海上抛石堤防渗墙塑性混凝土配合比设计研究

2022-11-08李志浩李哲中建筑港集团有限公司刘建军蒋叔强孙贵平华能山东石岛湾核电厂

珠江水运 2022年9期

◎李志浩李哲中建筑港集团有限公司刘建军蒋叔强孙贵平华能山东石岛湾核电厂

1.项目背景

华能山东石岛湾核电厂取排水工程中排水暗涵及排水口位于海平面以下，地下水丰富。为了创造干地施工条件，需在施工区域四周采取防渗措施，因此选用了塑性混凝土防渗墙。由于施工区域位于开敞式海水环境中，首先需要将施工区域四周采用抛石堤结构抛填至海面标高以上，然后再在堤身上方打设塑性混凝土防渗墙进行截渗，施工完成后开挖截渗效果良好，塑性混凝土应用成功。

众所周知，为提升塑性混凝土的抗渗能力，通常在混凝土中掺入膨润土或者粘土，也可同时掺入膨润土及粘土。塑性混凝土配制原材料由水泥、膨润土（粘土）、水、砂、石子和外加剂等组成。由于混凝土中掺如了大量膨润土，因此使得水泥用量相对减少，使之与普通混凝土相比，具有主要优点如下：（1）初始弹性模量低，极限变形大，与周围土体的变形模量相差不大，因而适应变形能力强。（2）水泥用量少，降低工程造价；抗压强度低，仍具有较好的抗渗性，另外塑性混凝土防渗墙在海上往往为临时截渗结构，因此由于强度低的特点，使其拆除难度大大降低。

塑性混凝土材料性能能否满足设计要求是防渗墙施工质量保证的前提，因此在防渗墙施工前对塑性混凝土的配合比设计进行分析研究。

2.设计参数

华能山东石岛湾核电厂取排水工程中塑性混凝土设计控制指标如下：

（1）28天抗压强度≥1.0MPa，且不宜大于2.5MPa；

（2）渗透系数要求不大于5×10cm/s；

（3）弹性模量E<800MPa；

（4）混凝土容重不小于20KN/m；

（5）泊松比v为0.4；

（6）抗拉强度不小于0.3MPa；

（7）在平均围压0.3MPa条件下，极限应变不小于3%；

（8）内摩擦角ø≥32°，凝聚力c≥0.27MPa。

以上指标中，在抗压强度、渗透系数、弹性模量为控制性指标，在进行配合比配制试验和实际施工时必须达到；剩余的五项内容均为参考指标，虽不做强制性要求但在配合比试验及施工后必须提供。

由此可见塑性混凝土在抗压强度、渗透系数、弹性模量、容重等指标参数都有特定的要求，要满足上述性能指标要求，关键是要选定合适的材料及配合比。好的配合比不仅与提升结构的安全及耐久性相关，也可以降低施工难度和降低工程造价。

3.塑性混凝土配制原材料的选择

由于施工在海水环境中，因此原材料选择应符合《水运工程混凝土施工规范》（JTS202-2011）的要求，下面以华能山东石岛湾核电厂取排水工程塑性混凝土防渗墙原材料的选择为例。

3.1 水泥

根据设计要求水泥选择普通硅酸盐水泥，按照规范要求水泥熟料中的铝酸三钙含量应在6%～12%之间，水泥的强度等级不得低于42.5MPa。由于塑性混凝土施工时要求凝结时间长，所使用水泥必须经过检验合格后方能使用，不得使用过期产品。水泥对塑性混凝土性能的影响主要体现在：

1）抗压强度。水泥是决定塑性混凝土强度的最主要材料。一般来说，水泥用量越高，强度越高。

2）弹性模量。塑性混凝土要求的弹性模量往往较低，其中水泥对塑性混凝土的弹模影响非常大，因此要想降低弹模，最重要的措施就是减少水泥用量。

3）渗透系数。水泥用量的多少对塑性混凝土的抗渗透性能影响非常大，水泥用量越多将会导致塑性混凝土渗透系数越小。

4）和易性。水泥属于胶凝材料，用量的多少影响混凝土的和易性。水泥的用量越多，塑性混凝土的和易性也会越好。

因此水泥用量对塑性混凝土性能的影响显而易见，但往往实际施工中还要考虑工程造价等客观因素，因此在满足设计指标的前提下，选择合适的水泥用量对于混凝土用量较大的工程来说非常关键。

3.2 塑性混凝土的细骨料要求

1）细骨料主要指砂，应选用质地坚硬，粒径在5 mm以下的中粗砂。由于目前市场河砂资源匮乏，且采购成本较高，因此大多数选用机制砂即可满足施工需求，但严禁采用活性细骨料；

2）塑性混凝土中虽掺有膨润土、黏土等材料但为避免细骨料含泥量偏高对混凝土性能造成影响，还应严格控制细骨料的含泥量，可适当放宽，但尽量控制在5%以下，水溶性硫酸盐及硫化物（以SO3重量%计）≤1；

3）由于处于海水环境中，有机物、蛋白石及其它无定形二氧化硅含量应符合《水运工程混凝土施工规范》（JTS202-2011）中有关规定。

华能山东石岛湾核电厂取排水工程中选用细度模数为2.6～3.2的机制砂配制。

3.3 塑性混凝土的粗骨料要求

粗骨料宜选用质地坚硬的碎石，碎石需满足针片状少、级配良好并且空隙率小，选用的岩石抗压度宜应大于100MPa，或碎石压碎指标≤10%。不得采用活性粗骨料。同机制砂一样，严格控制骨料含泥量，可适当放宽，但尽量控制在5%以下。由于碎石的粒径对塑性混凝土的强度影响较大，骨料粒径大的塑性混凝土所承受的强度要远大于骨料粒径小的，但变形能力却要小得多，所以塑性混凝土应使用较小粒径的骨粒。一般塑性混凝土宜采用一级配骨料，但也可结合工程实际情况进行调整。

华能山东石岛湾核电厂取排水工程由于需生产多种型号混凝土，因此利用场地内已有粗骨料进行配制，采用的是5-10mm的碎石。

3.4 塑性混凝土的拌合用水

拌合用水选用不含有影响水泥正常凝结、硬化或促使钢筋锈蚀的自来水或饮用水。水中氯离子含量应小于200mg/L。不得使用工业废水、含有害杂质的水或沼泽水，严禁使用海水拌合。

3.5 塑性混凝土的掺合料

配制塑性混凝土的掺合料为Ⅱ级以上粉煤灰，粉煤灰品质应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）和现行行业标准要求，粉煤灰的掺入量宜为25～40%（掺入量以胶凝材料质量百分比计），并应通过试验确定，混凝土90d龄期后，电通量库仑值不大于2000，扩散系数不大于6×10cm/s。

3.6 膨润土

膨润土是决定塑性混凝土抗压强度、弹性模量及渗透系数的重要因素，是塑性混凝土的最关键材料。因此要求膨润土必须含有足够的胶粒和粘粒，含粘量一般不应小于50%。膨润土的加入对塑性混凝土的性能影响有：

1）影响强度。膨润土的粒度愈小，其膨胀性、分散性以及亲水性愈好，对塑性混凝土强度的提高越为显著。但由于膨润土本身的胶凝强度低，因此用量增加将导致塑性混凝土的强度下降。

2）对弹性模量的影响。根据相关试验及以往工程得出膨润土用量增加将导致塑性混凝土弹性模量下降。

3）对和易性的影响。根据相关试验及以往工程得出膨润土的掺加，提高了塑性混凝土的和易性。

4.塑性混凝土配合比设计研究

4.1 塑性混凝土配合比设计原则

水泥、膨润土、砂、石子等原材料的性能及用量都是影响塑性混凝土物理力学指标的重要因素，在塑性混凝土配合比设计中这些因素相互制约、相互影响。因此，塑性混凝土设计是一项复杂的工作，同时配制过程中还应结合实际施工工况，考虑工程造价等因素。为了配制出的塑性混凝土满足相关参数要求，在设计时应遵循下述原则。

1）选择正确的胶凝材料用量及水胶比。胶凝材料包括水泥、膨润土（黏土）、粉煤灰等有凝结作用的材料。根据相关规范要求，塑性混凝土胶凝材料总量不宜少于240kg/m。每立方米塑性混凝土中用水量与所有胶凝材料用量之和的比值即为水胶比。水胶比对塑性混凝土的性能影响较大，水胶比越大，其强度和弹模降低，渗透系数越大，流动性越好。因此在满足设计及规范要求同时满足现场施工要求的前提下，应尽量选择较小的水胶比。

2）确定合理的水泥用量。水泥用量的多少不仅影响塑性混凝土的强度、弹性模量、渗透系数等物理力学指标，还直接影响到工程施工成本。减少水泥用量，对节约工程造价起着关键性因素，因此水泥用量必须通过配合比试验综合分析研究确定。在塑性混凝土各项指标满足设计及规范要求的前提下，应尽量减少塑性混凝土中水泥用量。但规范中对水泥的最低用量有建议值，要求不宜少于80kg/m，一般每立方米塑性混凝土水泥用量为90-120千克。

3）确定合理的膨润土用量。为使塑性混凝土中具有弹性模量低，变形大的特点，需掺入适量的膨润土，在有条件的前提下，可同时掺入适量的粘土和膨润土。单纯加入其中一种土料的塑性混凝土的性能不如两种都加入的好。按照相关规范要求，膨润土用量不宜少于40kg/m。水泥与膨润土的合计用量不少于160kg/m。

4）确定合理的塑性混凝土配制砂率。砂率是混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。砂率的变动，会影响塑性混凝土中集料的级配，使集料的空隙率和总表面积有很大变化，对塑性混凝土的和易性产生显著影响。在水泥浆数量不变时，砂率过大将会导致集料的总表面积及空隙率也增大，进而需要较多的水泥浆填充和包裹集料，这将导致起润滑作用的水泥浆变少，使塑性混凝土的流动性降低。另外砂率过小同样会使集料的空隙率显著增加，导致粗集料之间的砂浆层不足，也会降低塑性混凝土的流动性，并会严重影响保水性和粘聚性，造成流浆、离析等现象。

一般塑性混凝土设计要求的弹性模量都较小，增加砂率可有效地降低弹模。因些，塑性混凝土的砂率一般较高，规范要求不宜小于45%，因此一般采用约为45%-55%之间。

5）合理掺加外加剂。为减少水胶比，在混凝土满足流动性要求的前提下，往往会在混凝土中掺加减水剂，以减少水用量。另外塑性混凝土不但要求有较高的抗渗功能，还需要有较大的流动性等其它力学指标，因此实际配合过程中会在塑性混凝土中掺加引气剂，来降低渗透系数。