塑性混凝土抗渗性能的研究.pdf

2 0 1 0 年 第 2 期 (总 第2 4 4 期 ) Nu mb e r 2 in 20 1 0( To t a l No 2 4 4) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 2 0 0 1 塑性混凝土抗渗性能的研究 张雷顺 ，汤俊杰 ，杨 明林 ( 郑卅I 大学 水利与环境学 院，河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 采用水工混凝土抗渗仪法对塑性混凝土的渗透性能进行研究， 分析了水胶比、 粉煤灰用量、 膨润土用量、 水泥用量、 砂率等对渗 透性能的影响 。 结果表明 ： 水胶比 、 膨润土掺量 、 水泥用量是影响塑性混凝土抗渗性能的主要因素 ， 同时适量掺入粉煤灰能有效地提 高塑性 混凝土抗渗性能 。 关键词 ： 塑性混凝土 ；抗渗性 ；粉煤灰 ；配合 比 中图分类号 ： TU 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 2 0 0 0 1 0 3 Res e ar c h on i mper mea bi l it y of pl a s t i c c onc r e t e Z H ANGL e i s h u n T A NGJ u n -j i e Y AN GMi n g J 抽 ( Co l l e g eo fWa t e rCo n s e r v a n c ya ndEn v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g， Z h e n g z h o uUn i v e r s i t y， Zh e n g z h o u4 5 0 0 0 2， Ch i n a) Abs t r ac t ： Th e imp e r me a b i l i t y o fp l a s t i c c o n c r e t e i s a n a l y z e d i n t hi s e x p e r i me nt a l t e s t b a s e d o n h y d r a u l i c s t r uc t ue r c o n c r e t e p e r me a b i l i t y i n s t r u me n t me t h o d I n t h i s p a p e r ， t he i n f l u e n c e s o n the i mp e r me a b i l i ty o f p l a s t ic c o n c r e t e b y the f a c t o r s a b o u t wa t e r bi n d e r r a t i o， a mo u n t o ffl y a s h， be n t o n i t e c o ns ump t i o n， c e m e n t c o n t e n t ， s a nd r a t i o wa s s t u d i e d r e s p e c t i v e l yI t i s s h o wn t h a t t h e wa t e r b i n d e r r a t i o， b e n t o ni t e c o n s u mp t i o n a n d c e me n t c o n t e n t a r e t h e ma j o r i n fl u e n c in g f a c t o r s t o t h e i mp e r me a b i l i ty o f p l a s t i c c o n c r e t e ， a n d the p e r f o rm a n c e o f w h i c h i s i mp r o v e d e f f e c t i v e l y b y t h e a d q u a t e i n p u t o f fly a s h Ke y wor ds ： p l a s t i c c o n c r e t e； i mp e rm e a bi l i ty； fly a s h； mi x p r o po r t i o n ( ) 引 言 K H - 型高效减水剂。 塑性混凝土是最近十余年发展起来的一种新型柔性防渗 墙墙体材料， 它是以膨润土 、 黏土等掺合料取代普通混凝土 ， 是 部分水 泥而形 成的一种介 于土 与普 通混凝 土之 间的柔性 工程 材料 。与 刚性混凝 土相 比， 具有 弹性模 量低 、 极 限应变大 、 弹强 比小 、 适应变形能力强等特点 ； 克服了刚性混凝土允许变形小 、 应 力集 中 、 易产生裂缝 的缺 陷 ， 很适 合于水 利工程 中大坝基 础 的防渗材料及堤防防渗加 固的连续墙 。由于掺入较多低透水性 的材料 ， 在水泥用量很小的情况下仍有 良好的抗渗性。 针对塑性混凝土在配合比设计上的特点， 采用外掺膨润土、 粉煤灰 ， 对不同水胶比、 不同膨润土掺量 、 不同粉煤灰掺量 、 不 同水泥用量和不 同砂率 的塑性混凝土进行试验 ， 研究各种 参数 对塑性混凝土性 能的影 响。抗渗性是塑性混凝土的一项重要技 术性能 ， 加 强对塑性 混凝土抗 渗性能 的试验研 究 ， 将 会对 实际 T程 中塑性混凝土的配合比设计 及施 工有重要 的指导意义 。 1 试验 原材料 ( 1 ) 试验所用水泥采用郑州金龙公司生产的 P 0 4 2 5级 水泥 。 ( 2 ) 掺合料采用河南信阳广运膨润土公司生产的钙基膨润 土 ， 郑州新力热 电厂 的 I 级粉煤灰 。 ( 3 ) 砂为天然河砂 ， 细度模数 为 2 9 ， 属 中砂 。 ( 4 ) 粗骨料为 5 2 0 i1 L r n的连续级配碎石 。 ( 5 ) 外加剂选用河南建苑混凝土外加剂有限公司生产的 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 O - 1 6 2 蛰 陛混凝 土抗 渗性 能的评 价指标 目前， 我国对普通混凝土抗渗性能评定的指标采用抗渗等 级。此方法虽简单直观， 但是塑性混凝土的抗渗性要远低于普 通混凝 土 ， 如果对 塑性混凝 土也采用抗 渗等级评 定指标 ， 则抗 渗等级不能准确地反映塑性混凝土的实际抗渗能力。 本次试验 采 用相 对渗透 系数评定塑性混凝土 的抗渗性能。 2 1 塑性混凝土相对渗透系数 的测定 依据水工混凝土试验规程， 本试验仪器用Z K S B X型微机控 制高精度抗渗仪， 采用一次加压法测定。取上口直径为 1 7 5 l n n l ， 下口直径为 1 8 5mm， 高为 1 5 0 mn l 的圆台形试块， 1 组 6 个。试 件拆模后 ， 用钢丝刷刷去两端面的水 泥浆膜 ， 然后送 人养 护室养 护。试样 圆台达到 2 8 d龄期后从养护室取 出试件并将侧 面清擦 干净 ， 然后在圆台侧 面用三角刀均匀地刮涂一层厚约 1 - 2 ml -f l 密 封材料( 水泥加黄油， 其用量比为 2 5 ： 1 3 ： 1 ) 。套上试模套筒安装 于抗渗仪上。由于塑性混凝土与普通混凝土不同， 结合以往的试 验经验 ， 本次试验将抗渗仪水压力一次加到 0 4 MP a ， 同时开始 记录时间， 在此压力下恒压 1 2 h ， 然后卸压， 从试模套筒中取出试 件， 用压力机将试件劈开， 量出平均渗水高度。如果在恒压过程 中有试件端面出现渗水 ， 即停止试验 ， 并记下时间， 此时试件渗 水高度即为试件的高度 1 5 c m。相对渗透系数的计算公式为： K： ( 1 ) 2x3 6 0 0TH 式中： K 相对渗透系数， c m s ； 平均渗水高度， c m； 日 水压力， 以水柱高度表示， c m； H亘 压时间 ， h ； 一 塑性混凝土的吸水率 。 2 2 塑性 混凝 土吸 水率 的测定 测试吸水率的试件采用 1 0 0 mm的立方体试块， 1 组 3 块， 将 达到2 8 d龄期后的试件， 从养护室取出， 在 1 0 1 型电热鼓风干燥 箱内进行干燥， 干燥温度为 1 0 0， 干燥时间为 l 5 h ， 在干燥容器 中冷却至常温后， 在电子称上称出其干燥状态下的质量 然后 将试块在 C XK型陶瓷真空装置中进行抽气、 浸泡。浸泡 5 h达到 饱和后 ， 将试件取出， 用拧干的湿布迅速擦掉试件表面的水 ， 称出 试件吸水后的质量 。则吸水率 O 的计算式为： 丝 1 0 0 ( 2 ) Ah 试验结果取 3个试件吸水率的平均值作为该组塑性混凝 土的吸水率 。 3塑性混凝 土的配合 比设计 塑性混凝土配合比设计是指混凝土各组成材料数量之间 的比例关系。混凝土常用的表示方法有两种： 一种是以 1 m3 混 凝土中各组成材料的质量表示； 另一种方法是以各项材料相互 间的质量比( 常以水泥质量为 1 ) 来表示。由于塑性混凝土材料 的特殊性， 本试验的配合比设计采取前者。既假定塑性混凝土 的表观密度为 2 1 0 0k g m3 ， 根据水胶比、 砂率 ， 各种材料的掺量 确定各组分的用量。配合比设计中最重要的是确定水胶比的 值。 塑性混凝土的水胶 比一般较大 ， 常取用范围为 0 7 1 3 ， 本试 度 1 8 2 4 c r i l 。通过进行试配最终确定水胶比、 砂率及各材料的掺 量。为了增加试验的对比效果， 每个变化因子取 5 个水平， 每组 浇筑 3 个 1 5 0 m m 的立方体抗压试块， 6 个上口直径为 1 7 5 n n 、 下口直径为 1 8 5 tu r n 、 高为 1 5 0 1 1 1 1 1 1 的圆台形抗渗试块。 经过试配： 水胶比最优为0 9 ， 由于膨润土、 粉煤灰吸水率大， 在这两组中取水 胶比0 9 3 ； 砂率在5 0 7 0 内和易性好， 为计算和试验方便， 在水 胶比一组取 6 0 ， 膨润土、 粉煤灰、 水泥三组中取 5 O ； 根据抗压 强度、 扩展度 、 坍落度等条件， 膨润土掺量取 4 0 , ,-6 0 、 粉煤灰 掺量取 1 4 0 0 ,- 3 0 、 水泥掺量取 2 8 0 。 4 塑性混凝土抗渗性能试验结果与分析 4 1 水胶 比对塑性混凝土抗渗性能的影响 塑性混凝土的水胶比指水与细料总和( 水泥 、 膨润土 、 黏土、 粉煤灰等) 之比。它是塑性混凝土配合比设计的一个重要参数， 也是影响塑性混凝土抗渗性的重要因素。作为控制用水量的指 标， 因为塑性混凝土中掺人了吸水量大的材料， 相比普通混凝 土， 塑性混凝土的用水量十分大， 因此水胶比也就很高。较高的 水胶比能保证塑性混凝土的弹性模量低， 和易性较好 ， 但水胶 比过大， 自由水太多， 在塑性混凝土硬化过程中， 形成的内部胶 凝产物结构不能均匀连接， 则不仅强度无法保证， 同时自由水 在硬化过程中逐渐蒸发出来， 使塑性混凝土内部形成孔隙， 降低 了其抗渗性。当水胶比过小 ， 塑性混凝土拌合物工作性差， 不利 于拌和与浇捣。本试验结合工程经验和试配， 采用表 l 的方案。 由于本试验中采用了大掺量的膨润土 ，在合适的水胶比范围 内， 随着水胶 比的增大 ， 膨 润土的水化反应也就越充分 ， 填充混 凝土内部的孑 L 隙， 可以使塑性混凝土更密实， 材料的抗渗性能 验根据设定的要求： 抗压强度 2 5 M P a ； 扩展度 3 0 - - 4 0 c m； 坍落 也就越好， 相对渗透系数逐渐减小， 见表 1 。 表 1 不同水胶比下 。 塑性混凝土的相对渗透系数对 比 4 2 膨润土对塑性混凝土抗渗性能的影响 膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分， 属于含少量碱金属和 碱土金属的水铝硅酸盐矿物， 颗粒极细 ， 膨润土具有很强的吸 湿性， 能吸附相当于自身体积 8 2 0 倍的水而膨胀至 3 0 倍 ； 在水 介质中能分散呈胶体悬浮液， 并具有一定的黏滞性 、 触变性和 润滑性， 它和泥砂等的掺合物具有可塑性和黏结性 ， 有较强的 构清晰， 水泥的水化产物针状钙矾石与蒙脱石较好地结合在一 起 ， 甚至穿层而过， 因此蒙脱石层状结构的剥离能有效地填充 水泥水化过程中形成的孔隙， 形成更加致密的结构， 能够提高 塑性混凝土的抗渗性能。同时未充分水化的膨润土颗粒亦能堵 塞水泥颗粒及其水化产物间的部分孑 L 隙， 增强了塑性混凝 土的 抗渗性能。由表中可以看出随着膨润土含量增加， 塑性混凝土 阳离子交换能力和吸附能力。膨润土水化后， 蒙脱石的层状结 的抗渗性能增强， 其相对抗渗系数逐渐减小， 见表 2 。 、 表 2 不 同膨润土掺量 下。 塑性混凝土的相对渗透 系数对比 4 3 粉煤灰对塑性混凝土抗渗性能的影响 粉煤灰是从燃煤电厂的排放物中收集而得 ， 由大量球状 玻璃珠和少量莫来石 、 石英等结 晶物质组成 ， 颗粒极细， 其粒 径通常为 0 5 - 3 0 0 ， 比表面积为 0 2 5 ,- 0 7 c m2 g ， 密度一般为 1 7 7 2 4 3 g ， c m ， 松散密度为 5 1 6 - 1 0 7 0 k g m 。粉煤灰中大量 2 的球状玻璃珠在混凝土拌合物中起独特的“ 滚珠轴承” 和“ 解 絮” 扩散作用 ， 可 以有效地分散水泥颗粒 ， 使粉煤灰颗粒与水泥 浆体的界面胶合， 对水泥浆体和骨料的界面起填充致密作用。同 时粉煤灰颗粒极细且具有惰性 ， 可以作为集料系统全级配部分 补充级配， 有效改善塑性混凝土的和易性和保水性 ， 提高塑性 混凝土 的密实度 和耐久性 ， 且粉煤灰能有效 削弱塑性混凝 土中 在塑性混凝土中掺人粉煤灰是有利于抗渗 的。由表 中可 以看出 的碱集料反应， 减少塑 混凝土受到侵蚀。基于上述的各种作用， 随着粉煤灰含量的增加， 塑性混凝土的抗渗眭能越好， 见表 3 。 表 3不 同粉煤灰掺量下 ， 塑性混凝土的相对渗透 系数对比 4 4 砂率对塑性混凝土抗渗性能的影响 砂率是指拌合物中砂的质量占砂和石总质量的百分率。塑 性混凝土 的砂牢都很高 ， 一般 为 4 0 6 0 。砂率对塑性混凝土 的和易性影 响非常明显 。水 泥砂浆能够包裹粗 骨料的表面 ， 并 能充满粗骨料之 间的孑 L 隙 ， 因此能减少 混凝 土硬化后 内部 沿粗 骨料表面形成 的细 微孑 L 隙。随着砂率 的增大 ， 水泥砂浆与粗 骨 料的黏结面减小 ， 集料之问的胶结力下降。同时因为粗骨料的 减少使得水 泥 、 膨润土和水用量过大在塑性混凝 土硬化过程 中 出现不 均匀 收缩 ， 则 增加 了塑性混凝土 内部 的毛 细孑 L ， 反而不 利于塑性混凝土的抗渗性 ， 由表 4可知， 随着砂率的增加 ， 塑性 混凝土的相对渗透系数增 大 ， 但是增大 的幅度相 比其他 影响因 素较小 。 表 4不同砂率下 。 塑性混凝土的相对渗透系数对比 4 5 水泥用量对塑性混凝土抗渗性能的影响 水泥水化反应后 的产物本 身就是一种防水材料 ， 水泥用量 的多少直接关系到水化产物 的多 少 ， 既直接关 系到塑性混凝土 的抗渗性能。同时由于水泥与膨润土、 粉煤灰形成的浆体将包 裹在砂子表面 ， 当水泥用量过 1 t ， 浆 体量小 ， 不 能充 分的包裹 少 ， 从 而降低 了拌 合物 的黏 结力 ， 导致抗 渗能力 降低 ； 反之 ， 当 水泥用量过大 ， 水泥进行水化反应硬化后会 不匀质收缩 ， 容易 使水泥石 内部形 成毛细管通道或粗大孔 隙， 不利于塑性混凝 土 的抗渗 。在综 合考虑造价 ， 强 度等方 面因素后合适的水泥用量 范 围内 ， 随着水 泥用量 的增 加 ， 塑性混凝 土 的相对 渗透系数减 砂子 ， 容 易造成 塑性混 凝土 不密 实 ， 同时水 泥量少 ， 水化 产物 小 ， 抗 渗性增加 ， 见表 5 。 表 5不同水 泥用量 下。 塑性 混凝土的相对渗 透系数对 比 5结 论 综合以上分析， 得出如下结论： ( 1 ) 试验结果表明水胶比、 膨润土掺量 、 水泥用量是影响塑 性混凝土抗渗性能的主要因素 ， 亦是本试验重点考虑的因素 。特 别在膨润土掺量大的时候， 水胶比值也较大， 需经过多次试配结 合和易性才能确定最适水胶 比， 本次试验的最优水胶比为 0 9 。 ( 2 ) 砂率 对抗渗性 能的影 响相对较 小 ， 但 对塑性 混凝 土的 和易性影响较大 ， 本试验 的最优砂率在 5 0 7 0 。 ( 3 ) 粉煤灰对塑性混凝土的抗渗性能虽不如水胶比、 水泥用 量、 膨润土掺量明显， 但掺人粉煤灰后使浆体更细、 更均匀， 减小混 凝土的收缩 ， 进一步降低混凝土的孑 L 隙， 提高混凝土的抗渗性。 从表 中可 以看出塑性混凝土的相对抗渗 系数 为 1 0 1 0 。 。 c m s ， 取得很好的抗渗效果 。 参考文献 ： 1 D IJ T 5 l 5 0 2 O O 1 ， 水工混凝土试验规程 s 【 2 J2 张鹏 ， 李清富 塑性混凝土抗渗性能试验研究f J J l 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 4 ) ： 4 8 5 1 3 肖树斌 塑,K r i 昆 凝土防渗墙的抗渗性和耐久性l J 1水力发电， 1 9 9 9 ( 1 1 ) ： 2 4 -2 7 4 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 J 长江 科学院 院报 ， 2 0 0 2， 1 9 ( 4 )： 5 8 6 1 【 5 】季小兵 ， 王志坚 ， 魏光辉 掺粉煤灰塑性混凝土配制技术研究 J I_ 人民 黄河 ， 2 0 0 9， 3 1 ( 3 ) ： 8 9 9 0 6 冯 丽膨润土在塑性混凝土防渗墙中的应 用【J 1 工程技术与管理 ， 2 0 0 6 ( 3 5 ) 7 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 作者简介 单位 地址 联系电话 张雷 1N ( 1 9 5 o 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要研究方向为钢 筋混凝土有限元分析及结构加 固修补。 河南省 l J) ll l市文化路 9 7 号 1 0 1 1 1 大学水利与环境学院研 究生公寓一号楼( 4 5 0 0 0 2 ) 1 3 7 33 8 58 9 O 5 3