塑性混凝土在水利防渗工程中的应用.pdf

第 3 9卷 第 1 0期 2 0 1 2年 1 O月 建筑技术开发 Bui l d i ng Te c hn i q u e De v e l o p me n t Vo 1 ． 39， No ． 1 0 0c t ． 2 01 2 塑性 混凝 土在水 利 防渗工程 中的应 用 钟从 高 ( 江 苏淮 阴水利建设 有 限公 司 ， 江 苏 淮安 2 2 3 0 0 0 ) [ 摘要 ] 塑性混凝土作为一种新型的混凝土材料 ， 可广泛 的应用 于各 种水利 工程 的防渗工程 中。从 塑性混凝 土 的材 料组成 出发 ， 给出了塑性 混凝 土配合 比设计 的主要注 意点 。简要介绍 了塑性混凝 土的基本特征 ， 并就塑性 混 凝 土防渗墙技术在 国内外 的应用及发展情况作 了简单 的介绍 和 比较 ， 提 出塑性混凝土 防渗墙技 术有待进 一 步 的研 究 。 [ 关键词 ] 塑性混凝土 ； 配合比设计 ； 特点 ； 防渗墙技术 【 中图分 类号 ] T U 5 2 8 ． 5 3 【 文献标 志码] B [ 文章编号] 1 0 0 1 — 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 1 0 — 0 0 2 7 — 0 3 在 水利 水 电 工程 中 ， 大 坝 防渗 工程 主要 采用 混 凝土防渗墙。刚开始的时候 ， 防渗墙材料主要是采 用常规的混凝土 ， 亦称刚性混凝土。经过多年的研 究 和实 践发 现 ， 刚性混 凝 土 防 渗墙 在 防渗 方 面存 在 很 多缺 陷 。由于 刚性 混凝 土的强 度大 、 弹性模量 大 ， 在外荷载的作用下， 变形小 ， 其应力应变关系与墙体 周 围的土体 变形 关 系存 在 着 较 大 的差 异 ， 因而 在 防 渗墙体 内产生大量地有害裂缝 ， 使墙体本身的防渗 性能 降低 。另外 ， 刚性混 凝 土 的强 度高 ， 对 于防渗墙 的拆 除重建 工程 相 当复 杂 ， 从 一 定 程度 上 限制 了施 工 的进 度 和提高 了施工 成本 ⋯ 。 塑性混凝土是一种以膨润土、 粘土等柔性掺合 材料 取代 普 通 混 凝 土 中大 部 分 水 泥 而 形 成 的低 弹 性 、 低 强度 的 防渗墙材 料 ， 塑性混 凝土是 一种 介 于土 与普 通混凝 土之 间 的柔 性 工程材 料 。 由于 塑性混 凝 土具 有很 低 的弹性 模 量 和 良好 的塑性 变 形 特 性 ， 能 与周 围地 基 围岩 协 调 变形 ， 另外 塑 性 混 凝 土不 仅 能 保证 足够 的力 学强度 ， 而且 抗渗 性尤 佳 ， 因而在水 利 水 电工程 中得 到 了广 泛 的应用 。 1 塑性 混凝土 的材 料组成 及配 合 比设计 1 ． 1 材 料组 成 1 ) 水 泥 水泥与水拌和形成水泥浆体 ， 其主要作用是把 砂 、 石骨 料胶 结成 为一个 整体 ， 经凝 结硬化 后形 成具 有 一定 强 度 的 塑性 混 凝 土 。水 泥 用 量 对 塑 性 混 凝 土 的强度有 着决 定 性 的影 响 ， 目前 己建 成 的塑 性 收稿 日期 ： 2 0 1 2—0 7—1 5 作者简介 ： 钟从高( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 江苏淮安人 ， 毕业 于扬州大学 ， 本科学 历 ， 工程师 ， 现从事水利工程建设工作 。 混 凝 土防渗 墙 中使用 的水 泥 有 矿渣 水 泥 、 粉 煤 灰 水 泥和普通水泥等 ， 水泥等级从 3 2 ． 5～ 5 2 ． 5不等。 2 ) 膨润 土 膨润 土是 一 种 特殊 的粘 土 ， 具有 吸水膨 胀 软 化 和失 水收缩 干裂 的 特 点 ， 其 矿物 成 分 以强 亲水 的 蒙 脱石 和伊 利石 为主 ， 膨 润 土 的微 观 结 构 实 际上 是 其 粘土 颗粒 组 合 排 列 而 成 的 结 构 特 征 。膨 润 土 细 颗粒 掺入 塑性混 凝 土 中硬 化 后 ， 会 形 成性 质不 同 的 有限单元体， 这些有些单元体可以看成含有许多缺 陷和 空 隙的相 非均 质 复 合材 料 ， 当塑 性 混凝 土受 到 外 力是 ， 这些 空隙 邮箱受 压变形 ， 这 就从 一定程 度延 缓 了应力 的增 长 ， 而增加 了变形 ， 当荷载 达到一 定值 后 ， 缺 陷和空 隙闭 合 ， 骨 料 开始 承 受 荷 载 ， 此 时塑 性 混凝 土还 并没 有被 破 坏 ， 这 就 是膨 润 土加 入后 增 大 塑性 混凝 土 的应变 变形性 能 的机理 。 3 ) 细骨料 塑 性混 凝 土 要求 细 骨 料 的细 度模 数 要适 中 ， 且 级 配 良好 。细度摸 数过 大虽 然能 提高塑 性混凝 土 的 强度 ， 但也容易出现泌水和离析现象。而如果用 细 度 摸数 过小 ， 则水 泥 用量 增 大 ， 因此 ， 配 制 塑 性混 凝 土时 ， 细骨料 宜选 用 中粗砂 。 4 ) 粗骨料 塑性 混凝 土 应 具有 较 大 的变 形 能 力 ， 又具 有 相 应 的强度 。因此 ， 粗 骨 料 的用 量 和 粒 径 大小 对 此 影 响较 大 。如果 粒 径 过大 ， 塑性 混 凝 土 的 强度 和 变 形 性能将会明显降低 ， 对于塑性混凝土 ， 粗骨料的粒径 一 般 在 5～2 O 1 T I 粒级 。粗 骨 料 的级 配应 符合 要求 ， 否则 会 影 响 塑 性 混 凝 土 拌 和 物 的 流 动 性 和 水 泥 用量 。 2 7 第 1 0期 钟从 高： 塑性混凝 土在水利 防渗工程 中的应用 第 3 9卷 5 ) 水 拌制塑性混凝土要求使用不含腐蚀性介质的洁 净的天然水 。拌和物的水灰 比较大时 ， 混凝土的和 易性和流动性较好 ， 但水的用量不宜过多， 否则坍落 度和 扩散度 将会 很大 而不 能满足设 计要 求 。 6 ) 外加 齐 0 为 了改 善塑 性 混凝 土 拌 和物 的 和易 性 ， 减少 水 泥用 量 ， 可 掺入 一定量 的外加 剂 ， ~ l, J J t l 剂 按使用 效果 分为 减水剂 、 引 气剂 ， 防渗剂 ， 促凝 剂等 。 。 。 1 ． 2配合 比设 计 1 ) 水胶 比 。水 胶 比是 塑 性 混 凝 土 配 合 比设 计 中一 个十分 重要 的参数 。与普通 混凝土 的水胶 比相 比 ， 塑 性混凝 土 的水胶 比一般 比较 大 ， 在 国 内塑性 混 凝土工程 中水胶 比的范围亦在一般在 0 ． 7～1 ． 3之 间 ， 而 国外 的更大 ， 甚至 能 达 到 2 ． 0 。影 响水胶 比 的 因素有 很多 ， 粘土 、 膨润 土 的用 量及 产地都 会对水 胶 比大小 产生影 响 。 2 ) 砂率 。砂 率 对 塑性 混 凝 土 的 弹 性 模 量 影 响 较 大 ， 同时对 塑性 混凝 土的用水 量 、 和易性 、 强度 、 造 价 均有 影 响。 因此在塑 性混凝 土 的配合 比设计 中应 考 虑砂 率这个 因素 。一 般情 况 下 ， 砂 率范 围咋 4 0 ％ ～ 6 0 ％ 之 间 ， 特殊情 况 下可达 到 1 0 0 ％ 。 3 ) 单 位用 水量 。 由于膨 润 土 的 加入 ， 增 加 塑 性 混凝土的单位用水量 ， 单位用水量不够容易导致塑 性混 凝 土工作 性 能 降低 ， 因素 塑性 混 凝 土 需要 很 大 的单 位 用水量 ， 通 常在 3 0 0 k g ／ m 左右 。 4 ) 水泥用量。与普通混凝土相 比， 塑性混凝土 的水 泥 用量大 大 降低 ， 由 于掺 入 的膨 润 土 、 粘 土 、 粉 煤 灰 等掺合 料也 具有 胶 凝 性 ， 因此 塑性 混 凝 土 的水 泥用 量可 降低一 半 ， 通 常情况 下 为 6 O～1 6 0 k g ／ m 之 间。 2塑 性混凝 土 的基本 特点 塑性 混凝 土 的拌和 物是 由水 泥 、 水 、 砂 、 石 、 膨润 土及一 定量 的外加 剂 ， 按一定 比例 配置而 成 的 ， 与普 通混 凝 土类似 ， 塑 性 混凝 土 系 由胶凝 材料 、 膨 润 土 、 外 加剂 和 水 等 多 元 材 料 复 合 而 成 。 因而 与 普 通 混 凝 土相 比 ， 具有 以下 优点 ： 1 ) 弹性模 量 低 。 由于 在 原 材上 ， 塑性 混 凝 土 中 加 入 的膨润 土 ， 这 就 极 大 的增 加 了 塑性 混 凝 土 的 塑 性 ， 降低了其弹性模量 ， 使其具有 良好 的变形能力 。 而且 对于绝 大 多数 的 土体 来 说 ， 都 可 以通 过 优 化 塑 性混凝土的配合 比， 设计出与土体弹性模量相近的 塑性 混凝 土防渗 墙 。 2 ) 抗 裂性 能 更 好 。 由于 塑 性 混 凝 土 具 有 较 低 28 的弹性模量 ， 因而与普 通混凝 土相 比 ， 其 极 限应变值 要大得多 ， 这使得塑性混凝土防渗墙具有更好的抗 裂 性 能 ， 而且 压应力 一般 不会 超过 1 b l P a ， 因而 与周 土体具 有 良好 的 变 形 协 调 能 力 ， 几 乎 不 产 生 变 形 裂缝 。 3 ) 具有 一定 的抗 压 强度 。一 般 情 况 下 ， 塑性 混 凝 土 的抗 压 强度 可 达 到 4 M P a ， 基 本 能满 足 普 通 防 渗 墙工 程 的需 要 。而 且 由于其 塑 性 条件 ， 在 三 向受 力 的情 况下 ， 塑性混 凝 土的强 度会得 到很 大 的提高 ， 也就是说随着周围土体压力的增大 ， 塑性混凝 土防 渗墙 的安 全 度 是 提 高 到 ， 而 不 会 因 为 受 压 而 遭 受 破 坏 。 4 ) 良好 的 抗 渗 性 。塑 性 混 凝 土 中掺 入 了大 量 的低透水 性材 料 ， 特 别是膨 润 土的掺 人 ， 不仅 的降低 了其弹性 模量 ， 更大 大 降 低 了塑 性 混 凝 土 的渗 透 系 数 ， 这对 于提 高防渗 墙 的抗 渗要求 具 有重要 的作 用 。 另 外 ， 如果 在 塑性混 凝土设 计 的时候 ， 掺人 一定 量 的 粉 煤灰 ， 由于粉煤灰 的二 次水 化作用 ， 将进 一步 降低 塑 性混凝 土 的渗透 系数 。 5 ) 良好 的 抗 震 性 。 由于 塑 性 混 凝 土 具 有 良好 的受力 变形 能力 ， 在地 震 的时候 塑性 混 凝 土 能够 吸 收更 多的振 动能量 ， 这极 大 的提高 了其抗震 能 力 。 6 ) 水 泥 用 量 少 。 塑 性 混 凝 土 的 水 泥 用 量 为 6 0～1 6 0 l , g ／ m ， 而普通混凝 土的水泥用量约 为 2 0 0～ 3 5 0 k g ／ m ， 由此可 见 ， 塑 性混 凝 土 的水 泥用 量 更 低 ， 大 大 降低 了其 工程 造 价 ， 这 也是 塑性 混 凝 土 能够 得 到 广泛应 用 的重要 原 因之 一 。 然 而塑 性 混凝 土 由于水 泥用 量 的减少 ， 这在 一 定 程度 上也带 来 了一些缺 陷 。如 ： 1 ) 抗 压 强度不 高 。与 普通 混 凝 土 相 比 ， 塑性 混 凝 土 的抗 压强 度要 低 得 多 ， 这 就容 易 让 人担 心将 塑 性 混凝 土应用 的超 高坝 防渗墙 上时其 抗压 强度 不能 满 足设计 要求 ， 这在 一 定 程 度上 限制 了塑性 混凝 土 在 超高 坝防渗 墙上 的应用 。 2 ) 耐 久性 差 。由于 水 泥用 量 的减少 ， 导致 了塑 性 混凝 土的 耐久性 降 低 ， 特 别是 当 由于 受 力 变形 产 生裂缝 时 ， 塑性混凝 土 防渗墙 的抗渗 性 、 稳 定性 及耐 久性会 迅速 下降 ， 最终 导致整 个 防渗体 系的破 坏 ， 这 就 限制 塑性 混凝 土在 恶 劣 地 质 环 境 下 的 工 程 中 的 应 用 。 3 塑性混 凝土 防渗墙 技术 的应用 在 国外 ， 第 一个 采 用 塑性 混凝 土作 为 防渗 墙 材 料 的是 ， 1 9 5 7年 意大利 的 阿亚 河水 电站 的 围堰 防 渗 工程 。 自 2 0世纪 6 0年代 以来 ， 国际 上 对 塑性 混凝 第 3 9卷 钟 从高 ： 塑性混凝土在水利防渗工程 中的应用 第 1 0期 土 进行 了相关 的研 究 工 作 ， 并成 功建 造 了一批 塑 性 混 凝土 防渗墙 工程 ， 主要 用 于坝基 和 土石 围堰 防 渗墙和病险坝防渗处理。塑性混凝土防渗墙技术在 很 多工程 实 践 中 ， 都 取得 了令 人满 意的成 果 。 在 国内 ， 塑性 混凝土 防渗墙技术 的研究 和工程 实 践起 步 比较晚 ， 为 了制备 弹性模量低 的防渗 墙墙体 材 料 ， 我国于 2 0世纪 8 0年 代初开 始对 塑性混凝 土进行 试验研究 。之后 ， 先后在 十三陵抽水 蓄能 电站尾水 围堰 、 册 田水 库南 副坝、 水 口水 电站 的主 围堰 、 小 浪底 水 利枢纽 上游 围堰 、 三峡 工程二期 围堰等工程 的防渗 工程中成功运用了塑性混凝土， 并取得了很好的效果。 经过 过 年 的研究 和 工 程 实践 ， 塑 性 混凝 土 防 渗 墙 技术 的应 用取得 了很 大 的进展 ， 由于地 理条 件 、 地 质条 件等 自然环 境 的不 同 ， 国 内外 已建 成 并 应 用 的 塑性混 凝土 防渗墙 的技 术 特 征也 有 所 不 同 ， 具 体 表 现如 表 1 所 示 。 表 1国内外塑性混凝土防渗墙技术特征对 比 ＼＼区域 参 ＼ 国 外 技 术 国 内 技 术 应用部 位 实心墙石坝及坝基防渗 坝基防渗或临时工程 深度 多为 4 0 m左右 ， 最深达 7 0 m 最深达 7 4 m 厚 度 0 ． 4—1 ． 2 m 0 ． 8 m左右 ， 最厚 l m 渗透 系数 1 0～ ～1 O～ c m／ s 1 0～ c m／ s ， 优于国外 弹性模 量 较小 ， 3 0 0 MP a左右 很小 ． 最小可达 2 0 0 MP a 水 泥用 量 低 于 1 0 0 k g ／ m 6 0—1 6 0 k s ／ m 4结论 塑性混 凝 土是近 些年来 迅速 发展 起来 的新 型混 凝 土 材料 ， 它 的性 能 特 点 主 要体 现 为具 有 较 高 的变 形性 能和较低 的弹性 模量及其较 高抗渗 性 ， 由于这些 优良的性能特征 ， 塑性混凝土在坝基垂直防渗、 病险 水 库加 固处理 、 堤 防 、 围堰 等水 利 水 电工程 中 已经 得 到 了广泛应 用 。然 而 ， 作 为 一种新 型 的材料 ， 关 于它 的组成、 结构及在不同环境或荷载作用下的性能表现 等方面还未得 到全面系统 的研究 ， 这极 大的 限制 了塑 性混凝土 防渗墙 技术应用 的发展 ， 不利 于充分 发挥其 突 出技术 与经 济优势 ， 进一步 的研 究还有待 于进 行 。 参考文献 [ 1 ] 汤俊杰． 塑性 混凝 土基 本性 能研究 [ D] ． 郑州 大学硕 士 学位论 文 ， 2 0 1 0 [ 2 ] 王萱子． 塑性混凝土防渗墙 的试 验研究 [ D] ． 南 昌大学建筑工 程 学院硕士学位论文 ， 2 0 0 5 [ 3 ] 胡瑜 明． 高性能塑性混凝 士的优化研究 [ D] ． 武汉 理工大学材 料 学院硕士学位论文 ， 2 0 0 5 [ 4 ] 金婉香 ， 章 晓桦． 掺 膨润 土塑性 混凝 土用于 防渗墙 的试 验研 究 [ J ] ． 浙江水利科技 ， 2 0 0 3， ( 1 ) ： 6 7— 6 8 [ 5 ] 李创 团． 风亭河水库主 坝塑性混凝 土防渗墙试验 研究 [ J ] ． 水 库 防渗 ， 1 9 9 9， 4 ( 5 ) ： 1 3—1 5 [ 6 ] 蔡顺德 ， 等． 光纤应变传感器监测塑性混凝土防渗心墙分 析[ J ] ． 三峡 大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 3， 5 ( 2 5 )： 3 9 5—3 9 9 [ 7 ] 殷昆婷 ， 等． 防渗墙塑性混凝 土原状样渗透特性试验 [ J ] ． 清 华大 学学报 ( 自然科学版) ， 1 9 9 8， 1 ( 3 8 ) ： 8 8—9 1 [ 8 ] 李家正 ， 王迪友 ， 杨华全． 塑性混凝土 配合 比设 计及试 验方法 探 讨 [ J ] ． 长江科学院院报 ， 2 0 0 2， 1 9 ( 4) ： 5 8—6 1 [ 9 ] 袁润章． 胶凝材料学 [ M] ． 武汉 ： 武汉工业大学出版社( 第二版 ) ， 1 9 96， 1 0 ( 1 O ] 冯霞芳． 防渗墙新型墙体 材料塑性混 凝土 [ J ] ． 水 利水 电技术 ， 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