渗透结晶材料在大坝塑性混凝土防渗墙中的应用.pdf

水 力 发 电 第 3 8卷第2 期 2 0 1 2年2月 渗 透 结 晶材 料 在 大 坝 塑 性 混 凝 土 防 渗 墙 中 的 应 用 王 可 良，许 尚杰 ，程素珍 ( 山东水利科 学研 究院 ，山东济南 2 5 0 0 1 4 ) 摘 要 ：为研究渗 透结晶材料对塑性混凝 土渗 透系数的影响 ，采用抗渗试 验方 法 ，结合扫描 电子显微 ( S E M)和压 汞法 ( MI P )对 塑性混凝土 的微观结构进行 分析和 表征 。结 果表 明 ，渗透结 晶材料显 著降低 塑性混凝 土渗透 系数 ， 对混凝土弹性模量影响较小 。 关键词 ：混凝土 ；渗透结晶材料 ；渗透系数 ；微观结 构 Ap p l i c a t i o n o f P e r m e a t e d Cr y s t a l li n e M a t e r i a l s i n t h e Pl a s t i c Co n c r e t e Cu t o ff W a l l o f Da m Wa n g K e l i a n g ， X u S h a n g j i e ， C h e n g S u z h e n ( S h a n d o n g P r o v i n c i a l Wa t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， J i n a n 2 5 0 0 1 4 ， S h a n d o n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f p e r me a t e d c r y s t a l l i n e ma t e r i a l s o n t h e p e r me a F ； l i t y c o e f f i c i e n t o f p l a s t i c c o n c r e t e ， t h e mi c r o s t r u c t u r e o f p l a s t i c c o n c r e t e i s a n a l y z e d a n d c h a r a c t e r i z e d b y i mp e r me a b i l i t y t e s t me t h o d s c o mb i n i n g w i t h MI P a n d S E MT h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e r me a t e d c rys t a l l i n e ma t e r i als c a n s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e p e r me a b i l i t y c o e f f i c i e n t o f p l a s t i c c o n c r e t e ， wh i l e i t h a s l i t t l e e ff e c t o n e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e Ke y W o r d s ： c o n c r e t e ； p e rm e a t e d c rys t a l l i n e ma t e r i al； p e r me a b i l i t y c o e ff i c i e n t ； mi c r o s t r u c t u r e 中图分 类号 ： T U 5 2 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 2 8 0 3 0 引言 塑 性 混 凝 土 弹 性 模 量 较 低 ，极 限 变 形 大 弹 强 比及 渗 透 系数 较 小 ，能 克 服 常 规f 刚性 )混 凝 土 允 许 变 形小 、应 力 集 中等 缺 陷 ，适 用 于 大 坝丁 程 、大 坝 同 堰 工 程 、 大 坝 除 险 加 固 工 程 及 结 构 基 础 的 防 渗 体 。 目前 ，配 制 低 弹 性 混 凝 土 主要 采 用 掺 粘 土 、 膨 润 土 及 粉 煤 灰 等 方 法 ，以提 高 混 凝 土 的抗 渗 性 ， 改善 混 凝 土 的变 形 性 能 。 由于掺 有 较 多 的粘 土 和膨 润 土 ，塑性 混凝 土 的强 度 一般 较 低 ，弹 性模 量 能 够 满 足设 计 要求 但 渗 透系 数 的试验 结果 有 时不 理 想 。 冈此 ，研 究 具有 更 小 弹 性模 量 、更 低 渗 透 系数 的塑 性 混 凝 土 ，如 何 去 适 应 很 大变 形 并 满 足抗 渗 要 求 的 防渗墙 ，具有 重要 的理论 和应 用价 值 。 混 凝 土 渗 透 结 晶材 料 中含 有 的 活性 化 学 物 质 通 过 载 体 向混 凝 土 内部 渗 透 ，并 在 混 凝 土 中形 成 不 溶 于水 的结 晶体 ，填 塞 混 凝 土 中 的毛 细 孔 道及 宏 观 微 裂 缝 ，从 而使 混凝 土 致密 、 防水 J蜘 。利 用 渗透 结 晶材 料 的特 性 ，在 制备 塑性 混凝 土 中掺 加渗 透 结 晶材 料 ， 琶 l (I t P r r V o 1 3 8 2 以实 现塑 性 混凝 土更 低 的弹 性模 量 和更 高 的抗 渗 性 能 ，为解 决 坝 体 渗 漏 提供 一 种 高 性 能 的塑 性 混 凝 土 防 渗 墙 。 1 试验方法 1 1 试 验原 材料 及 配合 比 水 泥 ：普 通硅 酸 盐 P - O 4 2 5水 泥 ，山 东 中联 有 限公 司产 。 细集料 ：中粗砂 ，细度 模 数 2 6 ，山 东 青 州 产 。 粗 集 料 ：5 3 1 5 1 T i m 碎 石 ， 山东 青 州 产 。 外 加剂 ：引气减 水 剂 ( 粉体 ) ，济南 德 利 泰建 材 科 技 公 司 。 膨 润 土 ：山东 淄博 产 。 粘 土 ：山 东淄 博产 。 渗 透结 晶材 料 ： 自制 。 塑 性 混 凝 土 2 8 d渗 透 系 数 在 1 0 x1 0 c m s左 右 ，弹性 模 量 为 5 0 0 1 0 0 0 MP a 。试 验 所 用 配 合 比 见表 1 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 0 1 0 作者简介 ：王可 良( 1 9 7 2 一 ) ，男 ，山东梁 山人 ，工程 师 ，主要 从事水工混凝土研究工作 第 3 8 卷第 2 期 王可良， 等： 渗透结晶材料在大坝塑性混凝土防渗墙中的应用 表 1 塑性 混凝土配合 比 k g m 编号水泥 砂碎石 膨润 土 粘 土 渗 透结 晶材料 外加剂 水 1 2 抗 渗试 件制 备与 试验 方法 根 据 S L 3 5 2 - 2 0 0 6 水工 混 凝 土试 验 规 程 混 凝 土抗 渗 试 件按 配 合 比混合 后 成 型 ，放 人 标 准 养 护 室 中养 护 ，一天 后 脱 模 。养 护 至 规定 的龄 期 ，按 照 规 程 规定 测 试 ，记 录试 验 时 间 ，计 算 出混 凝 土 渗 透 系 数 。 1 3 试 验 结果 与讨 论 2 8 d龄 期 ， 塑 性 混 凝 土 的 渗 透 系 数 和 弹 性 模 量 试 验 结 果 见 表 2 。 表 2塑性混凝土性能试 验结果 由表 2可 以看 出 ，渗 透结 晶材 料 掺量 对 塑 性 混 凝 土 的 弹 性 模 量 影 响 较 小 。 掺 量 为 1 2 5 5 0 0 ， 塑 性 混 凝 土 的 弹 性 模 量 变 化 范 围 为 9 6 0 1 3 0 0 MP a 。 因此 ，渗透 结 晶材 料 对 塑性 混 凝 土 的 弹性 模 量 影 响 可 忽 略 。渗 透 结 晶材 料 掺 量 对 塑性 混凝 土 的渗 透 系 数 影 响 较 大 。渗 透结 晶材 料 的 掺量 增 加 ，渗透 系数 降低 。掺 量 为 ： 2 5 ，渗 透 系 数是 未 掺 透 结 晶材 料 的 1 6；掺量 为 5 o 0 ，渗 透系 数几 乎 是未 掺 透结 晶 材 料 的 1 1 2 。 2 微观结构表征 塑性 混 凝 土 的 渗透 系 数 与 硬化 水 泥 浆 体 的微 观 结构( 孔 隙率 、孔 分布 、水 化产 物等 )及 集料 一 硬化 水 泥浆 体 界 面结 构 等有 密切 的关 系 8 - 1 3 。 因此 采 用 扫 描 电 子 显 微( S E M) 和 压 汞 法( MI P )对 混 凝 土 的 微 观 结 构 进 行 测 试 分 析 ， 有 利 于 诠 释 混 凝 土 的 抗 渗 性 能 。 2 1 SE M 结构 与分 析 2 1 1 水 泥 水化 物 利 用 扫 描 电镜 研 究 混凝 土微 观 形 貌并 从 微 观 结 构层 次 上揭 示 材 料 的性 能 是研 究材 料 结 构 的 最基 本 方 法 。采 用 S E M 对 2 8 d龄 期 掺 加 渗 透 结 晶材 料 和 未掺 渗 透结 晶材 料 塑性 混 凝 土 内部 硬 化 水 泥浆 体 样 品 ，分别 放大 5 0 0倍 ，进行 微观形貌 观察( 见 图1 ) 。 由图 1可 以看 出 ，未 掺 渗 透结 晶材 料 的混 凝 土 一 一 a未掺渗透结 晶材料 b 掺加渗 透结晶材 料 图 1 28 d混凝 土 中水 泥水 化 物 SEM 内硬化 水 泥 浆 体 中裂 缝 宽 度大 而 且 较 多 ，裂 缝 基本 贯通 连 接 ，增 大 了混 凝 土 渗透 性 ；掺加 渗 透 结 晶材 料 的混 凝 土 内硬化 水 泥 浆 体 中裂 缝 少 ，水 化 产 物结 构致 密 。这 主要 是 因为 渗 透结 晶防水 材 料 的活性 物 质 和 Ca ( OH) ： 反 应 ，生 成 了 具 有 胶 凝 性 的 硅 酸 钙 ， 填 充 了微 裂 缝 的 空 隙 。 2 1 2混凝 土 界面过 渡 区 采 用 S EM 对 2 8 d龄 期 掺 加 渗 透 结 晶材 料 和未 加 渗透 结 晶 材 料混 凝 土 界 面过 渡 区结构 ，分 别 放 大 5 0倍 ，进行 微 观形貌 观 察 。见 图 2 。 一 一 a未掺渗透结晶材料 b掺加渗透结晶材料 图 2 2 8 d混 凝 土 界 面 过 渡 区 S E M 由图 2可 以看 出 ，未 掺 渗透 结 晶 防水 材 料 的混 凝 土 界 面 过 渡 区 有 大 量 的 空 隙 可 看 到 明 显 的 界 面 ， 结 构 缺 陷多 。掺有 渗 透 结 晶 防水 材 料 的混 凝 土 界 面 过 渡 区结 构 相 对致 密 。这 主要 是 因为 渗透 结 晶 防水 材 料 和 界 面 过 渡 区 富 集 的 Ca ( OH) ： 反 应 ，消 耗 掉 的 C a ( OH) 转 变 为 具 有 胶 凝 性 的 硅 酸 钙 ， 填 充 在 界 面 结 构缺 陷 的空 间 ，界 面 过 渡 区得 以改 善 。混 凝 土界 面过 渡 区是 混 凝 土最 薄 弱 的环 节 ，直 接影 响混 凝 土 的抗 渗性 能 。界 面过 渡 区缺 陷 明显 ，空 隙大 ，混 凝 土 贯通 能力 强 ，渗透 系数增 大 ，抗 渗性 能 明显 降低 。 掺 加 渗 透 结 晶 材 料 ，混 凝 土 界 面 过 渡 区 结 构 明 显 得 到 改 善 ，渗 透 系 数 减 小 。 2 2孔 结构 与分 析 混 凝 土 内 不 同孑 L 径 的 分 布 情 况 对 混 凝 土 性 能 有 着 决定性 影 响 。孔结 构一 般包 括孔 隙率 、孔 径 尺寸 、 孔 形貌 及 孑 L 分 布 等 。孔 结 构学 研 究 中把混 凝 土 的孔 径 分 为 大孔 、毛 细孔 、过 渡 孔 、凝 胶 孔 。吴 中伟 院 士 把 孔 径 小 于 2 0 H i l l的孑 L 称 为无 害 孔 ，2 0 1 0 0 n m 的 孔 称 为 少 害 孔 ， 孔 径 1 0 0 2 0 0 n m 的 孔 称 为 有 害 孔 ，孔径 大 于 2 0 0 n m 的孔称 为多 害孔 。少 害孔 多 的 混 凝 土 对混 凝 土 抗渗 性 能 是 有 利 的 ；形 状不 规 则 的 W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 2 圈 小 J 及吧 zU1 - q ： 同 大 孑 L 越 多 ，对 混 凝 土 的 抗 渗 性 、 耐 久 性 越 不 利 。 压 汞 试 验 的孔 径 分 布结 果 见 表 3和 图 3 。表 3中最 可 几孔 径 则 是 指在 图 3微 分 曲线 上 的峰 值 所对 应 的孔 径 ，即出现 几率 最大 的孑 L 径 。 表 3不同掺量渗透结晶材料混凝土的孔径分布 混凝 土 最可几 各孔径所 占比例 类型 孔径 n m 2 0 0 n m 量 血I1 一 g b 0 _二 删 一 譬 0 6 0 5 0 4 0 3 O2 0 1 O l 4 l 2 l 0 08 0 6 0 4 0 2 O 、 ， 、 I l l 1 0 1 0 1 o j 1 0 2 l 0 l 0 0 孔径 n m a未掺渗透结晶材料 孔 径 ri m b掺加渗透结晶材料 图 3混凝土的子 L 径分布 曲线 由 表 3可 以 看 出 渗 透 结 晶 防 水 材 料 对 塑 性 混 凝 土 的 孔 径 分 布 影 响 显 著 。 掺 加 渗 透 结 晶 材 料 混 凝 土 2 0 1 0 0 i l m 的 少 害孔 含 量 是 未掺 渗 透 结 晶材料 的 2倍 ；1 0 0 2 0 0 n m 的 有 害孔 含 量 基本 相 同 ；孔 径 大 于 2 0 0 n m 的多害 孔含 量 几乎是 未 掺渗 透结 晶防水材 料 混 凝 土 的 1 1 2。掺 加 渗 透 结 晶 材 料 混 凝 土 2 0 1 0 0 r i m 的 少 害 孔 明 显 增 多 ： 孑 L 径 大 于 2 0 0 lq m 的 多 害 孔 显 著 减 少 ，有 利 于 混 凝 土 的 抗 渗 性 能 。 在孑 L 径 分 布 微 分 曲线 中 ，最 可几 孔 径 代 表 混 凝 土 内 形 成 连 通 的 最 小 孑 L 径 ，最 可 几 孔 径 大 ，混 凝 土 贯 通 能 力 强 混 凝 土 抗 渗 性 能 差 。 从 图 3和 表 3中 可 以看 出 ，未 掺 渗透 结 晶 防水 材 料 的 混 凝土 最 可 几 孔 径 为 2 5 3 1 F i n，几 乎是 掺 渗 透 结 晶材 料 混 凝 土 的 2 5倍 。因此 。混 凝土 内部 贯通 能 力强 ，抗 渗 性能 降 低 渗 透 系数 增 大 。未 掺渗 透 结 晶防水 材料 的混 凝 土与 掺 有 渗透 结 晶 防水 材料 混 凝 土 的微 分 曲线 明显 不 同 。未 掺 渗透 结 晶防 水材 料 的混 凝 土 微 分 曲线 呈 波浪 形 分 布 ，孔 隙体 积 增 加 速 率变 化 较 大 ，各 级 孔 径 的孔 分 布 不 合 理 各 孔 径 贯 通衔 接 的概 率 大 ，影 响混 凝 土 抗 渗性 能 。掺 有 渗 透结 晶 防水 材 料 的混 凝 土微 分 曲线 比较 平 缓 ，变化 有 规 则 ，孑 L 隙体 积 增 加 速率 变 化 较小 。 因此 ，可 以推 断渗 透 结 晶 防水 材 料 的混 凝 土 内各 级 孔 径 的孔分 布 合 理 ，各孔 径 贯通 衔 接 的概率 小 ，混凝 土抗 渗 性能 提高 ，渗透 系数 减小 。 3 结论 掺 加渗 透 结 晶 材料 的塑 性 混 凝 土界 面 过 渡 区结 构 致 密 ， 少 害 孔 含 量 增 加 ，多 害 孔 含 量 减 少 ，最 可 几孔 径 降低 。渗 透 结 晶材料 有 利 于 提 高 塑性 混 凝 土 的抗 渗 性 能 ，降低 混 凝 土 渗透 系数 ，对 混 凝 土 弹性 模 量 影 响 较 小 。 参考文献 ： 1 何润芝 ，何 丽娟 确防渗墙 低弹塑性 混凝 土的试验研 究 与应用 J 混凝土 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 7 1 0 2 高丹盈 ，王四巍 ，宋帅奇 ，等 塑性 混凝土 单向受压应力一 应变 关 系的试验研究 J 水利学报 ，2 0 0 9，4 0 ( 1 ) ： 8 2 8 7 3 张昀青 ，武秀丽 ，张昀保 ，等 大坝防 心墙高性 能混凝 土的试 验研究 与应用 J 水利学报 ，2 0 0 4，3 5 ( 4 ) ： 1 - 4 4 王丹 ，张玉奇 ，曾昌洪 ，等 水 泥基渗透 结晶 型防水剂 的生 能 研 究及 微观分析 J 新型建筑材料 ，2 0 0 8 ( 2 ) ： 7 7 8 0 f 5 陈光耀 ，吴笑梅 ，樊粤 明 水 泥基渗透结 晶型 防水材料 的作 用 机 理分析 J 新型建筑材料 ，2 0 0 9 ( 8 ) ： 6 8 7 1 6 蒋正 武 ，唐家骅 水 泥及渗透结 晶型 防水 材料在 大坝 中的应 用 J 新型建筑材料 ，2 0 0 1 ( 8 ) ： 2 1 2 2 7 黄伟 ，王平 ，尹万云 ，等 渗 透结 晶型 裂缝 自愈合混 凝土 的抗 渗性能及其机理 J 混凝土 ，2 0 1 0 ( 8 ) ： 2 8 3 0 8 余安 明 ，水 中和 ，王树和 干燥 大温差 条件下 混凝土 界 面过 渡 区的研究 J _ 建筑材料学报 ，2 0 0 8，1 1 ( 4 ) ： 4 8 5 4 8 8 9 何小芳 ，缪 昌文 ，张云升 ，等 水 泥基材料 界面过 渡区结 构及 其性能的分析方法综述 J 混 凝土 ，2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 1 9 - 2 2 1 O Ga r b o c z i E J ， B e n t z D P A n a l y t i c a l f o r m u l a s f o r i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e p r o p e r t i e s J A d v a n c e d C h e mi c a l B a s e d Ma t e r i a l s , 1 9 9 7 ， 6 ( 3) ：9 9 1 0 8 1 1 P r o k o p s k i G ， Ha l b i n i a k J I n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i n e e n l e n t i o u s - ma t e r i a l s J 1 C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 5 7 9 5 8 3 1 2 C w i r z e n A，P e n t r a l a VA g g r e g a t e c e m e n t p a s t e t r a n s i t i o n z o n e p r o p e rti e s a f f e c t i n g t h e s a l t f r o s t d a ma g e o f h i g h - p e rfo r ma n c e c o n c r e t e J C o n c r e t e a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 5 ) ： 6 7 1 6 79 1 3 L e e ma n n A ， Mu n c h B ， G a s s e r P ， e t a 1 I n fl u e n c e o f c o m p a c t i o n o n t h e i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n g o n e a n d t h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e l J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h 。 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 4 2 5 1 4 3 3 f 1 4 李惠霞 ，管巧艳 ，张明恩 ，等 长龄期水工 构筑物混凝土抗 渗 性试验研究 J 人 民黄河 ，2 0 0 9 ，3 1 ( 8 ) ： 8 8 8 9 ( 责任 编辑杨健 ) 大力发展水电事业