（水利水电工程专业论文）塑性混凝土防渗墙的试验研究.pdf

摘要 自从1 9 5 7 年意大利阿亚水电站运用塑性混凝土作为防渗墙体材料以来，至 今在世界各地塑性混凝土防渗墙得到了非常广泛的应用。与刚性混凝土相比，塑 性混凝土具有初始弹模低，极限应变大，能适应较大变形，有利于改善防渗墙体 的应力状态等特点：同时它能节省水泥，降低工程造价；另外，它还能就地取材， 便于施工。因此它在我国水利工程中也有很广泛的应用。 本文采用对比试验的方法，即改变某两种材料的用量，而其他的材料用量基 本不变，这样能很清楚的反映各种材料用量变化对塑性混凝土性能的影响。本次 试验主要研究了塑性混凝土的和易性、抗压强度、变形模量、抗渗性能等，另外 还探讨了塑性混凝土的耐久性，得出了这些性能的变化规律，这对于实际工程具 有理论指导意义。 关键词：塑性混凝土和易性抗压强度变形模量抗渗性能耐久性 a b s t r a c t s i n c ea j ah y d r o e l e c t r i cs t a t i o no fi t a l i a nu s e dp l a s t i cc o n c r e t ea st h em a t e r i a lo f i m p e r v i o u sw a l li n1 9 5 7 ，n o wp l a s t i cc o n c r e t ea n t i - p e r m e a t ew a l lg e tt h ev e r y e x t e n s i v ea p p l i c a t i o nl o c a t i o n si nt h ew o r l d w i d e c o m p a r e dw i t hr i g i d i t yc o n c r e t e p l a s t i cc o n c r e t eh a st h el o w e rb e g i n n i n ge l a s t i c i t ym o d u l u sa n dt h eb i g g e re x t r e m e l i m i ts t r a i n ，s oi tc a na d a p tt ot h eb i g g e rt r a n s f o r m i n g ，i ti sg o o d 的a m e l i o r a t i v et h e s t r e s ss t a t i o ni nt h ei m p e r v i o u sw a l l ；i tc a ns a v et h ec e m e n ta n dr e d u c et h ep r i c eo f e n g i n e e r i n gb u i l da tt h es a m et i m e ；m o r e o v e r , i tc a ns t i l lg e tn e c e s s a r ym a t e r i a ll o c a l l y ， a n db ec o n s t r u c t e de a s i l y s oi ti su s e de x t e n s i v e l yi nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n go fo u r c o u n t r yt o o i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra d o p t e dt h em e t h o do fc o n t r a s te x p e r i m e n t ，t h a ti s ， c h a n g e st h ed o s a g eo f t w ok i n d so fm a t e r i a l s ，b u tt h eo t h e rm a t e r i a l sd o s a g ei sb a s i c c o n s t a n t ，f r o mt h i sw a yt h ec h a n g i n go fe v e r yk i n do fm a t e r i a l sd o s a g et ot h e i r d l u e n c i n go ft h ep l a s t i c c o n c r e t ef u n c t i o nc a nb er e f l e c t e d c l e a r l y i nt h i s e x p e r i m e n t s t h ea u t h o rs t u d i e dt h ep l a s t i cc o n c r e t ep r i m a r i l y 硒也t h em o b i l i t y , a n t i - p r e s ss t r e n g t h ，d e f o r m a t i o nm o d u l u s ，a n t i p e r m e a t ef u n c t i o ne t c ，a n da l s o i n q u i r e di n t ot h ed u r a b i l i t yo ft h ep l a s t i cc o n c r e t e ，g o tav a r i e t yf o rt h e s ef u n c t i o n s r e g u l a t i o n ，i th a dt h et h e o r i e s m e a n i n gi ng u i d i n gt h ea c t u a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：p l a s t i cc o n c r e t e ；m o b i l i t y ；a n t i - p r e s ss t r e n g t h d e f o r m a t i o nm o d u l u s a n t i - p e r m e a t ef u n c t i o nd u r a b i l i t y n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盎董苤壁或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：玉犰 签字日期：o r 年，月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解杰堡苤壁 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文搜查阅和 借阅。本人授权 查量苤堡 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王珏 导师签名： 签字日期： 够年6 月旷日 签字日期： o 弘6 月力日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话； 邮编： 南昌大学硕士论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的工程背景 经过将近5 0 年的长期试验研究和工程实践，刚性混凝土防渗墙已经在各种 建筑工程中发挥了重要作用，在国内外都得到了广泛的应用，但也发现某些情况 ( 例如高土石坝或深覆盖层) 下刚性混凝土存在不少缺点，其中最主要的就是弹 性模量太高，极限应变太小。目前刚性混凝土的弹性模量一般都在( 2 0 0 , - - 3 0 0 ) 万n e r a 2 以上 2 7 1 ，比周围地基高出几百甚至上千倍，在上部荷载作用下，防渗墙 顶部和周围地层的沉降差和变形往往很大( 加拿大马尼克3 号坝此值高达 1 ，4 - 1 6 m ) 使防渗墙受到额外的巨大垂直压力和侧摩阻力，致使墙体内部的实际 应力值有时会大大超过混凝土允许抗拉强度，墙体的实际应变也超过混凝土的极 限应变。从而导致刚性混凝土内部产生裂缝甚至被压碎，防渗效果大为降低【l 。 在刚性混凝土中掺入粘土，就会降低它的强度和弹性模量，使其变形能力大 为增加。意大利阿亚电站围堰的塑性混凝土防渗墙就是一种尝试，我国 1 9 5 8 1 9 5 9 年引进和开发防渗墙技术的时候，也提出了使用粘士混凝土新材料。 当时虽然想通过掺入粘土来降低混凝土的强度( 特别是早期强度) ，但是主要出 发点是在于改善用冲击钻机打接头孔的施工难度。它的弹性模量约为( 1 7 0 - - 2 0 0 ) 万n c m 2 ，比1 0 0 号普通混凝土的弹性模量低不了多少，所以它仍然属于刚性混 凝土范畴之内。 而塑性混凝土的应用才使得这个工程难题真正得到了解决，塑性混凝土就是 大大减少了水泥的用量，大大增加粘土和膨润土用量的粘土混凝土。由于塑性混 凝土良好的力学特性，能有效改善防渗墙的运行条件，因而它具有刚性混凝土不 可比拟的优点。 1 2 塑性混凝土目前的应用状况 世界上第一个采用塑性混凝土做为防渗墙体材料的是意大利于1 9 5 7 年在纳 尔尼地区的阿亚( a j a ) 河水电站前池工程中建成的围堰防渗墙。由于塑性混凝 土具有良好的力学特性，大大改善了防渗墙的运行条件，因而从6 0 年代末开始 南昌太学硕士论文 在国内外得到了广泛的应用。其中最有名的是1 9 6 8 年用塑性混凝土防渗墙成功 地治理了英国巴尔德赫德土坝心墙的渗漏问题。智利建成的塑性混凝土防渗墙也 是比较多的，并且在坝高达1 1 6 m 的科尔文( c o l b u n ) 土坝下面建造了深达6 8 米 的塑性混凝土防渗墙。 我国第一道塑性混凝土防渗墙是1 9 8 9 年1 1 月完工的北京十三陵蓄能电站进 出口围堰防渗墙，此后又于1 9 9 1 1 9 9 2 年修建了总面积约为4 3 万m 2 的永久性 下池围堤防渗墙。水口水电站上下游围堰、山西册田水库副坝和隔河岩水电站围 堰也都使用了塑性混凝土防渗墙。1 9 9 7 1 9 9 8 年又建成了三峡二期围堰塑性混凝 土防渗强，总面积约8 万m 2 ，最深7 4 m 。初步估测全国已建成塑性混凝土防渗 墙的总面积已经超过了1 5 万m 2 【l | 。 1 3 塑性混凝土的基本性能 近年来，国内外各工程部门对塑性混凝土作了一定程度的研究，对其一些基 本性能已有了较系统的认识。 塑性混凝土( 简写为c b c ) 是一种水泥用量很少的粘土混凝土。与普通混凝 土相比，它具有初始弹模低，极限应变大，能适应较大变形2 0 】【2 “。有利于改善 防渗墙体的应力状态：能节省水泥，降低工程造价。另外，它还能就地取材，便 于施工。同时，它仍具有必要的强度和抗渗性。总体说来，塑性混凝土用于防渗 墙具有以下几个方面的优点： 1 水泥用量少。塑性混凝土水泥用量少，每立方米塑性混凝土水泥用量为 6 0 k g - 1 6 0 k g ，与刚性混凝土相比可节约水泥2 0 0 k g m 3 - 3 0 0 k g m 3 。仅从经济角度 而言，采用塑性混凝土防渗墙是非常有益的。这是塑性混凝土能广泛应用的重要 保证【l l j 。 2 具有一定的抗压强度。根据相关文献，塑性混凝士的抗压强度能达到 i 4 m p a ，完全能满足作为防渗墙所必须的强度。另外，塑性混凝土的后期强度 增长也是较快的。 3 具有极好的变形性能。由于塑性混凝土的弹性模量与周围士体的弹性模 量很接近，这就决定了它具有很好的变形性能，能适应较大变形而不至于在墙体 内部产生很大的应力。这也是塑性混凝士防渗墙优于刚性混凝土防渗墙最重要的 南昌大学硕士论文 方面【7 1 。 4 。具有良好的抗渗性能。作为防渗材料必须具有良好的抗渗性能，塑性混 凝土的渗透系数很低，一般在1 0 乙1 0 母c m s 之间，和剐性混凝土的抗渗性能相近 甚至优于刚性混凝土的抗渗性能。从防渗角度来讲能满足各种规模土石坝工程基 础防渗墙的要求【1 i 】【”。 5 关于抗冻性和耐久性。由于塑性混凝土作为防渗材料在土体内部，因而 一般不会受冻融、干湿交替和收缩膨胀的不利影响，因而其抗冻性和耐久性能得 到较好的保证。 6 能就地取材和便于施工。塑性混凝土的各种组成材料都是常见的建筑材 料，在我国各地均有广泛的分布，这就为塑性混凝土防渗墙的便利施工提供了保 证 9 】o 另外，塑性混凝土用于防渗墙工程还有两个比较明显的缺点： 1 、从抗压强度方面来看，塑性混凝土的抗压强度要比刚性混凝土低很多， 这就使得人们担心在高坝深墙中它的抗压强度不能满足要求，这就限制了它在高 坝深墙中的应用。 2 、由于塑性混凝土的水泥用量比刚性混凝士要小很多，一旦产生裂缝它的 抗渗性、抗渗稳定性和耐久性将会急剧下降，这也限制了它在一些地质条件比较 恶劣的工程中的应用。 1 4 本课题的研究任务、目的意义和研究方法 由以上所述可知，塑性混凝土因其优良的性能( 良好的变形性能，较小的渗 透系数) 在水利工程中的应用越来越广泛。但是，作为运用在防渗墙这个具体问 题来说，塑性混凝土还有许多问题值得深入研究。例如，塑性混凝土水泥用量少， 弹性模量低，这对它的变形性能有利。但同时也使塑性混凝土本身的强度明显降 低，对塑性混凝土的安全运行产生不利影响。那么塑性混凝土中水泥的含量该在 什么样的范围内才能使其同时具有足够的强度和良好的变形性能。再有，当塑性 混凝土发生变形时，其抗渗性是否还能得到保证。这些问题目前在国内外研究得 还不是很深入，值得进一步研究。 具体说来，本课题研究内容主要为以下几个方面内容： 南昌大学硕士论文 1 塑性混凝土强度的变化规律。通过不同配合比的塑性混凝土试件的抗压 强度对比，揭示各种材料用量的变化对其强度的影响，从而为实际工程应用中确 定各种材料合理的用量提供理论基础。 2 塑性混凝土变形模量的交化规律。通过变形模量试验，揭示膨润土用量 对塑性混凝土变形模量的影响。为实际工程中确定膨润土这种塑性混凝土中关键 材料的用量提供理论基础。 3 四周压力对塑性混凝土渗透系数的影响。塑性混凝土作为防渗材料位于 坝体内部必然受到四周士体的压力，在这种特殊受力状态下其渗透稳定性能否得 到保证是个很重要的问题。 4 关于塑性混凝土的耐久性。由于塑性混凝土的水泥用量比刚性混凝要小 很多，为了使塑性混凝土能达到长期防渗的效果，我们必须对其耐久性进行研究， 从而为其具有足够的安全使用年限提供理论上的保证。 1 5 课题来源 本课题来源于导师与江西上饶水利电力勘测设计院共同合作的项目，属于应 用型研究课题。 4 南昌大学硕士论文 第二章塑性混凝土的基本理论 塑性混凝土的拌和物是由水泥、水、砂、石、膨润及一定量的外加剂，按 一定比例配置而成的。影响塑性混凝土力学性能和抗渗性能的主要因素有水胶 比、水泥用量( 水灰比) 、粘灰比、膨润土用量和干容重( 干料总量) 。这些因素 对塑性混凝土的力学性能的影响是各不相同的，而且有些是互相矛盾的。本课题 正是从解决这些矛盾出发，采用正交设计和试验来选定合适的参数，确定经济合 理的配合比。 2 1塑性混凝土的基本组成材料 与普通混凝土类似，塑性混凝士系由胶凝材料( 含掺合料) 、土、外加剂和水 等多元材料复合而成。塑性混凝土各种组分的结构功能：石子起骨架作用，石子 之间有较厚的砂浆层，石子随机分布于砂浆中，石子的骨架作用并不象普通混凝 士那样显著，砂浆的结构支配着塑性混凝土的力学性能；砂浆中的粘粒成份( 如 粘土或膨润土) 颗粒较细，分散于水泥浆的空间中，控制着塑性混凝土的变形性 能。 按照胶凝材料组成的不同，塑性混凝土又可分为膨润土塑性混凝土、膨润土 加粘土塑性混凝土、粘土塑性混凝土三类【2 引。三类塑性混凝土各有特点，本次试 验研究的是膨润土塑性混凝土。下面将本次试验研究的膨润土塑性混凝土的组成 材料列举如下： 一、水泥 水泥作为一种胶结材料，与水拌和形成水泥浆，具有很高的粘结力，能把砂、 石骨料胶结成一整体，经凝结硬化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1 0 】。 目前已建成的塑性混凝土防渗墙中使用的水泥，既有矿渣水泥，也有普通水 泥，标号从3 2 5 到5 2 5 号都有。由于塑性混凝土中水泥用量相对较少，而从保证 永久性塑性混凝土防渗墙工程的耐久性来看，又需要在塑性混凝土中保留一定数 量的c a o 储备，因此，在本次塑性混凝土实验研究中使用普通水泥而不用矿渣 水泥【孙。 南昌大学硕士论文 二、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。本课题用的膨润土是湖北襄阳产的膨润 土。 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。膨润土的 粘土颗粒组合方式或呈凝聚状结构，或呈叠聚状结构，或呈花瓣状等，这都和膨 润土的含水量大小、组成矿物成分及所处的地理环境有关，其中影响最大的是膨 润土的含水量，含水量的变化不仅会引起膨润土土体中的矿物发生物理、化学作 用，使矿物元素之间的结合力发生变化，从而引起土体结构的变化，同时由于含 水量的变化还直接导致土体结构产生变化【3 1 。 三、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，但水的用量不宣过 多，否则坍落度和扩散度将会很大而不能满足设计要求。 四、砂 砂的细度模数要适中。细度摸数大的砂拌制塑性的混凝土虽然其强度可能较 高，但容易产生离析和泌水现象。用细度摸数小的砂拌制虽不产生离析泌水现象， 却需要较多的水泥浆才能包裹住砂的表面，水泥用量较大。所以配制塑性混凝土 的砂宜用中粗砂。 五、石料 塑性混凝土应具有较大的变形能力，又具有相应的强度。在这里，石料的用 量和粒径大小对此影响较大。，最大粒径不宜大于2 0 m m 。如果石料粒径过大， 塑性混凝土的强度和变形性能将会明显降低，对于拌制塑性混凝土，石料的粒径 一般在5 2 0 m m 。 石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。 六、外加剂 在塑性混凝土拌和过程中，为了改善拌和物的和易性，减少水泥用量，可掺 入一定量的外加剂。 6 南昌大学硕士论文 外加剂按使用效果分为减水剂、引气剂，防渗剂，促凝剂等。在塑性混凝土 中，使用较多的是减水剂，以改善其和易性。 2 2 主要材料用量 1 ) 水泥用量6 0 1 6 0 k g m 3 ，宜采用普通水泥，标号3 2 5 4 2 5 号。 2 ) 膨润土用量约为水泥用量的5 0 8 0 ，一般用量6 0 1 2 0 k g m 3 ，含 粘量大的用量相应减少。 3 ) 用水量的多少，受水泥、膨润土的品种和数量的影响，它还决定着塑性 混凝土的流动性能和物理力学性能。通常水灰比可控制在2 o - 4 0 之间。 4 ) 细料( 包括水泥、膨润土和粉煤灰等) 总量对塑性混凝土的性能影响很 大。通常把水胶比( 水与细料总量之比) 控制在0 ，8 3 0 之间( 一般为1 0 2 o ) 。 细料用量2 0 0 3 0 0 k g m 3 。 5 ) 砂石骨料总量变化范围1 0 0 0 1 7 0 0 k g m 3 。砂率约为4 0 - - - 5 0 。 2 3 膨润土的掺和方法 混凝土中加入的粘土或膨润土越多，它的强度降低的越多，变形越大。因此， 如何把粘土或膨润土加入到塑性混凝土中去，才能使他们能够均匀地分散到混合 物中，以得到满足工程要求的塑性混凝土，就成为一个很重要的问题。 对于这个问题，国内外都进行了一些试验研究工作，主要成果有以下几点： 一、当膨润土以泥浆的形式掺入( 湿掺) 时，则泥浆浓度宜控制在1 0 1 2 以下，并应放置2 4 h 再用。对于质量优良的膨润土粉，如果它的泥浆浓度超过 1 2 - 1 4 时，很快就会形成凝胶状态，泥浆中的自由水均变成了分子水而失去 了流动性。这就是说，当塑性混凝土中的水的用量己经确定之后，那么以泥浆形 式加入的膨润土粉也就确定下来了，其数量按泥浆浓度1 0 扛1 2 即可求出。但 是这个数量远远小于配比中需要的膨润土数量。 二、以干粉形式掺入膨润土粉。曾经采用以下两种方法： 1 ) 先拌水和膨润土，然后依次投入砂石骨料和水泥等进行搅拌。( 湿拌) 2 ) 先干拌砂石骨料、水泥和膨润土，然后加水进行搅拌。( 干拌) 在实际工程中，膨润土的千掺比较容易，因为它购进时是粉状的，可直接加 7 南昌大学硕士论文 入搅拌机中。由于塑性混凝土中掺有大量的膨润土，其用水量是按照土料颗粒均 匀分散所需的吸水量确定的，而膨润土的粘性较大，在有限的搅拌时间内难以达 到预期的分散效果。因此搅拌塑性混凝土应采用强制式搅拌机，并适当增加搅拌 时间，否则难以搅拌均匀。均匀性较差的塑性混凝土，不仅胶凝材料的作用不能 充分发挥，而且容易发生离析，对混凝土的性能产生双重的不利影响。 本次试验证明：用湿拌的方法，膨润土形成了1 0 3 0 m m 的团块，不能形 成泥浆，因而无法得到均匀的混合物。而用干拌的方法，先将干料拌和均匀，再 加水拌和，膨润土不再出现结块现象，分散的很均匀。但是为了达到同样的坍落 度，膨润土粉比湿掺时多用了将近一倍，用水量也相应减少，分析其原因是干掺 时没有水被约束在泥浆胶体之间，因此干掺法可以多掺入一些膨润土粉。本次试 验采用干掺膨润土法。 南昌大学硕士论文 第三章塑性混凝土的强度 3 1 试验概况 3 1 1 研究目的、内容和主要参数 一、研究目的和任务 塑性混凝土作为防渗材料在国内外的水利工程中已有一定程度的应用，但是 就其理论研究来说还不是很充分。作为防渗墙，我们最关心的当然是它的力学性 能和抗渗性能，而塑性混凝土中各种材料的用量比例将直接影响到它的力学和抗 渗性能，而且有些是互相矛盾的，比如，减少水泥用量以后，可以降低弹性模量， 增大极限应变，降低工程造价，对工程产生有利影响：但它同时又降低了墙体的 强度，增大了摸强比，对工程产生不利影响【”1 。还有塑性混凝土原材料与普通混 凝土原材料的最大差别是胶凝材料组成不同，塑性混凝土的胶凝材料除水泥外还 有膨润土、粘士等。塑性混凝土的弹性模量可以通过改变材料的配合比进行调整。 根据周围土层应力应变曲线，选择最适宜的塑性混凝土配合比，从而有效降低 防渗墙在荷载作用下的应力，减少墙体裂缝，提高防渗墙的安全性。因此，本课 题着重就这些问题进行展开，采用对比试验来选定合理经济的配合比。围绕这一 目的，本章有以下任务。 1 、通过相同配合比的试件在不同龄期( 7 天和2 8 天) 的强度对比，揭示塑 性混凝土强度随时间的变化规律 2 、通过改变各种材料用量的对比试验，揭示各种材料在塑性混凝土的强度 中所起的作用。 二、塑性混凝土的凝结过程和强度形成机理 由于塑性混凝土中加入了膨润士，因此它的凝结和强度形成与普通混凝土有 所不同。塑性混凝土的凝结硬化过程是“塑化”与“固化”的统一发展过程。随 着龄期的增长“固化”也随之增强。膨润是塑性混凝土的主要组分之一，它是 由粘土矿物组成的，其中影响最大的是蒙脱石和高岭石。这些吸水性强的粘土矿 物遇水膨胀，会导致塑性混凝土的强度降低，即所谓“塑性化”作用。随着其中 9 南昌大学硕士论文 水泥浆水化相的形成和发展，水泥一土一水相的“固化”作用增强，使土一水体 系的“塑化”作用相应降低，混凝土强度逐渐得以发展。其中水泥一水体系生成 的“p o r t i o n - d i t e ”分解成离子态，与土料中活性s i 0 2 和活性m 2 0 3 产生化合作用， 生成新的水化产物，如c s l h 和c n a h n ，提高了水泥一土体系的“固化”能 力，使塑性混凝土的强度得以提高和发展。所以说，塑性混凝土凝结硬化过程是 “塑化”和“固化”的发展过程。 三、试验内容和参数 ( 一) 、试验内容 1 、龄期： 分别测试龄期为7 天和2 8 天的相同和不同配合比的抗压强度，以便进行横 向和纵向对比。 2 、永灰t e ： 水灰比指水和水泥用量的比例，在初步设计中塑性混凝土的水灰比一般可取 2 卟4 0 之间。 3 、水胶比： 水胶比指水与细料总和之比。细料是包括水泥、膨润土、粘土和粉煤灰在内 的材料之和( 通常指小于0 0 1 m m 的颗粒总和) 。 4 、粘灰比： 指粒径小于o 0 1 m m 的粘土和膨润土( 粉煤灰) 颗粒重量之和与水泥用量之 比。 3 1 2 试件的制作 根据材料试验规范规定，立方体抗压强度试验采用1 5 0 1 5 0 * 1 5 0 m m 的立方体 试块，每组三块。采用干掺膨润土的方法拌制，试块成型后送标准养护室养护 2 4 h 后脱模。 3 1 3 试验原材料 一、水泥 1 0 南昌大学硕士论文 采用江西上饶水泥厂生产的3 2 5 # 普通硅酸盐水泥。其主要力学指标符合g b 1 7 5 - - 1 9 9 9 标准。 二、膨润土 采用湖北襄阳生产的膨润土，质量满足部颁布i i 级膨润土要求【5 】 三、水 不含腐蚀性的普通自来水即可。 四、砂 采用细度模数为2 7 的优茛中粗砂，含泥量低于o 5 f 3 0 口”。 五、粗骨料 塑性混凝土应具有较大的变形能力，又要具有相应的强度。在这里，石料的 用量和粒径大小对此影响比较大。法国巴奇( b a c h y ) 公司对塑性混凝土中骨料 尺寸对其应力应变特征的影响做了对比实验，从实验结果来看，骨料粒径大的塑 性混凝土所能承受的强度和变形能力要比骨料粒径小的塑性混凝土小的多，也就 是说在塑性混凝土中应当使用粒径较小的骨料。结合实际情况，本次试验采用 o 5 2 0 c m 的卵石【1 3 l 【。 六、外加剂 选用江茵上饶水利勘测设计院提供的木磺酸钙减水剂。 3 1 4配合比设计 1 、选定材料和配合比的意义 选定一个合适的塑性混凝土配合比是十分重要的，这不仅仅是由于它与工程 造价和施工难易程度密切相关，另外塑性混凝土的配合比还与结构物的安全和耐 久性密切相关。 塑性混凝土是由多种材料组成的，要通过选定配合比来确定它们的材料用量 和相互关系；更为重要的是，我们要通过调整塑性混凝土的配合比，改变它的强 度、弹性模量和应力关系曲线来满足设计要求，以达到优化防渗墙体的受力状态 和变形能力，以便提高结构安全度和工程经济效益，这就大大增加了塑性混凝土 配合比设计的难度和复杂性，需要花费更多的时间人力物力。因此，研究塑性混 凝土的时候，我们必须首先来研究它的配合比。 南昌大学颈士论文 2 、设计施工参数 一般根据防渗墙的工程重要性，承压水头、垂直荷载和地质条件，经过电算 和分析研究，确定防渗墙的塑性混凝土设计施工参数【2 j 主要有以下几项： 抗压强度：( r 0 7 ，r 2 5 ，r 6 0 ) i 4 m p a 1 弼； 弹性模量：e = 3 0 0 , - - 1 0 0 0 m p a ； 渗透系数：k a * ( 1 0 4 - 1 0 ) c r n s ( a = i 9 ) ； 坍落度：1 8 2 2 c m ，扩散度：3 5 , - 4 0 c m 1 6 1 。 选择配合比时应因地制宣，就地取材，节约材料，降低成本，有利旄工 2 】。 3 、配合e e 试验步骤 影响塑性混凝土力学性能的主要因素有水胶比、水泥用量、膨润土用量和干 容重( 干料总量) 。这些因素对塑性混凝土的力学性能的影响是各不相同的。本 次试验采用对比试验的方法。即改变某种材料的用量，而其它的材料用量不变或 基本不变，从而揭示该种材料的用量对塑性混凝土强度的影响。在本次试验中， 控制塑r 陛混凝土的于容重基本不变，而改变各种材料的相对用量来进行对比试 验。 4 、本次试验采用的配合比 本次试验采用十组不同的配合比，在保持干容重相同或相近的情况下进行试 验，如表3 1 一l 所示： 表3 一l 一1 配合 比 配合 单位用量( k g m 3 ) 比编砂率水灰 水胶 膨润 外加 号 ( ) 比( )比( )水水泥砂 石 土 剂 a 1 6 5 32 6 31 5 02 1 08 06 01 0 1 5 5 4 0 0 2 5 a 2 6 4 62 1 01 3 12 1 01 0 06 09 8 5 5 4 00 2 5 a 3 6 4 11 7 5n 72 1 01 2 06 09 6 5 5 4 0o 2 5 a 4 6 3 1 1 3 l9 5 4 2 1 01 6 06 09 2 5 5 4 0 0 - 2 5 b l 6 3 61 8 31 1 02 2 01 2 08 09 4 55 4 00 2 5 b 2 6 3 11 9 21 0 52 3 01 2 0 1 0 0 9 2 5 5 4 00 2 5 1 2 南昌大学硕士论文 b ， 6 2 61 9 29 5 82 3 01 2 01 2 09 0 55 4 00 2 5 c 。 7 1 71 7 59 5 42 1 0 1 2 0 1 0 0 1 1 1 5 4 4 0o 2 5 c ： 7 4 91 9 2 1 0 5 2 3 01 2 0 l o o1 1 6 5 3 9 0o 2 5 c ， 7 8 11 9 21 0 52 3 01 2 01 0 01 2 1 53 4 0o 2 5 3 2 试验项目及方法 3 2 1 坍落度试验设备及方法 坍落度试验主要用于测试混合物的和易性。按照新规范要求，塑性混凝土坍 落度试验采用上口直径l o o m m ，下口直径2 0 0 r a m 高3 0 0 m m 的截头圆锥筒。配 合直径为1 6 m m 长6 5 0 m m 的钢捣棒。整个试验要求在拌好混合物2 3 分钟内完 成。 3 2 2 标准抗压强度试验 按新规范要求，采用1 5 0 1 5 0 1 5 0 m m 的立方体试块。到达龄期时，从标准 养护室中取出试件。将试件放在试验机下压板正中间，使试块均匀受压。按下式 计算抗压强度r 。 r = p a 式中： p 一破坏荷载( k n ) a 一试件受压面积( m m ) r 。一塑性混凝土的立方体抗压强度( m p a ) 3 3 主要试验成果及分析 3 3 1 和易性试验成果 试验成果见表3 3 1 至3 3 3 南昌大学硕士论文 表3 3 1 配配合 比试验结果 合 单位体积各种材料用量( k e g m 3 ) 坍扩含析 砂水灰 比 水膨外加落散棍砂7 k 窒 比 编 润剂度度度情情 ( ) ( ) 水砂石 号泥土( ) ( c m )( c m ) 况况 a 1 6 5 32 6 32 1 08 06 01 0 1 55 4 0o - 2 52 4 04 5 0上 多多 a 26 4 ，6 2 1 02 1 0 1 0 06 0 9 8 55 4 0 0 2 5 2 2 5 3 8 5 审 中中 a 36 4 1 1 7 52 1 01 2 06 09 6 55 4 00 2 51 8 53 3 5 巾 中无 a 4 6 3 11 3 l2 1 01 6 06 09 2 55 4 0 0 2 5 1 6 o2 9 0 下 少 无 注：棍度一栏 “上”表示插捣很容易； “中”表示插捣时用力适中，稍有石子阻滞的感觉： “下”表示插捣很困难。 1 4 南昌大学硕士论文 言 g 划 蜓 密 言 g 蜓 捌 k 25 2o 1 5 】0 5j 。一5 0100 15 r 2 抒0 一2 50 1 30 r ，000 水灰比( * ) 1 5 ：0 5r_lilil0iflr【一 南昌大学硕士论文 从这组配合比的试验情况可以看出，随着砂率的降低，棍度由上变化到下， 含砂情况由多变化到少，说明和易性随着砂率的降低而变差。另外随着水灰比的 降低，坍落度和扩散度也随之变小。值得注意的是当水灰比超过2 0 0 时，拌和 物的流动性将变的非常大而产生很大的析水，且坍落度和扩散度也非常大，无法 满足设计的要求。 而从其他的关于塑性混凝土相关文献查到的水灰比在2 0 0 , - 4 0 0 之间。但 是本次实验的结果证明当水灰比大子2 0 0 时，塑性混凝土拌和物的坍落度和扩 散度会变得非常大而无法满足设计的要求，这之间有很大的差异。分析其原因主 要是因为本次试验配置的塑性混凝土中只含有膨润土而没有加入粘土，这样就要 求水灰比不能太大而只能控制在2 0 0 以下。 表3 _ 3 2 配配合比试验结果 合 单位体积各种材料用量( k g m 3 ) 坍扩含析 砂水灰 比 水膨外加 落 散 棍砂 水 蛊 比 编润剂度度度情情 ( ) ( ) 水砂石 号泥土 ( ) ( c m )( c m )况况 a 3 6 4 11 7 52 1 0 1 2 06 09 6 5 5 4 00 2 51 8 53 3 5 由 中无 b l 6 3 61 8 32 2 0 1 2 08 09 4 5 5 4 0o 2 51 9 o3 4 5 由 中无 b 2 6 3 11 9 22 3 0 1 2 01 0 09 2 55 4 0 0 2 5 1 8 o3 2 o 由 中无 b 3 6 2 61 9 22 3 0 1 2 01 2 09 0 5 5 4 00 2 51 7 53 0 o 由 少无 注：棍度一栏 “上”表示插捣很容易； “中”表示插捣时用力适中，稍有石子阻滞的感觉： “下”表示插捣很困难。 1 6 南昌大学硕士论文 b l 斋f 1 斋苦矿1 靠j 一 4，0乍 ：30，l 2ol 膨润土用量( k g m3 ) l j - 一 l 60 主用量( k g m3 ) 一 吟 个i叮i叶l叶l叶l叶叶【一】 言。)瑙瓣蜜 冒。)巡癌辅 b一 味 0 润膨 7l 02l0008 南昌大学硕士论文 从以上试验情况可以看出，随着膨润土的用量变化的增大，塑性混凝土的坍 落度和扩散度总体上随之减小。这是因为膨润土的主要成分是高吸水性的伊利石 和蒙脱石，它能吸收大量的水，而使塑性混凝土配合物中的自由水含量大大减少 3 1 。但a 3 情况反常，分析其原因是a 3 的水灰比较小，因此虽然它的膨润土用量 在该组中最小，但是坍落度和扩散度却不是最大。而且我们还可以看出，只要水 灰比控制在定范围内，塑性混凝土的坍落度和扩散度都能符合要求，和易性的 其他指标也比较好。 表3 _ 3 3 配配合比试验结果 合 单位体积各种材料用量( k g m 3 ) 坍扩含析 砂水灰 比水膨外加落散棍砂水 童 比 编润剂度度度情情 ( ) ( ) 才(砂石 号泥土 ( ) ( c m )( c m ) 况况 b 2 6 3 1 1 9 2 2 3 01 2 0l o o 9 2 55 4 0o 2 51 8 03 2 o中中 无 c l 7 1 71 7 52 1 01 2 01 0 0l l l 54 4 0o 2 51 7 03 0 5 中中无 c 2 7 4 91 9 22 3 01 2 01 0 01 1 6 53 9 0o 2 51 8 53 3 0上 由 无 c 3 7 8 11 9 22 3 01 2 0l o o1 2 1 53 4 00 2 51 9 53 4 0上 多无 注：棍度一栏 “上”表示插捣很容易； “中”表示插捣时用力适中，稍有石子阻滞的感觉； “下”表示插捣很困难。 1 3 南昌大学硕士论文 喜 划 萋2 0 1 9 1 8 17 15 言 皂 划 疑 k c3 c 1 l3 一 l2 1 1l _ 10f - l 3 40 3 1 90 4 4 r 4 9 。0 5 40 5 90 0 量( k g m 3 ) 3 4 03 904 4 04905 405 90 一 石料用量( k g m3 ) 一 文 南昌大学硕士论文 从该组试验的情况得出的结论是：随着粗骨料的用量的增加塑性混凝土的坍 落度和扩散度将随之变小。这和普通混凝土的情况是一样的。但b 2 情况反常， 分析其原因仍然是其水灰比低。而且我们还可以看出，只要水灰比控制在一定范 围内，则坍落度和扩散度能满足设计的要求。但是当砂率大时，含砂情况和棍度 将会产生变化。 3 。3 2 立方体抗压强度试验成果 本课题分别对不同配合比的塑性混凝土进行了7 天和2 8 天的立方体抗压强 度对比试验，试验成果如表3 3 4 至3 3 6 所示： 一、 水泥用量与强度 表3 3 4 水水强度( m p a ) 编水泥用膨润土用石料用量砂用量 胶灰 号 ( k g m 3 )量( k g m 3 ) ( k g 一)( k m ) 7 天 2 8 天 比比 a 1 8 06 05 4 01 0 1 51 5 02 6 3o 6 61 o a 2 1 0 06 05 4 09 8 51 3 l2 1 0o 8 8l _ 3 3 a 3 1 2 06 05 4 09 6 51 1 71 7 51 8 52 。5 0 a 4 1 6 06 05 4 0 9 2 5 9 5 41 3 l2 7 53 5 0 2 0 南昌大学硕士论文 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 o 5 下 2 5 2 0 1 5 1 0 o 5 5 0 a4 a a2 h1 100l 5 020 o2 503 0 0 水灰比( ) a4 | t a3 50 1001 502o02 503 0 0 水灰比( ) 管邑越漾收n k 舍dh一越穗帐h a 一 、 。 一 、心、一一 11一l 南昌大学硕士论文 从这组试验的结果可以很明显看出，随着水泥用量的加大，塑性混凝土的强 度将随之提高，这是因为水泥是一种胶结材料，它能将砂石骨料粘结在一起形成 强度，而水泥用量越大，粘结骨料形成的强度就越大，这和普通混凝土的规律是 一样的。而且我们还可以看出，当水灰比控制在2 0 0 以下时，塑性混凝土的7 天和2 8 天强度将能满足设计要求的1 - , - 4 m p a 。 二、 膨润土用量与强度 表3 3 5 膨润土 水水强度( m p a ) 编水泥用量石料用量砂用量 用量胶 灰 号( k g m 3 ) ( k g m 3 ) ( k g m 3 )7 天2 8 天 ( k g m 3 ) 比比 a s 6 01 2 05 4 09 6 51 1 71 7 5l - 8 52 5 0 b t 8 0 1 2 0 5 4 0 9 4 5 1 1 0 1 8 3 1 5 31 9 0 b 2 l o o1 2 05 4 09 2 51 0 51 9 21 1 l 1 4 4 b s 1 2 01 2 05 4 09 0 59 5 81 9 2o 6 6o 8 8 南昌大学硕士论文 35 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 o 5 l- a3 卜 b 卜b ： b ， 6080100l2014016 0 a3 膨润土用量( k g m3 ) 608 010o1 20140160 膨润土用量( k g m3 ) 岔墨一划骥帐_ 一邑越骥kh 南昌大学硕士论文 从以上试验结果可以看出，随着膨润土用量的加大，塑性混凝土的强度将降 低，这是因为膨润土和水泥不一样，它是一种在凝胶和流体状态之间双向变化的 胶体材料，它的凝胶强度也是比较低的。因此膨润土的用量越大，塑性混凝土的 强度越低。在实际工程中膨润土的用量般在水泥用量的8 0 - - 1 0 0 之间，可以 根据防渗墙所要求的抗压强度来决定膨润土的用量。 三、砂石骨料用量与强度 表3 3 6 水水强度( m p a ) 编水泥用膨润土用石料用量砂用量 胶灰 了 量：( k g m 3 )量( k g m 3 ) ( k g m 3 )( k g m 3 )7 天 2 8 天 比比 b 2 1 2 0l o o5 4 09 2 51 0 51 9 21 1 11 4 4 c t 1 2 01 0 04 4 01 1 1 59 5 41 7 51 3 01 5 4 c 2 1 2 0 l o o 3 9 0 1 1 6 5 1 0 51 9 21 2 51 5 0 c 3 1 2 01 0 03 4 01 2 1 51 0 51 9 21 3 21 6 2 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 o 5 3 o 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 南昌大学硕士论文 340390 4 4 0 4 9 054 0590 石料用量( k g m3 ) 340390 440 490540590 石料用量( k g m3 ) 2 5 苷垒一划骥k- 53 一星邑蟋骥收n 南昌大学硬士论文 从本组试验结果我们可以看出，当水泥和膨润士的用量一样时，砂石骨料的 用量变化对塑性混凝土的强度影响不大，只要水灰比和水胶比控制在一定范围 内，塑性混凝土的强度就能满足要求。这是因为塑性混凝土的抗压强度主要取决 于水泥浆强度、土的掺量、骨料强度以及它们之间结合面的强度【l ”。但是一定要 注意控制石料的粒径，粗骨料粒径大的塑性混凝土的抗压强度要比粒径小的塑性 混凝土小很多。在实际工程中只要控制粗骨料的粒径，同时试块养护得当，就能 使骨料之间结合面上的微裂缝得到控制，从而使其强度也能得到保证。 3 4 凝土的静力学特性的探讨 l 、龄期对塑性混凝土的力学特性的影响 1 ) 龄期对无侧限强度q 。的影响 北京塑性混凝土课题组的试验结果表明，塑性混凝土无侧限强度随龄期而明 显增加。以2 8 天强度为基准，塑性混凝土9 0 天强度约增长到1 6 倍，1 8 0 天强 度约增长到2 0 倍，一年强度约增长到2 7 倍，一年以后有继续增长的趋势。龄 期在2 8 天前后，强度增长系数r q 与t 的关系可以近似用下式描述口8 l ： r 。= 垃q = ( 寺篙2 8 t 上石【 z 石 n = 0 3 7 9 玎= 0 8 5 4