降低防渗墙塑性混凝土的渗透性研究

彭文龙

(临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276000)

水密性和渗流控制是大坝设计和施工中的重要考虑因素[1]。塑性混凝土防渗墙是土坝防渗的有效手段之一[2- 3]。塑性混凝土在此类应用中一个重要的先决条件是要有较低的弹性模量，通常设置弹性模量值为地基基础弹性模量的4倍[4]。塑性混凝土的另外2个设计要求是足够强的荷载以及足够低的渗透性，从而满足大坝防渗要求[5- 6]。为达到低弹性模量要求，塑性混凝土的水灰比通常较高，在1.5～4范围内(普通混凝土的水灰比通常范围为0.4～0.6)。如混凝土的渗透性主要取决于水灰比，塑性混凝土的渗透性远高于普通混凝土[7- 9]。因此，低弹性模量和低渗透率2个条件很难同时满足。因此，在不过度增加弹性模量的情况下降低塑性混凝土渗透性将是本文研究的重点。

先前的研究已经证实，在混凝土中掺入硅灰可通过细化孔径和改善膏体与骨料之间的过渡区来降低塑性混凝土的渗透性[10]。在本文中，进一步研究了用不同比例的硅灰对降低塑性混凝土渗透性以及其他性能(如强度，弹性模量)的影响。

1 塑性混凝土的制备及特性分析

1.1 塑性混凝土的制备

(1)膨润土泥浆。为了生产膨润土泥浆，使用转速为1450rpm的高速搅拌机将膨润土粉末与所需量的水彻底混合。混合后，让泥浆静置24h，以便膨润土粉充分水合。

(2)水泥-膨润土灌浆。将含有硅灰的混合物所需数量的水泥(也包含该材料的所需百分比)添加到水合膨润土泥浆中，并混合5min。

(3)塑性混凝土。在生产水泥-膨润土灌浆后，将所需数量的细骨料和粗骨料添加到搅拌机中并混合。

(4)试样制作。塑性混凝土搅拌完成后，根据ASTM C143进行坍落度试验。然后将塑性混凝土浇注到圆柱形模具中，制成所需的试样。在模具中固化24h后，试样脱模并湿固化，直至试验。

1.2 塑性混凝土特性分析

根据ASTM C150，使用的水泥符合Ⅱ型。测定了水泥的化学和物理特性。水泥的化学性质见表1。

表1 水泥的化学性质 单位：%

水泥的物理力学性能见表2。

表2 水泥的物理力学性能

所用膨润土的化学成分见表3。

表3 膨润土的化学性质 单位：%

粗骨料分为2个尺寸组，4.75～9.5和9.5～19mm。细骨料为压碎型，这些骨料的级配见表4—5。

表4 砾石级配结果

表5 砂级配结果

硅灰是在未经敏化的粉末条件下获得的。

所研究的塑性混凝土混合料中使用的材料包括水泥、水、膨润土、硅灰和骨料。

2 塑性混凝土的性能测试

本试验的目的是研究不同等级的硅灰混合比(包括0%、5%、10%和15%)对塑性混凝土强度、弹性模量和渗透性的影响。为了证明研究结果对不同强度等级的塑性混凝土的适用性，将试验工作扩展到不同水胶比(w/(c+s))(包括1.8、2.2和2.6)的塑性混凝土。

对于所有混合物，水与膨润土的比例为13。所研究塑性混凝土混合料的配合比见表6。

表6 塑性混凝土混合料的配合比

表6中水与胶凝材料比例为2.6、2.2和1.8的混合物分别对应H(高)、M(中)和L(低)。上述代码后面的数字0、5、10和15表示硅灰替代水泥基材料的百分比。例如，代号为M10的混合料是指中等水与胶凝材料的比例为2.2，并用硅灰代替10%的水泥混合料。

2.1 抗压强度的测定

本试验根据ASTM C39在28和90d龄期的15.30cm圆柱形试样上进行。给出的每个结果是在每个试验时间段测试的3个样本的平均值。与普通混凝土相比，塑性混凝土的强度水平要低得多，因此加载速率降低，在加载开始的65±15s内，试样会发生破坏。

2.2 弹性模量的测定

本试验根据ASTM C469的要求，在15.30cm圆柱形试样上进行，降低加载速率。在每个试样的中心15cm处测量应变，测量值是每种混合物测试的3个试样的平均值。

2.3 渗透系数的测定

本试验根据USBR- 4913- 92在90d内对15.30cm圆柱形试样进行。2个试样的平均值为最终测量值。为了避免因压缩空气与水混合而产生的误差，一些研究人员提到了常用测试仪器，在本研究中，对设备进行了整改，以避免压缩空气与水直接接触。

3 结果分析

3.1 塑性混凝抗压强度分析

硅灰不同水泥替代水平混合料的90d抗压强度结果如图1所示。

图1 硅灰对不同水胶比塑性混凝土抗压强度的影响

3组混合料的水胶比分别为2.6、2.2和1.8。对于3组混合物，增加硅灰含量可显著提高抗压强度，硅灰能够提高普通混凝土抗压强度，是由于孔径细化、与氢氧化钙的火山灰反应以及水泥-骨料过渡区质量的改善等因素。对于水与胶凝材料比为2.6的混合料，使用硅灰替换15%的水泥，强度从10.2kg/cm2增加到29.5kg/cm2，比对照混合料(不含硅灰的混合料)增加189%。塑性混凝土混合料的抗压强度、弹性模量和渗透系数试验结见表7。

表7 塑性混凝土混合料的抗压强度、弹性模量和渗透系数试验结果

尽管对于具有较低w/(c+s)比的塑性混凝土混合料，强度增加不如上述那样显著，但增加幅度仍然很大。例如，对于w/(c+s)比为1.8且硅灰替代水平为15%的混合物，强度比对照混合物增加80%。值得注意的是，硅灰在通常的水胶比范围内(0.4～0.6)提高普通混凝土混合料强度的效果，强度的增加通常被报告为超过控制30%～40%。

应考虑的另一点是，本研究的塑性混凝土中，即使使用硅灰替换15%的水泥，也不会出现和易性的显著降低，其中，与普通混凝土一样，硅灰的使用通常会导致和易性大幅降低，必须通过使用增塑外加剂来纠正这一点。

3.2 塑性混凝弹性模量分析

考虑了3种水胶比的情况，使用不同取代水平的硅灰水泥对塑性混凝土弹性模量影响的试验结果如图2所示。

图2 硅灰对不同水胶比塑性混凝土弹性模量的影响

结果表明，随着硅灰掺量的增加，塑性混凝土的弹性模量显著增加。与普通混凝土一样，硅灰的使用可细化孔隙，改善过渡区，进而增加弹性模量。

水胶比为1.8，硅灰含量为15%的塑性混凝土的弹性模量比对照组提高约180%。对于w/(c+s)为2.6的塑性混凝土混合料，由于使用硅灰替换15%的水泥，弹性模量的增加比控制混合料高70%。由于塑性混凝土的弹性模量是这些混凝土的重要力学性能之一，因此确定防渗墙与周围基层的相容性，弹性模量和抗压强度之间的关系以及硅灰的影响具有相当重要的意义。先前关于硅灰对普通混凝土力学性能影响的研究表明，对于含硅灰的混合料，弹性模量和抗压强度之间的关系与含硅灰的混合料相似。换言之，对于给定的强度水平，预计掺硅灰和不掺硅灰的混合物将具有相似的弹性模量值。为了调查塑性混凝土的情况，根据本研究获得的结果，绘制了掺硅灰和不掺硅灰混合料的弹性模量和抗压强度之间的关系，如图3所示。

图3 含硅灰和不含硅灰塑性混凝土混合料的弹性模量和抗压强度之间的关系(单位：kg/cm2)

由图3可知，对于塑性混凝土，硅灰的使用不会显著改变弹性模量和抗压强度之间的关系，根据获得的结果，可以预期，对于同等强度，含有硅灰的塑料混凝土的弹性模量与不含硅灰的混合物相似，甚至更低。这是一个重要的发现，因为如果可以证明硅灰的使用在同等强度水平下会导致较低的渗透率，那么我们可以确信，在没有增加弹性模量的负面影响的情况下实现了这一优势。

3.3 塑性混凝渗透分析

由于塑性混凝土的高水灰比，这些混合物的渗透性很高。技术文献中所报告的塑性混凝土渗透系数值通常在10-8～10-10m/s。水灰比为0.5的普通混凝土的渗透系数约为10-12m/s。

本研究中硅灰的使用在降低塑性混凝土的渗透性方面具有显著效果。例如，对于水胶比为1.8的混合料，使用15%硅灰代替水泥，导致渗透系数从5.8×10-10降低到7.2×10-12m/s，即降低80倍。硅灰降低渗透性的主要机制是孔隙细化和界面过渡区的改善，这也被许多研究人员报道用于普通混凝土。

4 结论

本文研究了不同比例硅灰对降低塑性混凝土渗透性以及强度性能和弹性模量的影响，并得出以下结论。

(1)用硅灰替换塑料混凝土中水泥含量高达15%的混凝土不会导致塑料混凝土和易性发生任何显著降低。

(2)硅灰对塑性混凝土强度增强的影响很大。与对照混合物相比，15%的替换水平导致塑性混凝土强度增加70%～180%。

(3)硅灰的使用导致塑性混凝土弹性模量增加，在15%的替换水平下，与对照混合物相比，弹性模量增加80%～170%。

硅灰的使用在降低防渗墙渗透性的同时也提高了防渗墙的强度以及弹性模量，值得注意的是，弹性模量的增加可能导致防渗墙与周围地层之间出现变形等兼容问题，有待进一步探讨研究。