塑性混凝土防渗墙材料配比设计和性能测试

程 泽

（新疆昌源水务科学研究院（有限公司），新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

塑性混凝土是一种利用膨润土、粘土等材料部分代替水泥的一种大流动性混凝土，因水泥含量低，故具有低强度、低弹模、大应变等特点，属于一种柔性材料，可很好地适应地基变形，且具有良好的不透水性，因此在水利防渗工程中被广泛采用。以新疆塔桥湾水库大坝为实例，通过试验对塑性混凝土的水胶比进行分析。

1 工程概况

塔桥湾水库位于乌鲁木齐市米东区，该水库系平原灌注式中型水库。塔桥湾水库大坝全长2.5 km，坝底宽40 m，坝顶均宽6 m，坝高14 m，为土石坝。水库设计库容1200×104m3，最大泄洪能力10m3/s，控制灌溉面积1.3万亩，水产养殖面积900亩，年捕捞量可达100 t，是一座综合性水利工程。2018年5月，乌鲁木齐市水务局对塔桥湾水库大坝进行全面检测，得到坝体中段约50 m长度渗漏量较大，总体达到了150 L/min。经过多方讨论，最终决定采用塑性混凝土防渗墙技术对塔桥湾水库大坝进行彻底加固。

2 塑性混凝土最佳水胶比的确定

塑性混凝土主要材料包括水泥、砂、石、膨润土、减水剂等，其各项指标参数对防渗效果有直接影响，而水胶比则决定了混凝土性能。因此确定混凝土材料的最佳水胶比是首要任务[1]。

2.1 各材料的性能指标

（1）水泥性能指标

测试采用P.O52.5R标号水泥，该水泥物理力学性质指标见表1。经测定：该水泥各类指标均能达到相关要求，适合做塑性混凝土材料[2]。

表1 水泥物理力学性质指标

（2）骨料性能指标

骨料分为粗骨料和细骨料，其中粗骨料为附近河滩砂卵石，粒径要求5 mm～20 mm，在此不再详述。细骨料采用河砂，塑性混凝土要求的细骨料规格及规格指标见表2，筛分曲线见图1。通过与标准值对比分析，测试所采用的细骨料河砂性能指标满足使用要求[3]。

表2 细骨料物理力学性质指标

图1 细骨料筛分曲线同标准曲线对比

（3）膨润土和减水剂性能指标

测试所采用的膨润土为钙基膨润土，pH值为9.0，含水率0.19%，比重1.11，经检测符合要求。减水剂可在一定程度维持混凝土坍塌度不变，减少用水量，改善混凝土的拌合性。项目所用减水剂为聚羧酸，一般合理掺量范围在0.7%～1.0%，具体可根据实际情况适当调整。

2.2 不同水胶比的塑性混凝土力学性能测试

根据塑性混凝土的特点及结合本项目实际需要，选取7个技术参数（力学性能和变形性能）作为塑性混凝土水胶比的指导要求，见表3。

表3 塑性混凝土技术指标标准

（1）不同水胶比设计

根据测试要求的塑性混凝土指导参数，结合其他项目经验，设计3个不同水胶比的实验组，分别为0.90、0.95、1.05。然后对试件进行标准养护一定时间后（7 d和28 d）测定其各项技术指标。具体配比设计见表4[4]。

表4 塑性混凝土不同水胶比配比数据

（2）不同水胶比塑性混凝土抗压强度测试分析

试件均为圆柱体形状，具体尺寸：直径为100 mm，要求尺寸精度不大于10-3cm，角度偏差不超过±1°，以0.3 MPa/s速度均匀加压，并记录破坏时的载荷，然后利用式（1）[5]计算试件抗压强度fcn，测试拟合曲线见图2。

式中：P为试件破坏载荷，kN；A为试件承压面积，mm2。

由图2可知：①随着水胶比增大，混凝土抗压强度在逐渐下降，水胶比为1.05时，抗压强度达不到标准值要求，因此排除；②28 d的强度大概是7 d强度的两倍左右；③水泥用量越大，抗压强度越大，但是也会降低混凝土柔性，在此推荐水胶比为0.95。

图2 不同水胶比塑性混凝土抗压强度拟合曲线

（3）不同水胶比弹性模量测试分析

塑性混凝土的弹性模量Ec利用式（2）计算：

式中：P1为应力为0.5 MPa时载荷；P2为40%极限破坏载荷；L为测量变形标准距离，mm；ΔL为试件变形值。

去除误差超过15%的测量值后将剩余数值取平均值。测量拟合曲线见图3。由图3可知：①随着水胶比增大，混凝土弹性模量急剧下降，两者拟合度超过0.89，说明水胶比是决定弹性模量的重要因素；②不同的水胶比下，各个弹性模量均小于标准值1500 MPa，满足要求；③弹性模量低说明混凝土内部孔隙多，不利于防渗性，因此推荐水胶比为0.95[6]。

图3 不同水胶比塑性混凝土弹性模量拟合曲线

（4）不同水胶比防渗性测试分析

采用“稳定渗流法”对试件抗渗性进行分析，结果见图4。由图4可知：①随着水胶比增大，渗透系数也在增大，但均小于要求值1.0×10-7cm/s；②水胶比每增加一级，渗透系数增大50%以上，说明水胶比对渗透性有着决定影响。

图4 不同水胶比塑性混凝土防渗性拟合曲线

通过试验对比及综合分析，塑性混凝土水灰比为0.95时，其抗压性、弹性模量、防渗性等指标均处于合理范围，因此确定0.95为本项目的最佳水灰比。

3 塑性混凝土抗溶蚀耐久性分析

由于防渗墙常年处于水环境中，且物质成分复杂，因此抗溶蚀耐久性是评价塑性混凝土防渗墙质量的另一个重要指标，直接决定墙体的防渗效果及使用寿命。故使用试验手段对比分析水泥土和塑性混凝土的抗溶蚀耐久性[7]。

（1）试验设计

塑性混凝土防渗墙产生溶蚀破坏的原因：材料通过化学反应产生可溶于水的Ca（HCO3）2和CaSO4，因此试验测量一定水压下试件的渗透系数及钙化物溶出量。

设计水泥土水泥掺入比为18%，水灰比为0.5；塑性混凝土按照0.95水胶比进行配比，均为标准养护30 d后取出试验，并定期对试件渗透系数、钙化物（CaO）进行测试。

（2）试验结果分析

①通过测量，水泥土和塑性混凝土试件前3 d的渗透系数接近，均超过10.0×10-7cm/s。但塑性混凝土在7 d后逐步下降至2.0×10-7cm/s，30 d后基本稳定在1.0×10-7cm/s以下；而水泥土渗透系数比塑性混凝土下降的慢，最终均降到标准值以下。

②水泥土和塑性混凝土CaO累计溶蚀量曲线见图5。由图5可知：两者的累计溶蚀量速度均为先快后慢；水泥土累计稳定溶蚀量达到8000 mg，塑性混凝土约为3800 mg，相差2倍左右，塑性混凝土优势巨大，且满足相关标准要求。

图5 试件CaO累计溶蚀量曲线

4 结语

塔桥湾水库经除险加固后，大坝年渗流量直接下降了60%以上，降到了最低标准值以下，取得了很好的效果。塑性混凝土力学性能受多种因素控制，会因工程的水质、地质条件等不同而产生不同的效果，因此在使用时应当充分结合当地实际条件，不可盲目照搬其他相似工程，必须进行严谨地试验对比，确保工程质量。