張亞坤

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開(kāi)封475004；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開(kāi)封475004）

塑性混凝土在我國(guó)水利工程中的應(yīng)用

張亞坤1，2

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開(kāi)封475004；2．小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開(kāi)封475004）

分析了塑性混凝土的性能及水膠比、水泥用量、膨潤(rùn)土、黏土、用沙量等因素對(duì)其物理力學(xué)性能的影響，探討了塑性混凝土在圍堰工程、壩基混凝土防滲墻、病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固等水利工程中的應(yīng)用。

塑性混凝土；水利工程；物理力學(xué)性能；試驗(yàn)研究

0 引言

混凝土防滲墻技術(shù)的施工程序是機(jī)械造孔、灌注泥漿護(hù)壁、用導(dǎo)管澆筑混凝土和排出泥漿，筑成連續(xù)防滲墻［1］。這項(xiàng)技術(shù)最早出現(xiàn)在歐洲的意大利，之后被各國(guó)引入，并在水利工程基礎(chǔ)防滲、地下工程施工中得到了廣泛而成功的應(yīng)用。采用剛性混凝土作為防滲墻墻體材料，其彈性模量很高（≥104MPa）。根據(jù)胡克定律可知，在荷載作用下，若墻體的極限變形能力很小，而壩基變形較大，很容易使混凝土防滲墻內(nèi)部應(yīng)力集中，進(jìn)而出現(xiàn)防滲墻內(nèi)部裂縫，甚至防滲墻體有被壓碎的危險(xiǎn)。然而，以水泥、黏土、膨潤(rùn)土為膠凝材料，以石子、沙子為粗細(xì)骨料，與水、外加劑等按照一定的比例混合而成的塑性混凝土是一種柔性材料［2］，它具有低強(qiáng)度（≤10 MPa）、低彈性模量（≤2 000 MPa）、抗?jié)B性能良好（≤10－7cm／s）等特點(diǎn)。使用塑性混凝土澆筑的防滲墻可以很好地與較軟的基礎(chǔ)相適應(yīng)，同時(shí)又具有很好的防滲性能，在水利工程的防滲中應(yīng)用較多。

1 塑性混凝土的分類及性能

1．1 塑性混凝土的分類

常規(guī)混凝土的膠凝材料主要是水泥，而塑性混凝土的膠凝材料主要包括水泥、黏土、膨潤(rùn)土等2種或2種以上材料。按照膠凝材料的不同，塑性混凝土可以分為3類：黏土塑性混凝土、膨潤(rùn)土塑性混凝土、黏土－膨潤(rùn)土塑性混凝土。

1．2 塑性混凝土的性能

1．2．1 彈性模量低、強(qiáng)度低

彈性模量是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大。塑性混凝土的彈性模量是其配合比設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)?？箟簭?qiáng)度反映了在壓力作用下塑性混凝土破壞前所承受的最大應(yīng)力。由于黏土、膨潤(rùn)土摻量較多，水泥用量較少，相對(duì)于常規(guī)混凝土來(lái)說(shuō)，塑性混凝土顯示出較低的強(qiáng)度和彈性模量。國(guó)內(nèi)塑性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度一般為1～5 MPa，設(shè)計(jì)彈性模量一般在2 000 MPa以下（如表1所示）［3］。然而，由于塑性混凝土的彈性模量接近于地基的彈性模量，因而能更好地適應(yīng)地基的變形，使建筑物與地基聯(lián)合受力，從而能承受比常規(guī)混凝土防滲墻更大的變形量。因此，以適當(dāng)配合比的塑性混凝土代替常規(guī)混凝土、鋼筋混凝土，應(yīng)用于高應(yīng)力區(qū)的水利工程基礎(chǔ)防滲，對(duì)解決防滲墻的應(yīng)力集中問(wèn)題有著積極的意義。

1．2．2 抗?jié)B性能好

塑性混凝土的滲透系數(shù)小，因此其抗?jié)B性能好。常規(guī)混凝土是根據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)的，而塑性混凝土則是根據(jù)所需的變形模量和抗?jié)B性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在一定范圍內(nèi)，摻入的水泥和膨潤(rùn)土越多，塑性混凝土的滲透系數(shù)就越?。?］。在進(jìn)行塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)工程要求和實(shí)際需要，制出適當(dāng)滲透系數(shù)的塑性混凝土。

表1 國(guó)內(nèi)塑性混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab．1 Physical mechanics performance index of plastic concrete in China

1．2．3 工作性能良好

塑性混凝土的工作性能又稱和易性，是指新拌塑性混凝土易于進(jìn)行各工序施工操作（攪拌、運(yùn)輸、澆灌等）并具有質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的性能，包含流動(dòng)性、黏聚性和保水性。通常用坍落度和擴(kuò)展度來(lái)反映塑性混凝土拌和物的和易性。塑性混凝土的水膠比、用沙量、用水量比常規(guī)混凝土大，而水泥用量比常規(guī)混凝土小，再加上粉煤灰、外加劑等的摻入，使其具有更大的坍落度（塑性混凝土拌和物技術(shù)性能指標(biāo)要求如表2所示）［5～6］。因此，塑性混凝土拌和物具有更好的流動(dòng)性，且不容易發(fā)生離析，在泵送澆筑時(shí)，不容易堵塞導(dǎo)管，能自動(dòng)流平、自動(dòng)密實(shí)。這樣，就簡(jiǎn)化了施工程序、縮短了工期、降低了工程投資。塑性混凝土防滲墻中水泥的用量較少，一般少于常規(guī)混凝土防滲墻中水泥用量的三分之一，且不用布置鋼筋，大大降低了工程造價(jià)。

表2 塑性混凝土拌和物技術(shù)性能指標(biāo)要求Tab．2 Technical performance index requirements of plastic concrete mixture

2 塑性混凝土的試驗(yàn)研究

針對(duì)塑性混凝土的特性，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作，主要集中在各種因素（如水膠比、水泥用量、膨潤(rùn)土用量、用沙量、粉煤灰用量、外加劑等）如何影響塑性混凝土強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B性能、工作性能等方面。這些研究成果為實(shí)際工程中塑性混凝土配合比的設(shè)計(jì)提供了重要的參考，也促進(jìn)了塑性混凝土的應(yīng)用和推廣。

2．1 水泥用量對(duì)塑性混凝土的影響

水泥用量對(duì)塑性混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 水泥用量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響Fig．1 Influence of cement dosage on plastic concrete strength

由圖1和圖2可以看出：隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量逐漸增大［7］。這主要是因?yàn)椋酁樗残阅z凝材料，用量越多，水化反應(yīng)中就會(huì)形成越多的C－S－H等化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而形成硬化漿體，從而使塑性混凝土的強(qiáng)度提高。因此，在實(shí)際工程中，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，可以通過(guò)加大水泥用量來(lái)提高塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖2 水泥用量對(duì)塑性混凝土彈性模量的影響Fig．2 Influence of cement dosage on plastic concrete elasticity modulus

2．2 水膠比對(duì)塑性混凝土的影響

水膠比是影響塑性混凝土抗?jié)B性的關(guān)鍵因素［8］。隨著水膠比的增大，塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均會(huì)降低，水膠比對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度和彈性模量的影響如圖3和圖4所示。水膠比越大，水化反應(yīng)后自由水蒸發(fā)所造成的塑性混凝土內(nèi)部空隙越多、密實(shí)度越小，從而使塑性混凝土的強(qiáng)度和彈性模量降低得也越多。

塑性混凝土凝結(jié)硬化后的孔隙率取決于塑性混凝土拌和物的水膠比的大小。因此，水膠比直接影響著塑性混凝土的抗?jié)B性能。隨著水膠比的增大，塑性混凝土的孔隙率、滲透系數(shù)也增大，抗?jié)B性能隨之降低。所以，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡可能采用較小的水膠比。

2．3 膨潤(rùn)土、黏土對(duì)塑性混凝土的影響

圖3 水膠比對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of water cement ratio on plastic concrete strength

塑性混凝土中膨潤(rùn)土的摻入不但能夠提高塑性混凝土的抗?jié)B能力，而且能夠降低塑性混凝土的彈性模量。試驗(yàn)研究表明，塑性混凝土的彈性模量隨著膨潤(rùn)土摻量的增加而減?。?］，塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著膨潤(rùn)土用量的增加而降低。這種強(qiáng)度降低的微觀機(jī)理在于膨潤(rùn)土中含有吸水性較強(qiáng)的黏性礦物質(zhì)，這些黏性礦物吸水后會(huì)發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致塑性混凝土的強(qiáng)度降低。含不同類型膨潤(rùn)土的塑性混凝土的力學(xué)強(qiáng)度差異較大。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的前提下，鈉基－膨潤(rùn)土塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度是鈣基－膨潤(rùn)土的3倍以上。

膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要成分的含水硅酸鹽，其礦物成分的顆粒很細(xì)。較細(xì)膨潤(rùn)土和黏土顆粒能堵塞水泥及其水化產(chǎn)物間的絕大部分空隙，從而增加塑性混凝土的抗?jié)B性能。另外，黏土的摻入使水化反應(yīng)生成C－S－H和CnAHn，使得水泥石的密實(shí)度提高［10］。黏土中的蒙脫石和高嶺石屬于層狀結(jié)構(gòu)，遇水后膨脹，使各部分相互擠壓。這種化學(xué)和物理的雙重作用使塑性混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而使其抗?jié)B性能得到提高。

2．4 用沙量對(duì)塑性混凝土的影響

在一般情況下，塑性混凝土都采用較大的沙率（普遍≥80%）。采用大沙率能夠減少粗骨料（石子）的用量，進(jìn)而降低粗骨料在塑性混凝土中的骨架效應(yīng)，最終達(dá)到減低塑性混凝土彈性模量的效果。通常在一定的沙率范圍內(nèi)，塑性混凝土的彈性模量隨著沙率的增大而降低［11］。

3 塑性混凝土在水利工程中的應(yīng)用

塑性混凝土由于具有抗?jié)B性能好、地基變形適應(yīng)性強(qiáng)、工作性能好、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果。

3．1 圍堰工程防滲

圖4 水膠比對(duì)塑性混凝土彈性模量的影響Fig.4 Influence of water cement ratio on plastic concrete elasticity modulus

在水利工程建設(shè)中，為了建造永久性建筑物，需要修建臨時(shí)性維護(hù)結(jié)構(gòu)（圍堰）來(lái)圍護(hù)基坑，以創(chuàng)建水工建筑物干地施工條件。若采用混凝土圍堰，不但成本高，而且難以拆除。我國(guó)普遍采用土石圍堰。若土石圍堰的地基滲透性大（如砂卵石地基），則難以控制地基的滲漏量。而采用塑性混凝土進(jìn)行圍堰工程的地基防滲，能夠取得較好的防滲效果。在小浪底工程建設(shè)中，為了縮短工期，并達(dá)到較好的抗?jié)B要求，上游圍堰右岸部分長(zhǎng)239．41 m、總面積13 762 m2采用塑性混凝土連續(xù)防滲墻體，取得巨大的成功［12］。該塑性混凝土防滲墻穿越的壩基內(nèi)河岸堆積物主要是沙卵石、沙層及堆積塊石和坡積土層，河床覆蓋層厚度為40～70 m，其滲透差異性很大。此工程采用塑性混凝土不僅實(shí)現(xiàn)了“高強(qiáng)度、低彈性模量”的預(yù)期目的，還提前了工期，而且防滲效果良好。北京十三陵蓄能電站進(jìn)水口圍堰的防滲墻，福建省的水口水電站上下游圍堰，山西冊(cè)田水庫(kù)副壩、隔河巖水電站圍堰，湖北三峽二期圍堰、紫坪鋪水利樞紐上游圍堰、向家壩水電站一期圍堰，云南里底水電站一期圍堰，山東東平湖圍堰等都成功采用塑性混凝土防滲墻技術(shù)［13～14］，并且取得了顯著的效果。

3．2 壩基混凝土防滲墻

常規(guī)混凝土防滲墻的彈性模量較高，在荷載作用下，極限變形較小，導(dǎo)致墻體不能與地基協(xié)調(diào)變形，出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得防滲墻出現(xiàn)破壞，尤其在高壩深墻中，表現(xiàn)得更為明顯。這無(wú)疑給水利工程的正常運(yùn)行造成巨大的威脅。塑性混凝土防滲墻具有彈性模量低、極限應(yīng)變大的優(yōu)異性能，使得墻體能與地基協(xié)調(diào)變形，墻體應(yīng)力降低，從而大大提高了防滲墻運(yùn)行的可靠性。尤其在地震區(qū)，應(yīng)用塑性混凝土防滲墻作為永久防滲工程，更能顯示其巨大的優(yōu)越性。如山西省冊(cè)田水庫(kù)大壩曾經(jīng)受6．1級(jí)強(qiáng)烈地震，震中位于距大壩下游3 km的堡村，大壩震害嚴(yán)重，在除險(xiǎn)加固中，采用了塑性混凝土防滲墻方案，解決了下游出現(xiàn)的陰濕區(qū)域問(wèn)題，運(yùn)行情況良好［14］。另外，內(nèi)蒙古的綽勒水電樞紐壩基防滲墻、廣西的風(fēng)亭和水庫(kù)主壩壩基防滲墻、湖北省隨州兩河口水庫(kù)大壩壩基防滲墻、山西省張峰水庫(kù)壩基防滲墻等都采用塑性混凝土防滲墻，并取得巨大的成功［15］。

3．3 病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固

建國(guó)后，我國(guó)修建了大量的土石壩，歷經(jīng)幾十年的運(yùn)行，如今大都進(jìn)入了“老齡化”階段，對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固已成為當(dāng)前水利行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。在處理涉及滲透破壞的大壩時(shí)，常用的方法有混凝土截水槽、劈裂灌漿、充填灌漿、帷幕灌漿、高壓噴射灌漿等。在這些灌漿法中，采用塑性混凝土灌漿技術(shù)既能滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗?jié)B性要求，又可以節(jié)約水泥及鋼筋用量，縮短工期，降低加固費(fèi)用。如浙江省長(zhǎng)潭水庫(kù)壩上游基礎(chǔ)加固、貴州省都勻市綠茵湖水庫(kù)大壩加固、湖北省蘄春大同水庫(kù)加固、山東日照水庫(kù)加固、甘肅省酒泉市五一水庫(kù)加固、江西省竹坑水庫(kù)加固、浙江省杭州市青山水庫(kù)加固、遼寧省大河水庫(kù)加固等一大批大中型水庫(kù)除險(xiǎn)加固都采用塑性混凝土壩體防滲加固技術(shù)，取得了良好的效益［15］。

此外，幾十年以來(lái)，塑性混凝土防滲技術(shù)不但在壩體、壩基防滲、險(xiǎn)壩除險(xiǎn)加固、施工圍堰、壩后擋土、隧洞出口、溢洪道下游防沖加固、堤壩防滲中普遍使用，而且在海港、碼頭、地下交通、高層建筑基礎(chǔ)工程中也得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）塑性混凝土具有強(qiáng)度低、彈性模量低、抗?jié)B性能好、工作性能好、便于施工等優(yōu)異性能。使用它澆筑防滲墻，不僅更好地適應(yīng)地基變形、滿足強(qiáng)度要求，還便于機(jī)械化施工，從而縮短工期，降低工程投資。

（2）水膠比、水泥用量、沙率、膨潤(rùn)土用量、黏土用量等因素是影響塑性混凝土物理力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)等）以及工作性能的關(guān)鍵因素。在進(jìn)行塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各種因素對(duì)塑性混凝土性能的影響規(guī)律，結(jié)合已有研究和實(shí)際應(yīng)用成果，配制適合工程需要的塑性混凝土。

（3）塑性混凝土以其優(yōu)越的性能，開(kāi)拓了廣泛的應(yīng)用空間，已經(jīng)在壩體壩基防滲、病險(xiǎn)土石壩除險(xiǎn)加固、施工圍堰防滲、提防防滲、人造水域防滲等水利工程和地下交通工程防滲、高層建筑地基防滲工程等領(lǐng)域廣泛使用，并取得巨大的成功。

（4）目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)專門針對(duì)塑性混凝土的試驗(yàn)規(guī)程和設(shè)計(jì)、施工規(guī)范。所以，應(yīng)進(jìn)一步更加系統(tǒng)地開(kāi)展塑性混凝土理論研究試驗(yàn)，收集、積累更多切合工程實(shí)際的塑性混凝土工程應(yīng)用成果，這是今后科研人員和工程技術(shù)人員的一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)。

［1］王天星．混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應(yīng)用研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

［2］秘金?。罎B墻混凝土力學(xué)性能及抗?jié)B性能研究［D］．楊陵：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013．

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[責(zé)任編輯 楊明慶]

TV431

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．005

2016-06-21

張亞坤（1983-），男，講師，河南寶豐人，主要從事高校水利專業(yè)教學(xué)與研究工作，研究方向?yàn)樗ば虏牧霞捌浣Y(jié)構(gòu)性能。