防渗墙塑性混凝土材料性能试验研究

2022-10-02胡福洪胡翔宇陈锋閤超曾纪文

新型建筑材料 2022年9期

胡福洪，胡翔宇，陈锋，閤超，曾纪文

（1.武汉地质勘察基础工程有限公司，湖北武汉 430070；2.武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023）

0 引言

混凝土防渗墙不仅是覆盖层地基、土石坝及临时围堰等主要水利工程的防渗措施，而且已经扩展到民用建筑等其他岩土工程领域[1]。随着施工方法和施工工艺的不断改进，先进设备的研制和推广应用，塑性混凝土、高强混凝土等新材料的应用，混凝土防渗墙的应用前景越来越广泛[2]。我国在施工机械、固壁泥浆、接头处理、防渗墙材料以及复杂地质的钻孔技术等方面已取得长足的发展[3]，混凝土防渗墙大多应用于水利工程中大坝和堤防工程提供防渗保护，故混凝土防渗墙的设计及应用也需充分考虑其应用地区的特殊地质环境及地质特点。武汉地处江汉平原东部地区，长江、汉江使武汉呈现“三镇”地区风貌，地貌形态主要呈现出剥蚀丘陵区、剥蚀堆积垅岗区、堆积平原区。在垅岗地区为层间水或潜水及岩溶裂隙水，全新统孔隙承压含水层主要分布在长江、汉水两岸，与长江、汉水的水力联系密切，存在着地区季节性变化规律，因此在梅雨及多雨季节施工近建筑物及管线道路区容易发生沉陷、变形的问题[4]。城市建筑群密集施工地也必须进行基坑支护来避免基坑开挖而引起的安全问题[5]，当基坑工程处于或位于与湖水及江水有水力联系时，应当充分考虑水文环境对混凝土防渗墙的特殊影响。就武汉地区而言，地区特殊地层的防渗墙支护及止水效果还有待提高，目前尚无系统科学的混凝土防渗墙施工质量技术规范，研究高质量、高效率、经济可行的混凝土防渗墙施工方法是一项十分重要的工作。

1 塑性混凝土配合比设计及试验方案

设计以钠基膨润土、粉煤灰为主要掺加物并辅以减水剂的混凝土配合比设计，采用全面试验设计方法，取钠基膨润土掺量、粉煤灰掺量2个因素，其中钠基膨润土分别取20、50、90、120 kg/m3四个水平，粉煤灰掺量分别取5%、12%、20%、30%四个水平，制作试件，进行7 d抗压、抗渗性能试验；选取其中较优性能对应的配合比再每种材料选取3个水平，完成28 d混凝土试件的抗压强度、抗剪强度及抗渗性能试验，记录并分析数据。最终确定以粉煤灰和钠基膨润土为主要掺加物并辅以减水剂的塑性混凝土的最优配合比。

混凝土的设计强度为C20，符合JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的要求。混凝土配合比如表1所示。

表1 普通混凝土的配合比 kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 7 d试验结果分析

试块经养护7 d进行抗压、抗渗及坍落度试验，试验按照JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检测评定标准》进行，其中A0为普通混凝土对照组。粉煤灰及膨润土掺量对塑性混凝土7 d性能的影响如表2所示。

表2 粉煤灰及膨润土掺量对混凝土性能的影响

由表2可见：

（1）加入膨润土后混凝土的坍落度有一定程度减小，且膨润土掺量越大，坍落度越小。分析原因，主要是膨润土自身的吸水性，在搅拌过程中膨润土因其自身特性会吸收一定量的水，使得在掺入更多的膨润土之后混凝土的坍落度减小。

（2）低掺量粉煤灰对混凝土的抗渗性能无明显影响，粉煤灰掺量增大会使混凝土的抗渗性能进一步下降，且粉煤灰掺量越大下降越明显。低掺量膨润土对混凝土的抗渗性能无明显改变，随着膨润土掺量的增加，混凝土的抗渗性能也有一定程度的降低。

（3）通过对比A2和A5、A3、A9可以看出，粉煤灰掺量增加对混凝土抗渗性能的影响较大。

（4）为进一步研究膨润土和粉煤灰对混凝土抗渗性能影响的差异，选取A1、A4、A13和A16四组试块研究低掺量粉煤灰和膨润土的混凝土、低掺量粉煤灰高掺量膨润土的混凝土、高掺量粉煤灰低掺量膨润土的混凝土以及高掺量粉煤灰和膨润土的混凝土这4种情况下的区别可知，低掺量的粉煤灰和膨润土对混凝土的抗渗性能有一定影响，但仍无法有效提高混凝土的抗渗性能，因此混凝土配合比需要进一步调整优化。

2.2 28 d试验结果

为保证混凝土抗渗性能，将粉煤灰从配合比中去除，选取低掺量的膨润土掺入混凝土作进一步研究，经调整后的配合比如表3所示。

表3 抗渗混凝土调整后配合比

2.2.1 抗压强度试验结果

各组试件的28 d抗压强度测试结果如表4所示。

表4 混凝土的28 d抗压强度

由表4可见，经过28 d养护后试块的抗压强度完全符合C20混凝土的抗压强度设计要求。在混凝土中膨润土掺量在0～20 kg/m3时，随着膨润土掺量的增大，混凝土的抗压强度会略有提高。膨润土掺量为20 kg/m3时，混凝土的抗压强度达到最高值，20.89 MPa。

2.2.2 抗渗试验结果

为保证试块的密封完好，先将密封胶均匀涂在试块周边，保证密封胶有2 mm左右的厚度，之后将涂好密封胶的试块匀速均匀地压入试验仪器的钢模中，并擦去多余的密封胶。之后，把位于底部的密封圈四周也用密封胶涂严以保证不会有水渗出。最后将已安装完成的试块静置2～4 h，以保证密封胶干燥。为保证试验的准确，从0.1 MPa开始逐步增加水压力，每8 h增加1次水压力，每次增加0.1 MPa，在此期间保证水的压力维持稳定。各组试块28 d抗渗强度和抗渗等级如表5所示。

表5 混凝土抗渗强度抗渗等级

由表5可知，普通混凝土在本试验的配合比下经过28 d养护后的抗渗强度可达0.71 MPa。与掺入膨润土后的混凝土相比，普通混凝土的抗渗强度明显低于掺膨润土的混凝土，膨润土掺量为0～20 kg/m3时，混凝土的抗渗强度与膨润土掺量呈正相关。

图1、图2为抗渗性能试验装置及抗渗试块渗水情况。

由图2可以看出，水泥在水化的过程中内部会产生非常多的细小裂缝，这些裂缝的存在不会相互贯通。抗渗试验时水压力会导致混凝土内部的裂缝逐渐扩张直至贯通破坏。而膨润土自身是一种在吸水后极易膨胀的细微颗粒，可以有效地填补混凝土之间的微小裂隙，从而增强混凝土的密实度。在进行抗渗试验时，膨润土吸水后会继续膨胀，这种膨胀可以有效地对裂缝进行填补，从而有效地增强了混凝土的抗渗性能。