线

由表3和图4可以看出，红黏土含量从0 kg/m3增加至30、60、90、120、150、180和210 kg/m3时，红黏土膨润土塑性件混凝土立方体渗透系数分别下降了21%、31%、46%、52%、55%、56%和57%，呈现出明显的下降趋势。

图4表明，红黏土含量与渗透系数的下降呈现出先陡降后缓降的变化规律，整个变化过程表现出二次函数规律。与抗压强度类似，同样以红黏土含量90 kg/m3为界定点，渗透系数在各阶段的降幅从一个快速下降进入到一个缓慢下降的阶段。结果表明，在水泥含量一定的情况下，以红黏土含量为90 kg/m3含量为界，红黏土含量小于90 kg/m3红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体，红黏土膨润土塑性件混凝土的立方体的渗透系数对红黏土含量十分敏感，超过90 kg/m3含量范围，红黏土膨润土塑性件混凝土立方体试件的渗透系数对红黏土含量的敏感程度逐渐降低；当红黏土含量接近100%时，渗透系数也接近红黏土的渗透系数。