超深防渗墙塑性混凝土制备及应用技术研究

穆清君 ，程书凯 ，刘书程 ，孙晓伟 ，田晓川

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040）

0 引言

中交二航局襄阳市鱼梁洲沉管隧道项目为汉江上的首座沉管隧道，其东汊干坞采用国内最大规模临江岸堤轴线干坞格型地连墙结构作为临江富水沉管干坞坞门处江堤防护结构。地连墙深度方向采用“钢筋混凝土+素混凝土”组合结构，干坞面积大，基础透水性强，防渗墙墙体材料的选择是施工的一个难点。同时，东汊干坞止水墙深度在65～70 m（含70 m）的段落长度约791 m，70～76 m的段落长度约950 m。如此超深基坑防渗墙对塑性混凝土原材料选择、制备、施工等技术提出了巨大挑战。为了保证良好的施工质量和防渗性能，采用柔性塑性混凝土防渗墙施工是非常有效的一个方式[1-3]，可以在很大程度上降低施工成本，保证良好的经济效益。另外，塑性混凝土还能克服普通混凝土防渗墙与周围土体间容易产生较大变形差的缺点[4-8]。

根据襄阳鱼梁洲区域地质勘探资料，施工场地有大量的粉细砂和黏土。根据塑性混凝土设计要求，因地制宜，就地取材，利用丰富的砂土资源生产防渗墙实体工程，既可以节约造价，又能减少对天然砂的消耗，达到了节省投资、缩短工期、保护环境的目的。

1 原材料选择及技术指标

1.1 原材料选择

水泥为湖北三峡葛洲坝水泥厂生产的P.O42.5水泥，初凝时间185 min，终凝时间245 min，比表面积330 m2/kg，烧失量为4.28%，密度为3.02 g/cm3，28 d抗压强度为48.5 MPa。粉煤灰为湖北华电襄阳发电有限公司生产的二级粉煤灰，根据DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》对粉煤灰细度、需水量比、烧失量、含水率进行试验，试验结果表明粉煤灰符合Ⅱ级粉煤灰标准要求。填充料选用鱼梁洲地表粉砂及粉质黏土。外加剂选用中交二航武汉港湾材料有限公司塑性混凝土专用外加剂。水采用鱼梁洲地下水，质量应符合拌制混凝土用水标准。

1.2 塑性混凝土性能指标

根据DL/T 5150—2017《水工混凝土试验规程》及SL174—2014《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》[9]，塑性混凝土性能要求见表1所示。

表1 塑性混凝土性能指标Table 1 Performance indexesof plastic concrete

2 塑性混凝土配合比设计及优化

2.1 配合比设计依据

依据《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》要求，通过初步配合比设计，原材料比选设计、配合比综合性能比选优化设计等步骤，确认了本工程止水地连墙塑性混凝土配合比。

2.2 塑性混凝土初步配合比设计

根据国内外塑性混凝土调研结果，针对塑性混凝土不同的配合比选取10组进行试验研究，初步设计工况及试验结果见表2。

表2 塑性混凝土初步设计配合比Table 2 Mix proportion of plastic concrete

通过塑性混凝土初步设计结果分析可知，制备的塑性混凝土抗压强度及密度虽基本满足塑性混凝土性能指标要求，但工作性能较差，主要表现在混凝土流动度超过设计标准要求，黏度较大，无法满足现场灌注施工工艺要求。必须引入部分改善材料，以提高和改进混凝土的工作性能。

2.3 塑性混凝土综合性能比选优化

通过前期塑性混凝土采用不同设计思路试验结果，塑性混凝土的水泥用量及砂土比例的关系，对塑性混凝土的强度、流动度、渗透系数等性能有很大的影响。为了改善塑性混凝土的强度和工作性能，提高混凝土抗渗能力，塑性混凝土砂占砂土的比例宜控制在20%～70%，并掺适量的专用外加剂和粉煤灰调整其工作性能，满足现场施工需要。

2.3.1 减水剂掺量对塑性混凝土性能影响

表3为掺减水剂塑性混凝土配合比，图1为减水剂掺量对塑性混凝土性能影响。由图1（a）可知，随着外加剂掺量增加，塑性混凝土流动性逐渐增大，而密度表现出先增大后降低趋势，如外加剂掺量分别为11%和12%时，塑性混凝土密度均超过1.8 g/cm3，当减水剂掺量为13%时，塑性混凝土流动性最大，此时塑性混凝土密度却低于1.8 g/cm3。因此，减水剂掺量不宜过大。图1（b）可看出，随着减水剂掺量增加，塑性混凝土28 d强度表现出一定的降低，此时，塑性混凝土28 d强度范围在2.8～3.7 MPa，均能满足设计要求。同时，由图1（c），塑性混凝土抗渗系数随着减水剂掺量增大而增加。综合分析，外加剂适宜掺量为11%。

表3 掺减水剂塑性混凝土配合比Table 3 Mix proportion with water reducing agent of plastic concrete

图1 减水剂掺量对塑性混凝土性能影响Fig.1 The effect of the amount of water reduction on plastic concrete performance

2.3.2 粉煤灰掺量对塑性混凝土性能影响

表4为掺粉煤灰塑性混凝土配合比，图2为粉煤灰掺量对塑性混凝土性能影响。由图可知，粉煤灰掺量在5%～30%的范围内变化时，塑性混凝土拌和物的流动性先增大后减小，塑性混凝土密度表现出一定的波动性。除了30%掺量粉煤灰外，各组塑性混凝土密度均在1.77～1.81 g/cm3之间。另外，随着粉煤灰掺量逐渐增大，塑性混凝土抗渗系数表现先降低后增大趋势：塑性混凝土的抗压强度逐渐降低。虽然混凝土后期强度满足要求，但强度保证率无法达到设计要求。综合分析来看，塑性混凝土中粉煤灰掺量不宜过高，具体掺量应根据实际生产情况进一步研究。

表4 掺粉煤灰塑性混凝土配合比Table 4 Mix proportion with fly ash of plastic concrete

图2 粉煤灰掺量对塑性混凝土性能影响Fig.2 The effect of the amount of fly ash on theperformance of plastic concrete

2.4 塑性混凝土配合比确定

经过多次的配合比试验，掺入粉煤灰虽然能改善塑性混凝土拌合物的流动性，但塑性混凝土密度小，28 d抗压强度低，难以保证塑性混凝土施工质量。根据塑性混凝土综合性能比选优化设计结果，结合混凝土性能设计指标要求，塑性混凝土中不加入粉煤灰，最终确定塑性混凝土配合比如表5所示。

表5 塑性混凝土不同配合比结果Table 5 Results of different mix proportion of plastic concrete

经过多次的配合比比对试验及综合性能验证，止水地连墙塑性混凝土PC-11、PC-12和PC-13号配合比，根据不同的砂土比例组合得到的性能指标数据，均能满足塑性混凝土设计性能指标要求，可用于止水地连墙塑性混凝土施工。为了保证塑性混凝土施工质量，在正式施工过程中须控制以下环节：1）砂占砂土材料的比例控制在20%～70%范围；2）混凝土密度控制在1.80～1.90 g/cm3；3）混凝土流动度控制在（35±5）s；4）塑性混凝土在开盘施工前，应准确检测砂土比例及含水率，严格控制混凝土配合比各种原材料用量，根据砂土比例检测结果选取合理的理论配合比指导现场施工。

3 现场试验验证

在大量室内试验的基础上，东汊干坞选定了首段槽段DCZSQ-S52为试验槽段，进行塑性混凝土的浇筑，以验证该工艺的可行性。在施工龄期满足设计及规范要求后，在该槽段不同深度处进行了钻芯取样分析，并进行了降水渗透性试验检测。通过施工过程取样或制备试件及成槽后的钻芯取样试验验证表明，在该配合比情况下，墙体材料于各深度处均匀良好，芯样完整且连续，各项检测指标均满足设计及施工要求。

在首段槽段施工完成并经相关试验检测，初步验证该塑性混凝土满足施工工艺及设计要求的基础上。开展了东汊干坞地连墙的正式施工，为进一步验证该材料的稳定性，对部分已施工且龄期满足设计要求的槽段，进行了钻芯取样分析，并在施工过程中随机抽取样品进行室内试验，进行数据对比，结果如表6所示。

表6 正常施工槽段塑性混凝土检测数据统计表Table 6 The statistical table of plastic concrete detection data for normal construction grooves

由表6可知，在正常大规模施工阶段，该塑性混凝土性状稳定，与前期首节槽段施工时所检测参数结果相符。进一步验证了该塑性混凝土对于本工程的适用性，同时对于类似项目的施工有着可靠的参考与借鉴意义。

4 结语

1）塑性混凝土流动性和渗透系数随专用减水剂掺量增大而增加，抗压强度表现出一定降低，密度波动范围较小，专用减水剂适宜掺量为11%；

2）掺入粉煤灰后对塑性混凝土流动性表现出先增大后降低，渗透系数表现为先降低后增大趋势，同时降低了塑性混凝土早期和后期抗压强度，虽然能满足设计要求，但后期强度保证率较低，建议粉煤灰掺量不宜过高，应根据施工情况进一步分析；

3）设计塑性混凝土砂占砂土材料的比例控制在20%～70%范围，密度控制在1.80～1.90 g/cm3，流动度控制在（35±5）s，现场施工均能满足沉管止水墙性能要求。