塑性混凝土防渗墙渗透系数影响因素分析

吴为健，吴海军

(1.葛洲坝集团试验检测有限公司，宜昌 443002；2.中国葛洲坝集团股份有限公司新建川藏铁路雅安至林芝段CZSCZQ标段项目经理部，甘孜 624300)

以黏土、膨润土等材料取代普通混凝土中的大部分胶凝材料的混凝土，俗称塑性混凝土。由于塑性混凝土相比于普通混凝土具有低弹性模量、低强度，同时具有较大的极限应变，塑性混凝土极限应变大都超过1%，具有与土相似的应力应变关系和破坏模式，适应变性能力明显优于普通混凝土，能更好的适应防渗的要求，近年来越来越多的塑性混凝土被应用于防渗工程[1]。1990年建成的福建省水口水电站主围堰首次使用了塑性混凝土防渗墙，取得了良好的防渗效果，此后很多工程相继使用了塑性混凝土，如三峡水电站二期上游围堰、小浪底水库主坝、湖北丹江口水库副坝、清江隔河岩水电站电厂围岩、乌东德水电站上游围堰等一批工程项目采用塑性混凝土作为防渗墙，根据多年的项目经验积累，塑性混凝土强度和稳定性有足够的保障，且实践也证明坝后实际渗水量相比设计要小的多。

实际施工过程中，塑性混凝土的渗透系数控制是重中之重。渗透系数影响因素众多，包括骨料种类、粒径、含泥量、外加剂、水胶比、膨润土掺量、粉煤灰掺量、砂率、养护龄期、养护条件等等。该文从众多的影响因素中，选择了水胶比、膨润土掺量、砂率等三个因素，分析其对塑性混凝土的渗透系数的影响。

1 设计要求及试验方法

依据设计文件要求，墙厚1.2 m，防渗墙混凝土技术指标见表1。

表1 防渗墙混凝土技术指标表

塑性混凝土的水泥、膨润土用量以及其间的比例关系，对塑性混凝土强度、弹性模量和渗透系数有很大的影响。该文主要研究水胶比、膨润土掺量和砂率对塑性混凝土渗透系数的影响。试验方案见表2。

表2 室内成型试件试验方案

渗透试验采用《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T5303—2013)的渗透系数试验方法[2]。该方法参照了土工渗透试验方法，基于均匀一维渗流假设的达西定律，即渗透流量与渗透面积、渗透比降成正比，对于一种稳定均质的材料来说，在渗透比降达到材料的渗透破坏比降以前，材料的渗透系数是一个常量。经国内外大量学者研究测试证明，在塑性混凝土的破坏比降范围内，渗透流量与水力坡降呈较好的线性正相关。

另外，该文对比了室内成型法、钻芯试验法以及现场注水试验法等三种试验方法。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对塑性混凝土渗透系数的影响

表3和图1给出了不同水胶比下塑性混凝土防渗墙室内渗透试验结果。从试验结果可以看出，塑性混凝土水胶比越大，渗透系数越大，抗渗能力越低。水胶比由0.8增加到1.0，渗透系数增大了近1倍。

塑性混凝土的水胶比越大，混凝土自由水的含量随之增多，过多的自由水会导致塑性混凝土拌和物凝结硬化形成的胶凝产物C-S-H不连续，浆体和骨料连接的界面过渡区水膜厚度增大，混凝土的内部空隙增多，孔隙率增大，最终导致塑性混凝土的渗透系数增大[3，4]。

表3 不同水胶比下的渗透试验成果表

2.2 膨润土掺量对塑性混凝土渗透系数的影响

表4和图2给出了不同膨润土掺量下塑性混凝土防渗墙室内渗透试验结果。从试验结果可以看出，随膨润土掺量的增大，塑性混凝土的渗透系数减小，抗渗性能增强。

表4 不同膨润土掺量下的渗透试验成果表

膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，蒙脱石是由铝氧八面体和硅氧四面体所构成的层状矿物，具有较强的阳离子交换能力和吸附能力。张涛等人通过对掺加膨润土的砂浆试件进行扫描电镜测试，发现水泥水化产物针状钙矾石生长过程中能与蒙脱石产生较好的结合，蒙脱石层状结构剥离后能有效的填充混凝土中的内部孔隙，使混凝土的结构更加致密，这是膨润土改善混凝土抗渗性能的机理[5]。另外也有研究指出，膨润土颗粒能够通过正负电荷的作用吸附大量的水分子，使混凝土中的部分自由水分子转变为化合水分子，从而降低过水面积，提高抗渗性[6]。但张雷顺等人的研究结果显示，当膨润土的掺量超过50%时，渗透系数随膨润土掺量的增加而增大，其原因是膨润土掺量进一步增大时，水泥用量的降低会导致胶凝作用的减弱，从而影响抗渗性能[7]。

2.3 砂率对塑性混凝土渗透系数的影响

塑性混凝土的砂率一般较高，一方面是为了降低混凝土的强度和弹性模量，另外砂浆能包裹粗骨料表面，减少混凝土硬化后沿粗骨料表面形成的细小孔隙，提高抗渗能力。《水工塑性混凝土配合比设计规程》(DL/T5786—2019)在总结国内外近50个已建工程塑性混凝土配合比及特性指标的基础上，提出塑性混凝土砂率不宜小于45%[8]，目前塑性混凝土的砂率一般达到40%～60%，甚至更高。该文由于选择的膨润土掺量相对较小，为保证塑性混凝土的低强度、低弹模特性，选择了较高的砂率进行研究。

表5和图3给出了不同砂率下的渗透系数试验结果，从试验结果可以看出，随着砂率由70%增大到90%，塑性混凝土的渗透系数有增大的趋势，这可能和砂率选择较大有关。砂率过大，水泥、黏土、膨润土和水用量过大在塑性混凝土硬化过程中出现不均匀收缩，会增加混凝土内部的毛细孔，反而不利于塑性混凝土的抗渗性能[7]。

表5 不同砂率下的渗透试验成果表

2.4 不同试样方法下渗透试验结果分析

该文对比分析了室内成型试件和现场钻芯试件的渗透试验结果，并在同部位进行了现场注水试验。

1)室内成型法：依据《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T5303—2013)在拌合楼取样成型2个抗渗试件，脱模后对试件表面刷毛处理，在标准养护室养护28 d后进行渗透系数试验[2]。试验优点是各环节控制准确严密，试验结果稳定，缺点是对实体的代表性相对较差。

2)钻芯试验法：钻芯试验法是在工程实体上选取代表部位进行钻芯，论文试验钻取100 mm的芯样，在同一孔内不同高程随机截取三个试样，加工磨平后，安装在渗透装置上进行渗透试验。试验优点是代表性好，检测结果也较稳定，缺点是钻芯实施难度较大，成本高，属于有损检测，时效性差。

3)注水试验：注水试验与钻芯试验前期准备工作基本相似，分段钻芯进行注水，测得渗透系数。试验方法的优缺点也与钻芯法相似，区别在于注水试验是测试透过孔壁向外渗透的能力，测试孔径的长度通常在5 m左右，而芯样试验是测试透过芯样体的渗透能力，芯样长度通常在100 mm左右。压水试验可以更好的体现整体的抗渗性能。

该次分析选取相同单元采用三种试验方法测得的防渗墙的渗透系数，具体检测结果见表6和图4。

表6 不同试验方法渗透系数检测结果

根据表6数据分析，室内成型检测的渗透系数量级在10-9cm/s，取芯试验和注水试验渗透系数的量级在10-8cm/s，室内成型检测的渗透系数是现场钻芯的检测的结果的1/8左右，是注水试验的1/10左右。经分析，室内成型试验是在拌合楼直接取样成型，未受现场浇筑时泥浆的影响，成型过程振捣密室程度高，且养护条件较好。取芯试验与注水试验相比，两种方法边界约束条件不同，注水试验各环节控制相比较粗放，地下水位、底层条件等影响均很难准确预测，三种测试方法均较客观的反映被测对象的真实特性。

3 结 论

a.塑性混凝土的渗透系数随水胶比的增大而增大，因此在配合比设计时，需要平衡强度指标和渗透系数之间的关系，保证低强、低模量的同时，要保证抗渗能力。

b.适当增加膨润土的掺量，可以有效提高塑性混凝土的抗渗能力。

c.在一定范围内，随着砂率的增加，塑性混凝土的渗透系数有增大的趋势。

d.室内成型检测的渗透系数是现场钻芯的检测的结果的1/8左右，是注水试验的1/10左右。室内成型试验便于实施，试验过程各边界条件均可控，试验结果稳定准确较好。相比于室内成型试验，钻芯检测和注水试验代表性较强，但对实体有一定的破坏性，且实施条件难度相对较大，试验结果滞后总体施工，对施工的指导意义不大，适用于进一步核查和质量验收。建议施工过程中以室内成型试验控制为主，参照室内试验渗透系数结果按降低一个量级推算注水试验的结果，进而指导施工配合比的调整。