陳 仁 峰

(四川省能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

1 概 述

塑性混凝土是用膨潤土、粘土等摻和料取代普通混凝土中的水泥用量，經(jīng)攪拌、澆筑凝結(jié)而成的具有低強(qiáng)度、低彈模和大應(yīng)變的防滲材料。塑性混凝土從二十世紀(jì)六十年代開始應(yīng)用到防滲墻工程中，在國內(nèi)防滲工程中的應(yīng)用已有近四十年的歷史。塑性混凝土的主要優(yōu)勢在于其彈性模量低、極限變形大，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)，克服了剛性混凝土變形能力小，易造成應(yīng)力集中、易產(chǎn)生裂縫的缺點(diǎn)，作為一種相對廉價(jià)、良好的防滲材料較廣泛地應(yīng)用于各種工程的防滲體中。

2 塑性混凝土具有的特性

2.1 塑性混凝土的優(yōu)良性能

與剛性防滲墻相比，塑性混凝土的優(yōu)良性能主要體現(xiàn)如下：

(1)具有極低的變形模量。通過調(diào)整配合比，其變形模量可在較大范圍內(nèi)變化。

(2)其性質(zhì)介于土與混凝土之間，具有與土層形態(tài)非常相似的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以選擇與周圍土層應(yīng)力應(yīng)變曲線相吻合的塑性混凝土配合比。

(3)塑性混凝土在無側(cè)限條件下的極限應(yīng)變超過1%，比普通混凝土(0.08%～0.3%)大幾倍甚至幾十倍，能隨堰體一起變形，墻體內(nèi)部應(yīng)力小。

(4)在三向受力條件下，塑性混凝土的強(qiáng)度有一定的提高，極限應(yīng)變增長更大，意味著隨著圍壓的增加，塑性混凝土的強(qiáng)度亦增加了、隨堰體變形的能力增強(qiáng)了，防滲墻的安全度得以提高。三峽工程二期圍堰塑性混凝土不同圍壓(σ3)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖1。

圖1 不同圍壓(σ3)下的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系圖

2.2 塑性混凝土性能的微觀分析

塑性混凝土具有上述優(yōu)良性能的主要原因是其摻入了膨潤土。膨潤土的礦物組成主要為蒙脫石，一般含量達(dá)80%以上，其次為石英，方解石含量較少。膨潤土細(xì)顆粒硬化后會形成含有許多缺陷和空隙的多相非均質(zhì)復(fù)合材料。當(dāng)承受荷載時(shí)，其缺陷和空隙閉合，因而塑性混凝土比普通混凝土變形要大得多，彈性模量亦低得多。

從微觀結(jié)構(gòu)看，膨潤土具有復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成，這一特殊的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的離子交換性和吸水膨脹性。另外，由于其結(jié)構(gòu)中Al3-可被Mg2+所取代，從而使每一層復(fù)網(wǎng)層并不呈現(xiàn)電中性，而是帶負(fù)電荷，導(dǎo)致略帶正電荷的水化正離子易于進(jìn)入；又因水的極化和氫鍵作用，水亦進(jìn)入層間，使其產(chǎn)生膨脹。因此，塑性混凝土在滲水壓力的作用下具有較好的吸水膨脹性能，從而具備良好的抗?jié)B性。

2.3 影響因素

總體來看，水泥用量對塑性混凝土強(qiáng)度、彈模的影響為正相關(guān)關(guān)系，即水泥用量越高，混凝土強(qiáng)度、彈模越高；膨潤土用量對塑性混凝土強(qiáng)度、彈模的影響為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即膨潤土用量越高，混凝土強(qiáng)度、彈模越低。為此，需要找到一個(gè)合適的點(diǎn)，進(jìn)而保證混凝土強(qiáng)度、彈模滿足工程要求。

(1)膨潤土對混凝土性能的影響。

從塑性混凝土的組成材料和作用機(jī)理看，其材料的組合和作用機(jī)理與普通混凝土不一樣，在性能上表現(xiàn)為彈、塑、粘性，其力學(xué)性能主要受膠凝材料的影響。

《水利水電工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》(DL/T5199-2004)將膨潤土作為膠凝材料。相關(guān)試驗(yàn)成果表明：膨潤土作為膠凝材料，膨潤土每m3混凝土用量不同時(shí)，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比為非線性關(guān)系(圖2)。當(dāng)膨潤土每m3混凝土用量相同時(shí)，不將膨潤土作為膠凝材料，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比相關(guān)性較好(圖3)。

圖2 塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比關(guān)系圖(膨潤土作為膠凝材料)

(2)引氣劑對彈性模量的影響。

試驗(yàn)證明：當(dāng)適當(dāng)、均勻地引入微氣泡，對降低塑性混凝土的彈性模量具有較好的效果(圖4)。但混凝土含氣量過大時(shí)，對塑性混凝土的強(qiáng)度影響較大。

圖3 塑性混凝土抗壓強(qiáng)度——膠水比關(guān)系圖(膨潤土用量相同)

圖4 含氣量對塑性混凝土初始切線模量影響圖

3 常用的設(shè)計(jì)指標(biāo)及配合比

由于對塑性混凝土的系統(tǒng)研究還不夠深入，目前的塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)基本參照三峽等大型工程的指標(biāo)確定。國內(nèi)部分大型水電工程采用的塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 國內(nèi)部分大型水電工程圍堰防滲墻塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)表

注：除此以外，大部分水電工程塑性混凝土要求為自密實(shí)，坍落度一般為200～240 mm，部分工程對1～1.5 h后的坍落度以及凝結(jié)時(shí)間有要求。

國內(nèi)部分工程采用的塑性混凝土配合比見表2。

4 施工質(zhì)量控制

混凝土防滲墻的施工質(zhì)量主要包括成槽質(zhì)量控制、嵌巖深度質(zhì)量控制、清孔質(zhì)量控制。槽孔清孔換漿經(jīng)檢查合格后，在4 h內(nèi)開澆混凝土，澆筑混凝土一般采用直升導(dǎo)管法。

表2 國內(nèi)部分工程防滲墻采用的塑性混凝土配合比表

施工質(zhì)量控制除了控制混凝土的拌和、澆筑質(zhì)量外，還包括墻身質(zhì)量檢查。

(1)嚴(yán)格控制稱量偏差。

(2)合理確定拌和時(shí)間以保證混凝土的均勻性、和易性，必要時(shí)通過試驗(yàn)確定拌和時(shí)間。

(3)混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行, 泵送能力大于最大澆筑強(qiáng)度，以保證泵至槽口的混凝土具有良好的和易性。

(4)導(dǎo)管埋入混凝土的深度不小于1 m，不大于6 m；混凝土面應(yīng)均勻上升，各處高差應(yīng)控制在0.5 m以內(nèi)。

(5)墻身質(zhì)量檢查的內(nèi)容包括墻體的均勻性、可能存在的缺陷和墻段接縫。檢查常采用無損檢測和鉆孔取芯方法。無損檢測常用的方法有彈性波CT 技術(shù)、垂直反射法、層析成像法等，需根據(jù)實(shí)際情況選擇。使用鉆孔取芯法一方面檢查墻體材料的均勻、完整情況以及有無孔洞、夾泥和混漿等質(zhì)量問題；另一方面通過芯樣檢測其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形模量、抗?jié)B等級或滲透系數(shù)等物理力學(xué)性能指標(biāo)。

5 相關(guān)問題探討

目前，國內(nèi)大部分工程的塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)主要參照以往大型水電工程的指標(biāo)與經(jīng)驗(yàn)。另外，由于對塑性混凝土的研究不像普通水工混凝土那樣系統(tǒng)、深入，試驗(yàn)方法還有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。筆者根據(jù)多年從事塑性混凝土試驗(yàn)與施工取得的經(jīng)驗(yàn)，對以下問題提出了具體的建議，供探討。

(1)關(guān)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

①抗壓強(qiáng)度。

三峽工程二期圍堰防滲墻設(shè)計(jì)要求其抗壓強(qiáng)度為4～5 MPa，而三峽工程二期圍堰防滲墻最大墻高為74 m。根據(jù)三峽工程二期圍堰、錦屏一級水電站圍堰等工程應(yīng)力變形有限元分析成果看，其堰體應(yīng)力水平較低，且基本為壓應(yīng)力。而國內(nèi)目前很多工程的圍堰防滲墻高度比三峽工程低得多，但其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)甚至高于三峽工程，偏于保守。

②彈性模量。

目前國內(nèi)對塑性混凝土的彈性模量要求一般為兩種：一種是以三峽工程為代表的初始切線模量，另一種為彈性模量，限定值一般在1 500 MPa以內(nèi)。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同一試件初始切線模量要低于彈性模量，且彈性模量要控制在1 500 MPa以內(nèi)很困難。塑性混凝土彈性階段之后的塑性變形較大，在有圍壓(即三向受力)的情況下其極限應(yīng)變更大，因此，從充分利用塑性混凝土特性(塑性變形)的角度考慮，對彈性模量的限定可適當(dāng)放寬。

③抗?jié)B能力。

國內(nèi)塑性混凝土的抗?jié)B能力一般對滲透系數(shù)有要求，少量工程對抗?jié)B等級有要求。由于塑性混凝土強(qiáng)度低，若按普通混凝土抗?jié)B等級試驗(yàn)方法測試抗?jié)B等級容易導(dǎo)致試件破壞，且抗?jié)B等級W1混凝土滲透系數(shù)為3.91×10-8cm/s，抗?jié)B等級W2混凝土滲透系數(shù)為1.96×10-8cm/s。國內(nèi)塑性混凝土滲透系數(shù)普遍要求

(2)關(guān)于塑性混凝土的試驗(yàn)方法。

水工塑性混凝土已有相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL/T 5303-2013)》，對塑性混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)及取值進(jìn)行了規(guī)定。

①彈性模量試驗(yàn)方法。

《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定彈性模量測試的標(biāo)距為整個(gè)試件的長度(即300 mm)，經(jīng)過不少于三次預(yù)壓，測試20%至40%應(yīng)力之間的彈性模量?？紤]到端面約束對混凝土變形能力的影響，筆者建議參照普通混凝土彈模試驗(yàn)取中部150 mm作為測量標(biāo)距。

②抗?jié)B試驗(yàn)方法。

由于塑性混凝土強(qiáng)度低，故國內(nèi)目前大部分將其強(qiáng)度控制在4～5 MPa。使用水工混凝土上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高150 mm的截頭圓錐體進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試件底部水壓力為0.8 MPa時(shí)，試模側(cè)面對塑性混凝土試件的壓力已大大超過5 MPa，進(jìn)而導(dǎo)致試件受壓破壞，而不是產(chǎn)生滲透破壞。筆者建議：降低試驗(yàn)水壓力或采用其他方式進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。

(3)關(guān)于是否選用引氣劑。

引氣劑在混凝土中起到的作用是明顯的。在塑性混凝土中摻加引氣劑，可以改善塑性混凝土拌和物的和易性、提高塑性混凝土的耐久性能、降低塑性混凝土的彈性模量。不同工程摻用引氣劑對降低塑性混凝土彈性模量的幅度存在較大差異，但總體來看，摻引氣劑后塑性混凝土的性能更有優(yōu)勢，因此，筆者建議在工程中宜使用引氣劑。

6 結(jié) 語

目前國內(nèi)水電工程塑性混凝土的應(yīng)用已較普遍，但對其系統(tǒng)性的研究仍較缺乏。隨著研究的逐步深入，塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、施工的經(jīng)驗(yàn)將會更加豐富，塑性混凝土的應(yīng)用將會迎來更廣闊的前景。