張勝?gòu)?qiáng)，楊　磊，李佳偉，曾　力，歐陽(yáng)小平

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢　430072；2.葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 宜昌　443000)

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摻石渣粉塑性混凝土配合比試驗(yàn)研究及應(yīng)用

張勝?gòu)?qiáng)1，楊磊1，李佳偉1，曾力1，歐陽(yáng)小平2

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 宜昌443000)

摘要：塑性混凝土彈模低、變形大，其能較好地適應(yīng)地基沉降，因而在水利水電工程防滲墻施工中得到了廣泛應(yīng)用。在陸豐核電廠圍堰防滲工程中，為了充分利用現(xiàn)場(chǎng)資源，降低工程成本，擬采用石渣粉代替部分或全部石子和河沙進(jìn)行塑性混凝土防滲墻配合比設(shè)計(jì)。通過(guò)塑性混凝土性能試驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，并通過(guò)注水試驗(yàn)和孔內(nèi)攝像對(duì)配合比方案的現(xiàn)場(chǎng)防滲效果進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，在砂率保持不變的情況下，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，塑性混凝土防滲墻的抗?jié)B性能大幅提高，強(qiáng)度只存在小幅度降低，滿足工程對(duì)塑性混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，且塑性混凝土防滲墻成墻質(zhì)量完好。這驗(yàn)證了石渣粉作為骨料的配合比方案的可行性。

關(guān)鍵詞：塑性混凝土；石渣粉；配合比；注水試驗(yàn)；孔內(nèi)攝像

1研究背景

塑性混凝土主要由水泥、膨潤(rùn)土、黏土、粗細(xì)骨料、水、外加劑等材料拌制而成，抗壓強(qiáng)度一般不超過(guò)5 MPa，彈性模量≤1 000 MPa，滲透系數(shù)<1×10-6cm/s，具有彈性模量低、極限變形大，以及與土層形態(tài)相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線而能較好地適應(yīng)地基沉降等特點(diǎn)[1]。自20世紀(jì)80年代末首次在國(guó)內(nèi)使用以來(lái)，塑性混凝土在國(guó)內(nèi)許多大中型水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用，取得了很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)針對(duì)塑性混凝土的研究工作雖然起步較晚，但是進(jìn)展迅速，塑性混凝土課題的試驗(yàn)成果不斷涌現(xiàn)。王迎春等[2]結(jié)合工程實(shí)際對(duì)塑性混凝土進(jìn)行了三軸測(cè)試和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算分析以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，結(jié)果表明塑性混凝土性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；李家正等[3]結(jié)合塑性混凝土在三峽二期圍堰防滲墻中的成功應(yīng)用，總結(jié)了塑性混凝土各項(xiàng)參數(shù)的試驗(yàn)方法；黃緒通等[4]通過(guò)優(yōu)化塑性混凝土的原材料及配合比，使配制的混凝土滲透系數(shù)達(dá)到了10-11cm/s；劉數(shù)華等[5]通過(guò)膠凝材料的變化，使得塑性混凝土具有較大的變形能力和抗?jié)B能力，滿足工程對(duì)塑性混凝土變形性能和抗?jié)B性能的更高要求。

現(xiàn)階段塑性混凝土骨料以石子和砂為主，篩分良好的石子和砂的成本及運(yùn)輸費(fèi)用均較高；而工程現(xiàn)場(chǎng)由于爆破開(kāi)挖等原因通常會(huì)存在大量的石渣粉，如果能用處理后的石渣粉來(lái)部分代替石子或砂，不僅能節(jié)約工程成本，而且大大簡(jiǎn)化了材料處理工序以及縮短了材料準(zhǔn)備時(shí)間。本文以陸豐核電廠圍堰防滲工程為背景，通過(guò)性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)分析對(duì)石渣粉部分或全部取代石子和砂的配合比方案能否滿足工程要求進(jìn)行了研究。

2工程簡(jiǎn)介

廣東陸豐核電廠廠址位于廣東省汕尾市陸豐市碣石鎮(zhèn)以南約8 km的田尾山，廠區(qū)處地質(zhì)條件復(fù)雜，由于海蝕作用，花崗巖體裂隙發(fā)育，大部分為中等和弱透水層，設(shè)計(jì)采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行圍堰防滲處理。圍堰頂部寬12 m，臨海側(cè)采用扭王塊護(hù)面，防滲墻設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約500 m，墻頂標(biāo)高4.00 m，設(shè)計(jì)深度3～36 m，墻厚0.8 m。

根據(jù)工程防滲的要求，中國(guó)廣核集團(tuán)設(shè)計(jì)院對(duì)陸豐核電廠塑性混凝土防滲墻各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求如表1所示。

表1　塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

3原材料檢測(cè)

3.1水泥與膨潤(rùn)土

工程采用的廣東惠州龍門(mén)生產(chǎn)的42.5號(hào)塔牌普通硅酸鹽水泥，經(jīng)品質(zhì)檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)采用膨潤(rùn)土作為混凝土摻合料，經(jīng)品質(zhì)檢驗(yàn),膨潤(rùn)土部分指標(biāo)如塑性黏度、屈服值、水分和75 μm篩余量達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，濾失量達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2骨料

骨料是塑性混凝土的主要組成材料，骨料的質(zhì)量是決定塑性混凝土的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。試驗(yàn)所用骨料包括3種：陸豐拿投坑石場(chǎng)石子、陸豐焦坑砂場(chǎng)河沙和石渣粉。其品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表2和表3所示。

表3　骨料不同篩孔尺寸累計(jì)篩余檢測(cè)結(jié)果

由表2及表3檢測(cè)數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)所用石子含泥量較少，大部分屬于小石(5～20 mm)，連續(xù)級(jí)配，遜徑石含量較小；河沙細(xì)度模數(shù)為2.84，屬于中砂，各尺寸篩余百分率均位于級(jí)配2區(qū)，級(jí)配良好[6]；石渣粉中石子含量21.1%，砂含量67%，石粉含量11.9%，屬于未經(jīng)篩分的混合骨料，其中粗細(xì)骨料比例為1∶3。因此試驗(yàn)所用骨料(石子、河沙和石渣粉)均能滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)

與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)不同，塑性混凝土是根據(jù)墻體周圍材料的變形模量和墻體抗?jié)B要求配置的，它弱化了石子的骨架作用，膠結(jié)材料水泥、膨潤(rùn)土、粉煤灰、砂漿除滿足填充粘結(jié)作用外，還要求在骨料周圍形成一定數(shù)量及質(zhì)量良好的柔軟砂漿包裹層，從而達(dá)到增大變形、降低彈性模量和提高抗?jié)B性能的作用[7]。塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)是通過(guò)確定配合比參數(shù)來(lái)完成的，包括水灰比、單位用水量、砂率和外加劑摻量。依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[8]，以陸豐核電廠防滲工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，各配合比參數(shù)的具體確定如下所述。

(1) 水灰比W/C。一般通過(guò)試驗(yàn)確定混凝土強(qiáng)度與W/C的關(guān)系曲線，由此確定滿足混凝土性能要求的W/C。本次配合比設(shè)計(jì)選取水灰比為1.1～1.2。

(2) 單位需水量W。按規(guī)范要求，塑性混凝土碎石最大粒徑20 mm，坍落度70～90 mm時(shí)初選用水量為190 kg/m3，坍落度每增加20 mm，用水量增加5 kg/m3。本次配合比設(shè)計(jì)坍落度為200～220 mm，故選取單位需水量為300～350 kg。

(3) 砂率S/(S+G)(S，G分別為單位體積中砂子和石子的質(zhì)量)。按規(guī)范要求，當(dāng)骨料最大粒徑為20 mm，坍落度為60 mm時(shí)，砂率可以初選為42%～44%，在此基礎(chǔ)上，按坍落度每增加20 mm，砂率增加1%的幅度予以調(diào)整。本次配合比設(shè)計(jì)坍落度為220～220 mm，另外考慮到本次試驗(yàn)是為了驗(yàn)證用石渣粉代替河沙或石子配合比方案的可行性，石渣粉砂率為76%，故選取砂率為40%～76%。

(4) 膨潤(rùn)土。根據(jù)水泥和摻合料的品質(zhì)以及塑性混凝土性能指標(biāo)的要求，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，選取膨潤(rùn)土的摻量為45%～60%。

(5) 外加劑。試驗(yàn)中所用的減水劑KFDN為深圳金冠高效緩凝減水劑，根據(jù)減水效果和緩凝效果確定外加劑摻量為0.8%～1%。

根據(jù)本次試驗(yàn)的目的，設(shè)計(jì)了3組配合比試驗(yàn)，即LF-1—LF-4，LS-1—LS-4，LH-1—LH-6，充分驗(yàn)證石渣粉替代河沙、石渣粉替代石子以及石渣粉部分替代河沙和石子配合比方案的可行性。

由選定的配合比參數(shù)，采用“假定表觀密度法”計(jì)算單位體積混凝土各種材料的用量，初擬塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。

5塑性混凝土性能試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)效果分析

5.1塑性混凝土性能試驗(yàn)

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[9]，對(duì)塑性混凝土各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4　混凝土配合比設(shè)計(jì)初擬結(jié)果

注：表中砂率為將石渣粉中粗細(xì)骨料進(jìn)行折算之后的綜合砂率。

表5　塑性混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由表4和表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在水膠比相近的情況下，減少水泥用量、增加膨潤(rùn)土摻量會(huì)使抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)降低，符合塑性混凝土材料的普適規(guī)律。在LF-1—LF-4，LS-1—LS-4兩個(gè)系列中，因膨潤(rùn)土摻量較小，石子含量較大，塑性混凝土強(qiáng)度和滲透系數(shù)均較大；對(duì)比LF-1—LF-4，LS-1—LS-4和LH-1—LH-5三個(gè)系列，用石渣粉替代所有的河沙和石子，按設(shè)計(jì)的配合比，塑性混凝土的滲透系數(shù)大幅減小，強(qiáng)度卻只存在小幅降低。

對(duì)比表1和表5可知，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s，只有LH-1—LH-6滿足滲透系數(shù)設(shè)計(jì)要求，其余系列的滲透系數(shù)均超出了設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)彈性模量為250～500 MPa， LH-1，LH-3，LH-5，LF-2滿足設(shè)計(jì)彈性模量的要求。因此只有LH-1，LH-3，LH-5既滿足設(shè)計(jì)滲透系數(shù)要求又滿足設(shè)計(jì)彈性模量要求，并且還滿足設(shè)計(jì)要求的其它指標(biāo)。

由于泥漿下混凝土的澆筑強(qiáng)度一般只有陸上強(qiáng)度的70%，依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，泥漿下混凝土的配制抗壓強(qiáng)度可采用式(1)計(jì)算，即

(1)

式中：fcuo為塑性混凝土配制抗壓強(qiáng)度(MPa)；fce為塑性混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度(MPa)；t為塑性混凝土強(qiáng)度保證率為95%時(shí)的概率度，取t=1.645[10]；Cv為塑性混凝土抗壓強(qiáng)度離差系數(shù)，取Cv=0.2。試驗(yàn)中，fce=1 MPa，計(jì)算得fcuo=1.49 MPa。

由表5中數(shù)據(jù)可知，LH-1，LH-3，LH-5中只有LH-1滿足配置抗壓強(qiáng)度要求，且LH-1其它試驗(yàn)指標(biāo)也滿足設(shè)計(jì)要求。綜合考慮，將方案LH-1作為陸豐核電廠防滲工程的塑性混凝土推薦配合比。

5.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為進(jìn)一步了解推薦配合比的性能，在陸豐核電廠圍堰施工工地，選取26個(gè)試驗(yàn)孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用孔內(nèi)攝像和注水試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)段的防滲效果進(jìn)行了分析。部分孔內(nèi)攝像(試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)SY-1)效果如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)段孔內(nèi)攝像(試驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)號(hào)SY-1)Fig.1　Hole imagery of test section (point SY-1)

由孔內(nèi)圖像可知，塑性混凝土防滲墻檢查孔壁光滑，墻體澆筑均勻密實(shí)，孔內(nèi)完整性較好，表明推薦配合比滿足混凝土施工和易性要求，成墻質(zhì)量基本完好。

依據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》[11]，注水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：由于試段位于地下水位以下，故試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)按式(2)計(jì)算，即

(2)

式中：K為滲透系數(shù)(cm/s)；Q為注入流量(cm3/s)，由圖2數(shù)據(jù)而得；H為試驗(yàn)水頭，為外海水位與地下水位之差(cm)；A為形狀系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)條件計(jì)算分析而得。

部分注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)SY-1)如圖2所示。

圖2　SY-1試驗(yàn)點(diǎn)第1段和第2段注水試驗(yàn)結(jié)果Fig.2　Results of the first and second section inwater injection test(point SY-1)

由圖2可知，對(duì)于SY-1試驗(yàn)孔，試驗(yàn)段長(zhǎng)5 m，Q=0.9×10-4L/min，試驗(yàn)水頭H=434 cm，形狀系數(shù)A=603，代入式(2)得K=9.54×10-8cm/s。

根據(jù)試驗(yàn)段壓水試驗(yàn)及孔內(nèi)攝像資料分析，塑性混凝土防滲墻采用石渣粉代替石子和河沙的配合比方案，防滲效果較好，滲透系數(shù)<1×10-7cm/s，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)論

通過(guò)塑性混凝土性能試驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，并通過(guò)注水試驗(yàn)和孔內(nèi)攝像對(duì)配合比方案的現(xiàn)場(chǎng)防滲效果進(jìn)行了檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1) 在陸豐核電廠圍堰防滲工程中，利用石渣粉全部代替河沙和石子進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)的配合比，塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)大幅減小，強(qiáng)度只存在小幅降低，但能滿足工程對(duì)塑性混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，可作為施工推薦方案。

(2) 由混凝土性能試驗(yàn)分析及試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)效果分析資料可見(jiàn)，利用石渣粉代替河沙和石子配置的塑性混凝土防滲墻，成墻質(zhì)量基本完好，墻體抗?jié)B效果較好，能用于圍堰防滲等工程實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]程瑤, 張美霞. 塑性混凝土配合比試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2002, 19(5): 62-64.[2]王迎春,李家正,朱冠美,等.三峽工程二期圍堰防滲墻塑性混凝土特性[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2001,18(1): 32-34.[3]李家正, 王迪友, 楊華全. 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法探討[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2002, 19(4): 58-60.

[4]黃緒通, 楊宏偉, 劉云霞. 塑性防滲墻混凝土性能研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1998, (2): 58-69.[5]劉數(shù)華, 方坤河, 曾力, 塑性混凝土的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)建筑防水, 2005, (10): 19-21.[6]李亞杰,方坤河.建筑材料[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社, 2009.

[7]趙中華, 馬耀輝. 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江水專學(xué)報(bào), 2009, 36(2): 53-56.

[8]DL/T5300—2005, 水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)電力出版社, 2005.

[9]SL352—2006,水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2006.[10]張鵬, 李清富. 塑性混凝土施工配合比試驗(yàn)研究[J]. 建筑技術(shù), 2007, 38(8): 620-622.[11]SL345—2007,水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2007.

(編輯：劉運(yùn)飛)

Mix Proportion Design of Plastic Concrete Mixed with Stone Ballast

ZHANG Sheng-qiang1, YANG Lei1, LI Jia-wei1, ZENG Li1, OUYANG Xiao-ping2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2.Foundation Engineering Limited Company, Gezhouba Group, Yichang443000, China)

Abstract:Plastic concrete could well adapt to foundation settlement due to its low elastic modulus and large deformation. As a result, it is widely used in the construction of cutoff wall in hydropower projects. As to the anti-seepage project of cofferdam in Lufeng nuclear power plant, in order to make full use of resources on site and reduce the cost of project, we adopted stone ballast to take the place of pebble and sand for mix proportion design of plastic concrete. Then we determined the technical indexes of plastic concrete by performance test, and detected the anti-seepage effect of the mix proportions through water injection test and hole imagery. Results show that when the sand ratio remains unchanged, the impermeability improves greatly with bentonite content increases, while the strength decreases little, which meets the requirements for performance index. The cutoff wall is also in good condition. The mix proportion with stone ballast replacing pebble and sand is verified to be feasible.

Key words:plastic concrete; stone ballast; mix proportion; water injection test; hole imagery

中圖分類號(hào)：TV431.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)05-0116-05

doi:10.11988/ckyyb.201503392016,33(05):116-120

作者簡(jiǎn)介：張勝?gòu)?qiáng)(1989-)，男，湖北監(jiān)利人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)的研究，(電話)13343468200(電子信箱)1204918596@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心基金項(xiàng)目(2011NDS025)

收稿日期：2015-04-22；修回日期：2015-05-22