吳海民，束一鳴，滕兆明，戴林軍，蔣善平

(1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098;2．水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

堆石壩上游面土工膜(以下簡(jiǎn)稱面膜)防滲體具有防滲性能優(yōu)越、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)捷、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］，特別適合修建在中國(guó)西南山區(qū)河床具有深厚覆蓋層的壩基上。由于覆蓋層壩基及堆石壩體的變形較大，壩面會(huì)產(chǎn)生較大撓曲變形而導(dǎo)致土工膜墊層產(chǎn)生開(kāi)裂甚至錯(cuò)動(dòng)而破壞，進(jìn)而危及土工膜在水壓力作用下的安全，所以，堆石壩面膜防滲體的墊層對(duì)于土工膜及整個(gè)防滲體的安全至關(guān)重要。高面膜堆石壩墊層是面膜防滲體的持力層和傳力層，同時(shí)又兼顧排除膜下積水的功能，墊層必須在水力學(xué)特性和力學(xué)性能上滿足透水性、自穩(wěn)性、高強(qiáng)度和變形協(xié)調(diào)性要求。

在以往建造的中低土工膜防滲堆石壩中，通常采用傳統(tǒng)的散粒體碎石層或者無(wú)砂混凝土作為土工膜的墊層材料。通過(guò)國(guó)內(nèi)外已有研究成果及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，由于自身穩(wěn)定性較差，散粒體碎石作為土工膜墊層只能適用于壩坡在1∶1.8甚至更緩的情況［2］，然而壩坡設(shè)計(jì)較緩會(huì)導(dǎo)致壩體斷面大而無(wú)法發(fā)揮現(xiàn)代堆石壩的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn);無(wú)砂混凝土在較低的堆石壩中曾被廣泛使用［3-4］，前期試驗(yàn)研究表明無(wú)砂混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度但同時(shí)也具有較大的彈性模量，脆性特征較為顯著，在抗壓和抗折試驗(yàn)中均出現(xiàn)粉碎性破壞［5-6］，如果用于深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體的墊層，在壩面發(fā)生較大撓曲變形時(shí)墊層會(huì)因脆性破壞而易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，這不僅使柔性土工膜能適應(yīng)土石壩壩體變形的優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮，而且開(kāi)裂破壞后還會(huì)損傷土工膜而破壞整個(gè)防滲系統(tǒng)的密閉性及大壩的安全性。因此，從適應(yīng)深覆蓋層壩基及壩體較大變形及面膜防滲體穩(wěn)定安全的角度出發(fā)，需要研制一種透水性好的新型韌性非散粒體墊層材料。

聚合物透水混凝土是一種新型彈性蜂窩狀多孔材料，是通過(guò)聚合物膠與碎石料的混合和攪拌使膠體能夠均勻且牢固地包裹在碎石表面，并利用聚合物膠本身的黏結(jié)性將碎石顆粒牢牢地連接到一起，組成一個(gè)堅(jiān)固、穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留了顆粒間的縫隙與空間，形成一種彈性的多孔結(jié)構(gòu)［7］。該材料在歐洲最早應(yīng)用于海堤、河堤迎水面的護(hù)坡上［8-9］，主要是利用該材料較多的孔隙來(lái)消除波浪及水流的能量以減輕對(duì)海堤及河堤的淘刷侵蝕破壞。前期試驗(yàn)表明該材料不僅具有較強(qiáng)的透水性、較高的抗壓抗折強(qiáng)度，還具有較好的韌性，而且施工工藝簡(jiǎn)單，不需要振動(dòng)，只需靜壓或碾壓成型，養(yǎng)護(hù)2 d即可達(dá)到最終強(qiáng)度的80%以上，相比普通無(wú)砂混凝土28 d養(yǎng)護(hù)期可以大大縮短施工期［10］。結(jié)合深覆蓋層上高堆石壩壩面防滲土工膜墊層的要求，可考慮將聚合物透水混凝土作為一種土工膜新墊層進(jìn)行系統(tǒng)研究。

為了獲得能適應(yīng)深覆蓋層上高面膜堆石壩墊層的合適材料，本文在對(duì)聚合物透水混凝土的合適配比進(jìn)行試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)最優(yōu)配比下的聚合物透水混凝土進(jìn)行透水性能、基本力學(xué)特性、界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及位于壩面防滲體中的變形破壞特性等一系列試驗(yàn)研究，并和傳統(tǒng)無(wú)砂混凝土工程特性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和分析，揭示其作為面膜防滲體墊層所要求的工程特性及其優(yōu)勢(shì)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)材料

a．碎石。為了避免土工膜被頂破，同時(shí)顧及墊層孔隙率及排水要求，碎石的粒徑宜加以控制［11］。試驗(yàn)中碎石材料選用產(chǎn)于南京市六合區(qū)的顆粒級(jí)配范圍為5～20mm新鮮玄武巖碎石，壓碎指標(biāo)為9.2%。試驗(yàn)前碎石料均經(jīng)過(guò)清水沖洗后風(fēng)干，碎石相關(guān)參數(shù)如下:平均粒徑d50=10 mm，不均勻系數(shù)Cu=4.2，曲率系數(shù)Cc=2.4，干密度 ρd=1.725g/cm3，內(nèi)摩擦角 φ =48°。

b．聚合物。選用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的雙組分聚合物膠粘劑，組分A是聚合物膠體，組分B是催化劑，A與B質(zhì)量比為1∶0.65。聚合物主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用聚合物膠參數(shù)

c．水泥及改性劑。無(wú)砂混凝土作為土工膜的下墊層，也是防滲結(jié)構(gòu)的重要組成部分，應(yīng)盡量選用高標(biāo)號(hào)水泥。本次試驗(yàn)選用海螺牌 P．O．42.5水泥。為了增加無(wú)砂混凝土的抗拉強(qiáng)度，參考文獻(xiàn)［12］，選用水泥改性劑乳液 SJ-601(含固量(41±3)%)作為外加劑。

1．2 試樣制備

1．2．1 聚合物透水混凝土試樣制備

試驗(yàn)前先將碎石料洗凈并風(fēng)干備用，制樣時(shí)將B組分催化劑往A組分聚合物膠中添加，使之充分混合并攪拌至膠體呈現(xiàn)淡黃乳白色，再與碎石混合攪拌，攪拌時(shí)間控制在20 min，然后將混合料一次性倒入模具中，靜壓成型。根據(jù)聚合物膠的初步固化時(shí)間，試樣從攪拌至入模必須在30 min之內(nèi)完成;為了保持脫模時(shí)試塊的完整性，試件澆筑之前應(yīng)將模具內(nèi)壁用砂紙清擦干凈，并在其上均勻地涂一層脫模劑。成型后試樣放在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度控制在(20±2)℃，養(yǎng)護(hù)24 h后即可脫模，48 h后即可進(jìn)行試驗(yàn)。脫膜后的聚合物透水混凝土抗彎折試樣如圖1所示。

圖1 聚合物透水混凝土抗彎折試樣

1．2．2 無(wú)砂混凝土試樣制備

無(wú)砂混凝土是界于水泥穩(wěn)定碎石與普通素混凝土之間的一種材料，可以采用多種成型方法，但不同成型方法對(duì)其強(qiáng)度和孔隙率有較大影響。振搗法是最常用的一種成型方法，試驗(yàn)表明，振搗法雖能提高無(wú)砂混凝土的密實(shí)性與強(qiáng)度，但振搗易導(dǎo)致水泥漿分布不均，使試樣表層孔隙過(guò)大，而底部孔隙過(guò)小或堵塞，這將嚴(yán)重影響無(wú)砂混凝土的排水性能。參考路基用多孔混凝土材料的成型方法，并結(jié)合壩面無(wú)砂混凝土墊層可行的碾壓施工工藝，試驗(yàn)采用插搗+靜壓的成型方法。

制樣的順序?yàn)?每組試驗(yàn)先計(jì)算裝模集料的量，拌和好后裝模，采用插搗方法，插搗保證均勻，為了防止局部產(chǎn)生大的空隙，裝模完成后采用10kg砝碼靜壓，靜壓時(shí)間控制在20 s。攪拌投料采用分次加水方式，有利于水泥均勻包裹在骨料周圍且易于觀察到最佳拌和狀態(tài)。脫模后的無(wú)砂混凝土抗壓試樣如圖2所示。養(yǎng)護(hù)方式采用室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，外面覆蓋無(wú)紡?fù)凉た椢锊⑺?，濕度控制?5%以上，溫度為(20±2)℃，養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 無(wú)砂混凝土抗壓試樣

1．3 試驗(yàn)方法

1．3．1 有效空隙率及滲透系數(shù)試驗(yàn)

兩種材料的空隙率均采用排水量體積法［13］進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試前要先將試樣烘干，測(cè)總體積時(shí)試樣要在水里浸泡24 h。

滲透系數(shù)測(cè)試采用如圖3所示的常水頭法，試驗(yàn)采用長(zhǎng)10cm、直徑7cm的圓柱試件，試件周圍套一層繃緊的彈性乳膠膜進(jìn)行側(cè)壁密封，兩端通過(guò)彈性密封圈固定在有機(jī)玻璃圓筒接頭上。試驗(yàn)水頭控制在40cm，試驗(yàn)前試件先放水中浸泡24 h，使試件充分飽和并排出內(nèi)部空氣，試驗(yàn)中要待水流穩(wěn)定后選定10 s時(shí)間段進(jìn)行流量測(cè)定。滲透系數(shù)k的計(jì)算公式為

圖3 滲透系數(shù)試驗(yàn)

式中:L為試樣長(zhǎng)度;H為試驗(yàn)水頭;A為試樣橫截面面積;Δt為測(cè)量時(shí)間;Q為Δt時(shí)間段通過(guò)試樣的水流體積。

1．3．2 基本力學(xué)特性試驗(yàn)

1．3．2．1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

兩種材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行，試驗(yàn)裝置為WEW-600B液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用應(yīng)力控制方式加載，加載速率控制在0.1 kN/s，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄并實(shí)時(shí)顯示壓縮荷載-位移曲線。

前期聚合物透水混凝土試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于5～20 mm粒徑的碎石，其含膠量一般在1% ～2%之間，為了獲得針對(duì)本文選用碎石對(duì)應(yīng)的合適含膠量，對(duì)5～20 mm粒徑的碎石進(jìn)行了1.1%、1.3%、1.5%、1.7%和1.9%共5種含膠量(體積分?jǐn)?shù))下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)比較抗壓強(qiáng)度獲得最優(yōu)含膠量。這5組試樣均在(20±2)℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。此外，為了比較聚合物透水混凝土在不同施工期養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的力學(xué)性能，在固定含膠量為1.5%情況下，試驗(yàn)比較了2種不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境條件((70±2)℃和水中浸泡)下的試樣抗壓強(qiáng)度，以便得到施工養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)一共7組。

對(duì)于無(wú)砂混凝土，相關(guān)文獻(xiàn)及前期研究成果表明［14］，水灰比w/c一般取0.3左右，可根據(jù)其工作性能要求進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于摻粉煤灰和硅粉的無(wú)砂混凝土一般取0.28～0.32，和公路排水基層無(wú)砂混凝土相比，面膜防滲體墊層滲透性能要求相對(duì)降低，因此本試驗(yàn)適當(dāng)提高了水灰比范圍(0.28～0.34);選取水灰比 w/c=0.28、0.30、0.32、0.34 進(jìn)行試驗(yàn)。摻和料選用水泥改性劑乳液SJ-601，其替代水量按10%、30%、50%、70%進(jìn)行一組平行試驗(yàn)，根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果選擇最優(yōu)的合理水灰比及改進(jìn)劑摻量。無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)一共20組，具體試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

1.3.2.2 抗彎折特性試驗(yàn)

抗彎折特性試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎折試驗(yàn)方法［15］進(jìn)行，采用400 mm×100 mm×100 mm的長(zhǎng)方體試件。試件含膠量采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的最優(yōu)含膠量。加載采用如圖4所示的應(yīng)力控制加載方式，速率為0.1 kN/s。為了準(zhǔn)確得到聚合物透水混凝土受彎作用下的變形特性，試件底部中點(diǎn)位置布置了應(yīng)變片測(cè)試試件彎折變形過(guò)程(圖4)，同時(shí)采用高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)從側(cè)面拍攝試件受彎變形過(guò)程，并通過(guò)圖像處理與分析得到試件變形撓度曲線，評(píng)價(jià)其抵抗撓曲變形的能力。

表2 無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 抗彎折特性試驗(yàn) (單位:mm)

1．3．2．3 彈性模量試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)新型墊層材料受力變形特性，試驗(yàn)測(cè)試了材料的壓縮彈性模量。壓縮彈性模量試驗(yàn)參考SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程 》［15］中抗壓彈性模量的測(cè)試方法進(jìn)行，采用150 mm×150 mm×300 mm的長(zhǎng)方體試件進(jìn)行測(cè)試。

1．3．3 界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證墊層材料位于壩坡時(shí)自身的穩(wěn)定性及整個(gè)防滲體的穩(wěn)定性，運(yùn)用大尺寸直剪拉拔摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)分別對(duì)碎石、聚合物透水混凝土和無(wú)砂混凝土3種墊層材料與復(fù)合土工膜界面的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。此外，對(duì)聚合物透水混凝土－復(fù)合土工膜界面局部涂膠情況下抗剪強(qiáng)度也進(jìn)行了測(cè)試。界面涂膠位置和面積如圖5所示。

界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)所用碎石與制作透水混凝土和無(wú)砂混凝土所采用的碎石相同。復(fù)合土工膜為二布一膜，兩側(cè)為800 g/m2長(zhǎng)絲針刺土工織物，內(nèi)側(cè)為0.8 mm厚的PE土工膜。

圖5 聚合物透水混凝土墊層界面涂膠位置和面積 (單位:mm)

圖6 界面直剪儀

試驗(yàn)采用如圖6所示的直剪儀，該設(shè)備上下剪切盒的尺寸分別為300 mm×300 mm和300 mm×350 mm，以保證剪切過(guò)程中接觸面積不變。下剪切盒內(nèi)放置剛性墊塊，復(fù)合土工膜固定在墊塊頂面，側(cè)面錨固在下剪切盒的側(cè)面。上剪切盒內(nèi)放置墊層材料，其中聚合物透水混凝土和無(wú)砂混凝土要提前預(yù)制。

試驗(yàn)分別在 25 kPa、50 kPa、75 kPa和 100 kPa 4組法向壓力下進(jìn)行。根據(jù)每組試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力-剪切位移曲線峰值應(yīng)力得到最大剪應(yīng)力與法向壓力的關(guān)系，然后根據(jù)摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則獲得界面的抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度。

1．3．4 防滲體變形破壞特性試驗(yàn)

為了揭示聚合物透水混凝土作為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體墊層時(shí)的變形破壞特性，采用局部結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)方法對(duì)聚合物透水混凝土材料墊層的變形適應(yīng)性及破壞特征進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

如圖7所示，選取最大壩高斷面中面膜防滲體撓曲變形最大處的一部分作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化為在壩軸線方向選取單位寬度的二維問(wèn)題。按照?qǐng)D7所示的結(jié)構(gòu)形式和材料制作局部結(jié)構(gòu)模型，模型長(zhǎng)1.2 m，寬0.4 m，試驗(yàn)時(shí)在模型頂部施加法向荷載，通過(guò)柔性壓力加載層給結(jié)構(gòu)模型表面施加柔性均布?jí)毫?lái)模擬實(shí)際壩面水壓力荷載，模型底部設(shè)置剛性弧形底座配合壓縮層使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降來(lái)模擬底部撓曲變形。在加載過(guò)程中，通過(guò)布設(shè)各種小型傳感器量測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置的受力變形性態(tài)，同時(shí)通過(guò)側(cè)面有機(jī)玻璃觀測(cè)整體結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律、破壞模式以及不同結(jié)構(gòu)層之間的變形協(xié)調(diào)性和相互作用模式。通過(guò)大比尺模型試驗(yàn)可以定性地研究面膜防滲體在頂部水壓力荷載和底部大撓曲變形邊界條件下的受力變形特征及破壞模式。

圖7 壩面土工膜防滲結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 透水性能

表3為不同含膠量下聚合物透水混凝土試件有效空隙率和滲透系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果。由表3可知，試驗(yàn)得到的聚合物透水混凝土有效空隙率均大于30%，滲透系數(shù)能達(dá)到7 cm/s以上，含膠量對(duì)聚合物透水混凝土試件的有效空隙率和滲透系數(shù)影響很小。這主要是因?yàn)榫酆衔锬z與碎石混合后，膠體主要充填骨料顆粒之間的空隙并包裹骨料形成一層薄膜，而聚合物膠體積含量很小(小于3%)，所以相同骨料粒徑條件下，含膠量對(duì)聚合物透水混凝土的有效空隙率影響較小，進(jìn)而對(duì)滲透系數(shù)影響也很小。此外，測(cè)得的有效空隙率和滲透系數(shù)非常穩(wěn)定，說(shuō)明受成型方法及施工工藝的影響較小。

表3 聚合物透水混凝土試件有效空隙率和滲透系數(shù)實(shí)測(cè)值

表4為不同計(jì)算空隙率和水灰比情況下無(wú)砂混凝土的實(shí)測(cè)有效空隙率和滲透系數(shù)，可見(jiàn)，無(wú)砂混凝土試件實(shí)測(cè)有效空隙率在18.6% ～28.3%之間，實(shí)測(cè)滲透系數(shù)在1.3～2.1 mm/s之間。分析表4數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)有效空隙率均大于計(jì)算空隙率。差異存在的原因可能是:①試件凝固干燥后，約3/4的水分蒸發(fā)掉［16］，所以實(shí)測(cè)有效空隙率增加;②無(wú)砂混凝土試件表面及棱角不可能像普通混凝土一樣規(guī)則，所以計(jì)算的總體積比實(shí)測(cè)體積偏大，從而導(dǎo)致實(shí)測(cè)有效空隙率偏大。此外，無(wú)砂混凝土的有效空隙率和滲透系數(shù)隨計(jì)算空隙率和水灰比的變化規(guī)律性不明顯，數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，主要原因是試樣成型過(guò)程中水泥漿易流動(dòng)導(dǎo)致分布不均，這說(shuō)明受成型方法和施工工藝的影響較大。

表4 無(wú)砂混凝土試件有效空隙率和滲透系數(shù)實(shí)測(cè)值

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，聚合物透水混凝土的有效空隙率和滲透系數(shù)遠(yuǎn)高于無(wú)砂混凝土，試件成型后的有效空隙率和滲透系數(shù)較無(wú)砂混凝土穩(wěn)定，聚合物透水混凝土受試樣成型方法和施工工藝的影響較小。所以，從透水性能角度出發(fā)，聚合物透水混凝土更適合作為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體的墊層。

2．2 基本力學(xué)特性

2．2．1 抗壓強(qiáng)度

圖8為不同含膠量的聚合物透水混凝土試樣在幾種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的實(shí)測(cè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖8可知，聚合物透水混凝土的含膠量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯影響。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含膠量的增大而增長(zhǎng);當(dāng)含膠量大于1.5%以后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3 MPa，但隨含膠量的增加不再明顯。這是由于隨著含膠量增加，充填在粗骨料間的聚合物膠也在不斷增加，但當(dāng)孔隙被填滿且粗骨料顆粒完全被包裹且形成一層膜后，含膠量的增加會(huì)使骨料外的膜增厚，骨料顆粒之間的黏結(jié)力會(huì)增大;但達(dá)到臨界膠結(jié)厚度后，骨料顆粒之間的黏結(jié)力增強(qiáng)只能導(dǎo)致韌性增加，而對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn)。兩種作用的綜合使整體抗壓強(qiáng)度增加不夠顯著。這也說(shuō)明對(duì)于本試驗(yàn)中的粗骨料，存在一個(gè)臨界含膠量1.5%，當(dāng)含膠量超過(guò)這個(gè)臨界值后，增加含膠量只會(huì)增加成本，對(duì)增大強(qiáng)度沒(méi)有明顯作用，1.5%可作為最優(yōu)含膠量。

圖8 聚合物透水混凝土試樣實(shí)測(cè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為了研究施工期極端養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)聚合物透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，將2組按照1.5%含膠量制作的試樣先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h并脫膜，然后一組放在(70±2)℃的烤箱中烘烤24 h;另一組放在自來(lái)水中浸泡24 h，然后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。由圖8可知，(70±2)℃的高溫養(yǎng)護(hù)和自來(lái)水浸泡使試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)分別降低了13.4%和16.8%。

圖9 水灰比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖9為按照不同計(jì)算空隙率Pc和水灰比制作的無(wú)砂混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。由圖9可知，抗壓強(qiáng)度隨著計(jì)算孔隙率的增大而減小，一定計(jì)算空隙率條件下抗壓強(qiáng)度隨著水灰比變化規(guī)律不夠明顯。試驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，水灰比為0.30時(shí)，集料拌和中沒(méi)有水泥漿溢出，且骨料顆粒表面具有明顯的金屬光澤，說(shuō)明此時(shí)已達(dá)到最佳水灰比;水灰比為0.28時(shí)，無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度也較好，但低水灰比透水性能較差，因此提高強(qiáng)度時(shí)應(yīng)兼顧排水性能，最優(yōu)水灰比應(yīng)選擇0.30。

水泥改性劑替代水的比例對(duì)無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)是在w/c=0.3、Pc=20%條件下按不同比例替代水的含量來(lái)制作試樣的。當(dāng)水泥改性劑替代水的比例分別為10%、30%、50%、70%時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度分別為 10.6 MPa、12.6 MPa、10.9 MPa、11.4 MPa。摻和改性劑能有效提高無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度，水的替代比例在30%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值12.6 MPa。這是由于改性劑能夠很好改善骨料拌和時(shí)的和易性，使骨料間膠結(jié)面和黏結(jié)力均增加，最終抗壓強(qiáng)度有所提高，但若水泥改性劑替代水比例過(guò)大則呈現(xiàn)出試件抗壓強(qiáng)度下降變化，主要是由于水含量少，水泥沒(méi)能夠得到水化完全，且改性劑乳液占據(jù)了集料顆粒間的接觸面導(dǎo)致黏結(jié)力降低。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在合適的配比條件下，聚合物透水混凝土的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到3 MPa以上，無(wú)砂混凝土能達(dá)到10 MPa以上，兩種材料的抗壓強(qiáng)度均能滿足堆石壩面膜防滲墊層材料的要求。

2．2．2 抗彎折特性

圖10為抗彎試驗(yàn)中含膠量為1.5%的試件底部中點(diǎn)處拉應(yīng)力-拉應(yīng)變關(guān)系曲線，同時(shí)與w/c=0.3，Pc=20%條件下的無(wú)砂混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由圖10可知，聚合物透水混凝土在抗彎試驗(yàn)中最大抗彎強(qiáng)度為1.2 MPa，對(duì)應(yīng)的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?00×10－6，而無(wú)砂混凝土最大抗彎強(qiáng)度為2.25 MPa，對(duì)應(yīng)的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?27×10－6。聚合物透水混凝土的抗彎強(qiáng)度為無(wú)砂混凝土的53.5%，而最大彎拉應(yīng)變?yōu)闊o(wú)砂混凝土的396.5%。

圖10 彎拉應(yīng)力-拉應(yīng)變曲線對(duì)比

圖11為采用高清攝像機(jī)從側(cè)面觀測(cè)，并通過(guò)圖像處理分析得到的兩種材料抗彎破壞前的最大變形撓度曲線。由圖11可知，兩種材料的變形撓度沿試件長(zhǎng)度方向中點(diǎn)基本成對(duì)稱分布。聚合物透水混凝土最大撓度位于試件中點(diǎn)處，最大值達(dá)1.86 mm，相對(duì)撓度為1/250;無(wú)砂混凝土最大撓度位于試件中點(diǎn)處，最大值達(dá)1.2 mm，相對(duì)撓度為1/161。

圖11 彎折試件受彎變形撓度曲線

抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然聚合物透水混凝土抗折強(qiáng)度沒(méi)有無(wú)砂混凝土的高，但抵抗彎拉變形的能力要遠(yuǎn)大于無(wú)砂混凝土，這樣也說(shuō)明聚合物透水混凝土墊層更能適應(yīng)堆石壩面的撓曲變形。

EFpsize,j為j類土地的足跡廣度，EFpsize,reg為區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型所組成的生態(tài)足跡廣度。

2．2．3 彈性模量

當(dāng)聚合物透水混凝土含膠量分別為1.1%、1.3%、1.5%、1.7%、1.9%時(shí)，試驗(yàn)得到的彈性模量分別為 0.29 GPa、0.72 GPa、0.81 GPa、0.82 GPa、0.82 GPa。聚合物透水混凝土墊層的模量均低于1 GPa，而無(wú)砂混凝土墊層的模量達(dá)到30.72 GPa，聚合物透水混凝土的模量遠(yuǎn)低于無(wú)砂混凝土。

圖12為含膠量為1.5%的聚合物透水混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的典型壓縮荷載-位移關(guān)系曲線。由圖12可知，與無(wú)砂混凝土等脆性材料不同的是，當(dāng)壓縮應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，壓縮荷載沒(méi)有突然驟降，而是出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象，這說(shuō)明聚合物透水混凝土具有良好韌性特征。圖13為聚合物透水混凝土和無(wú)砂混凝土試件在無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)后破壞狀態(tài)，前者只有少許顆粒脫落，而無(wú)砂混凝土發(fā)生了粉粹性破壞，很好地證明了聚合物透水混凝土材料的韌性特征。

圖12 聚合物透水混凝土抗壓試驗(yàn)中典型壓縮荷載-位移關(guān)系曲線

2．3 界面抗剪強(qiáng)度

圖13 抗壓試驗(yàn)破壞狀態(tài)

表5為復(fù)合土工膜與碎石、聚合物透水混凝土和無(wú)砂混凝土等材料之間界面的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，聚合物透水混凝土與復(fù)合土工膜界面抗剪強(qiáng)度比碎石材料要小，但聚合物透水混凝土墊層界面涂膠后與復(fù)合膜之間的等效抗剪強(qiáng)度比碎石墊層和無(wú)砂混凝土材料都要高，按照壩面防滲體穩(wěn)定性要求，可在坡比為1∶0.47的壩坡上維持穩(wěn)定;按照常規(guī)面膜防滲堆石壩1∶1.5的壩坡，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)可到8.56。說(shuō)明在聚合物透水混凝土墊層表面局部涂膠后，能夠維持防滲體自身的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表5 界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2．4 防滲體變形破壞特性

圖14為模型試驗(yàn)加載過(guò)程中過(guò)渡層底部邊界最大撓度隨模型頂部均布?jí)毫奢d的變化曲線。由圖14可知，在加載初始階段，模型底部最大撓度隨著荷載的增加迅速增大，隨后增速趨于穩(wěn)定且隨荷載的增大呈近似線性增長(zhǎng);當(dāng)荷載到達(dá)約0.55 MPa時(shí)，又開(kāi)始快速增長(zhǎng)，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)保護(hù)層底部發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，最大撓度約為12 mm，對(duì)應(yīng)的相對(duì)撓度為1/70，趨于穩(wěn)定時(shí)達(dá)最大值約為17 mm，對(duì)應(yīng)相對(duì)撓度為1/49.4。

圖14 過(guò)渡層底部邊界最大撓度-荷載關(guān)系曲線

在模型頂部柔性均布?jí)毫ψ饔孟?，模型底部邊界產(chǎn)生了較大的撓度變形，并且隨著荷載的增加撓度變形開(kāi)始由過(guò)渡層底部向上傳遞，最終使上部的混凝土保護(hù)層受到彎曲荷載而發(fā)生開(kāi)裂破壞。在混凝土保護(hù)層開(kāi)裂破壞之前，變形主要集中在過(guò)渡層內(nèi)部。荷載達(dá)到0.708 MPa時(shí)，通過(guò)圖像分析測(cè)得墊層底部最大撓度達(dá)7 mm，而保護(hù)層底部撓度達(dá)4.5 mm，已經(jīng)發(fā)生了斷裂破壞，裂縫擴(kuò)展已經(jīng)達(dá)到頂部邊緣，但還未完全貫通。由于復(fù)合土工膜的限制作用及底部聚合物透水混凝土墊層具有合適的剛度，起到了協(xié)調(diào)變形的作用，所以開(kāi)裂后的保護(hù)層并未發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變形。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中，聚合物透水混凝土墊層表現(xiàn)出較好的韌性特征。墊層與上部的保護(hù)層以及下部過(guò)渡層能夠保持良好接觸，始終保持協(xié)調(diào)變形。當(dāng)荷載較小時(shí)，保護(hù)層未發(fā)生開(kāi)裂具有較大剛度，所以墊層上部邊緣也未發(fā)生明顯撓曲變形，當(dāng)保護(hù)層開(kāi)裂后，墊層上部邊緣隨保護(hù)層一起發(fā)生撓曲變形，但未發(fā)生開(kāi)裂破壞。墊層底部邊緣也能夠隨過(guò)渡層一起發(fā)生變形，且沒(méi)有發(fā)生脫離錯(cuò)動(dòng)等非連續(xù)變形。

需要說(shuō)明的是，防滲體表層的保護(hù)層在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了裂縫，這主要是試驗(yàn)中未考慮保護(hù)層分縫，實(shí)際工程中保護(hù)層可以設(shè)置橫縫和豎縫來(lái)避免過(guò)大拉應(yīng)力產(chǎn)生;同時(shí)還可采用纖維混凝土來(lái)增強(qiáng)抗裂性能。此外，保護(hù)層與面板堆石壩中的面板不同，它不是防滲體的主體結(jié)構(gòu)，只是起保護(hù)土工膜作用，并非不能承受拉應(yīng)力，在不影響防滲結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性前提下，保護(hù)層允許發(fā)生微小裂縫和變形，這不會(huì)對(duì)起防滲作用的土工膜的安全產(chǎn)生影響。因此，采用韌性較好的聚合物透水混凝土墊層，增加了防滲體各層材料的變形協(xié)調(diào)性，從而使整個(gè)防滲體適應(yīng)壩面撓曲變形的能力增強(qiáng)，保證防滲體的安全。

3 結(jié)論

a．聚合物透水混凝土材料有效空隙率和滲透系數(shù)分別達(dá)到30%和7 cm/s以上，其透水性能優(yōu)于于無(wú)砂混凝土材料，且有效空隙率和滲透系數(shù)受材料成型及施工工藝影響較小。

b．聚合物透水混凝土材料綜合力學(xué)性能優(yōu)于無(wú)砂混凝土材料，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①在合適的配比條件下，聚合物透水混凝土的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到3 MPa以上，雖然低于傳統(tǒng)墊層材料無(wú)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度(10 MPa以上)，但能滿足堆石壩面膜防滲墊層材料抗壓強(qiáng)度的要求;②聚合物透水混凝土彈性模量遠(yuǎn)低于無(wú)砂混凝土的彈性模量，約為后者的1/30以下，在抗壓試驗(yàn)中表現(xiàn)出顯著的韌性破壞特性，不會(huì)發(fā)生粉碎性破壞;③聚合物透水混凝土能承受的最大相對(duì)撓曲變形能達(dá)到1/250，其抵抗彎拉變形的能力要大于無(wú)砂混凝土材料。

c．聚合物透水混凝土墊層表面局部涂膠后，與復(fù)合土工膜之間的界面具有較高的等效抗剪強(qiáng)度，按照壩面防滲體穩(wěn)定性要求，按照常規(guī)面膜防滲堆石壩1∶1.5的壩坡，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)可到8.56。聚合物透水混凝土墊層能夠維持壩面防滲體自身的穩(wěn)定性及安全性要求。

d．聚合物透水混凝土作為面膜防滲體的墊層能夠與防滲體下部過(guò)渡層和上部的土工膜及保護(hù)層協(xié)調(diào)變形，使整個(gè)防滲體能夠適應(yīng)壩面較大的撓曲變形。

e．聚合物透水混凝土作為面膜防滲體墊層，具有施工工藝簡(jiǎn)單、養(yǎng)護(hù)期短等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)土工膜墊層材料無(wú)砂混凝土，更適合應(yīng)用于深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體墊層。

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