塑性混凝土的研究

李广森，高峰华，李莉，李纵，张国权

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

1 工程概况

辽宁红沿河核电厂一期取水口导流堤和施工围堰工程，位于辽宁省瓦房店市东岗乡林沟村小孙屯，地处瓦房店市西端渤海辽东湾东海岸温坨子。取水口围堰工程堤体设计采用10～100 kg堤心石填筑，因导流堤结合施工围堰，沿堤体中心线设置防渗墙，防渗墙采用塑性混凝土。

2 技术要求

塑性混凝土防渗墙设计指标是28 d抗压强度不低于1.0 MPa；弹性模量不小于300 MPa，渗透系数不大于1×10－6cm/s；防渗墙厚度为800 mm。

为使得塑性混凝土墙具有良好的可施工性，其入孔坍落度应为180～220 mm，扩展度为340～400 mm；坍落度保持150 mm以上的时间应不小于1 h。混凝土的重度为20～22 kN/m3。

3 试验依据

塑性混凝土防渗墙试验依据：

1）取水口导流堤和施工围堰设计说明；

2）SL174-96《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》；

3）SL352-2006《水工混凝土试验规程》；

4）JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》；5）SY/T 5060-1993《钻井液用膨润土》。

4 塑性混凝土试验

目前国内尚无塑性混凝土试验规程，因此试验主要依据SL174-96《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》与SL352-2006《水工混凝土试验规程》。

4.1 塑性混凝土的工作性能

4.1.1 坍落度

塑性混凝土作为防渗墙的施工应具有良好的工作性能。试验采用强制式搅拌机拌和混凝土。根据设计要求塑性混凝土的坍落度在180～220 mm，试验结果如表1、图1和图2。

从表1、图1和图2分析可知：

1）当膨润土掺量不变，而改变水泥用量时，初始坍落度满足要求；经过1 h的延时后，坍落度变化最大的是1号配合比，损失45 mm；坍落度损失最小的是2号和3号配合比，损失15 mm。

表1 塑性混凝土性能试验

图1 改变水泥用量坍落度的变化

图2 改变膨润土掺量坍落度的变化

2）当水泥用量不变，而改变膨润土掺量时，初始坍落度满足要求；经过1 h的延时后，坍落度变化最大的是8号配合比，损失45 mm；坍落度损失最小的是7号配合比，损失15 mm。

3）从表1可以看出上述配合比的坍落度延时损失都较小，满足设计要求。

4.1.2 扩展度

塑性混凝土扩展度的测定：用坍落度筒测量塑性混凝土坍落度之后，随即测量塑性混凝土拌合物坍落扩展终止后扩展面相互垂直的两个直径，取两直径的平均值。设计要求的扩展度为340～400mm。试验结果如表1、图3和图4。

图3 改变水泥用量扩展度的变化

图4 改变膨润土掺量扩展度的变化

从表1、图3和图4分析：

1）当膨润土掺量不变，而改变水泥用量时，初始扩展度满足要求，经过1 h的延时后，扩展度变化最大的是1号配合比，损失92 mm；扩展度损失最小的是2号配合比，损失27 mm。

2）当水泥用量不变，而改变膨润土掺量时，初始扩展度满足要求；经过1 h的延时后，扩展度变化最大的是8号配合比，损失105 mm；扩展度损失最小的是7号配合比，损失58 mm。

3）从表1可以看出上述配合比扩展度的延时损失都较小，满足施工要求。

4.1.3 塑性混凝土的重度

塑性混凝土的重度采用重度筒进行测定，设计要求塑性混凝土的重度为20～22 kN/m3。从表1可以看出所有塑性混凝土配合比的重度全部满足设计要求。

4.2 塑性混凝土的强度

4.2.1 立方体抗压强度

塑性混凝土的立方体抗压强度采用捣棒人工插捣方式成型，试件采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试模，分2层装料，每层插捣27次。试件采用标准养护方法至7 d和28 d进行立方体抗压强度试验。试验结果如表2、图5和图6。

从表2、图5和图6分析可知：

1）在立方体抗压强度试验中，当固定膨润土的掺量，改变水泥用量，塑性混凝土7 d和28 d的立方体抗压强度，随着水泥用量的增加，抗压强度也在增加。

2）当固定水泥用量，改变膨润土的掺量，塑性混凝土7 d和28 d的立方体抗压强度随着膨润土掺量的增加，抗压强度在逐渐降低。

表2 塑性混凝土强度试验

图5 不同水泥用量对立方体抗压强度的影响

图6 不同膨润土掺量对立方体抗压强度的影响

3）从上述塑性混凝土配合比试验中，不论改变水泥用量，还是改变膨润土掺量，其28 d的立方体抗压强度均大于1 MPa，满足设计要求。

4.2.2 轴心抗压强度

塑性混凝土的轴心抗压强度试验采用φ150 mm×300 mm的试模，1组3块。成型装料分3层，每层用捣棒插捣22次。试件采用标准养护方法至28 d进行轴心抗压强度试验。试验结果如表2、图7和图8。

图7 改变水泥用量对轴心抗压强度的影响

图8 不同膨润土掺量对轴心抗压强度的影响

从表2、图7和图8分析可知：

1）在轴心抗压强度中，固定膨润土的掺量，改变水泥用量，28 d轴心抗压强度随着水泥用量的增加，强度在不断地增加，而且增加的幅度成直线线性关系。如果用Y表示轴心抗压强度，X代表水泥用量，它们之间的关系式为Y＝0.068 3X－5.444。相关系数检验为r＝0.999 9。

2）如果固定水泥用量，改变膨润土的掺量，28 d轴心抗压强度随着膨润土掺量的增加，抗压强度在不断地下降。

3）在塑性混凝土轴心抗压强度试验中，无论改变水泥用量，还是改变膨润土掺量，28 d的抗压强度满足设计要求。

4.2.3 立方体劈裂抗拉强度

塑性混凝土的立方体劈裂抗拉强度试验，采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试模。试件成型装料分2层，每层用捣棒插捣27次。采用标准养护方法养护至28 d进行立方体劈裂抗拉强度试验。试验结果如表2、图9和图10。

图9 不同水泥用量对立方体劈裂抗拉强度的影响

图10 不同膨润土掺量对立方体劈裂抗拉强度的影响

从表2、图9和图10分析可知：

1）塑性混凝土的立方体劈裂抗拉强度，在固定膨润土的掺量，改变水泥用量情况下，其28 d的立方体劈裂抗拉强度随着水泥用量的提高，劈裂抗拉强度也在提高。

2）固定水泥用量，改变膨润土的掺量，28 d立方体劈裂抗拉强度随着膨润土掺量的增加，劈裂抗拉强度在逐渐降低。

4.2.4 轴心抗拉强度

塑性混凝土的轴心抗拉强度试验，试件采用φ150 mm×300 mm的试模，1组3块。试件成型装料分3层，每层用捣棒插捣22次。采用标准养护方法养护至28 d后，在试件的两端用环氧树脂型胶粘剂粘接φ150 mm钢质拉板，胶粘剂固化后，在拉力试验机上进行轴心抗拉强度试验。试验结果见表2和图11。

图11 不同水泥用量对轴心抗拉强度的影响

从表2和图11分析可知：在塑性混凝土的轴心抗拉强度试验中，固定膨润土的掺量，改变水泥用量，其28 d的轴心抗拉强度随着水泥用量的增加，抗拉强度呈上升的趋势。

5 塑性混凝土弹性模量

弹性模量是塑性混凝土的一项重要力学指标，它反映了塑性混凝土所受应力与所产生应变之间的关系，是进行塑性混凝土配合比设计的一个重要参数。

本次塑性混凝土弹性模量试验采用φ150 mm×300 mm的试模，以6个试件为1组，其中3个测定轴心抗压强度，3个测定抗压弹性模量。成型装料分3层，每层用捣棒插捣27次。采用标准养护方法进行养护，到达28 d试验龄期时，将试件从养护室取出，擦净表面，量测断面尺寸。然后将试件安放在试验机上，测定塑性混凝土的破坏荷载。

弹性模量试验将试件安放在试验机的下压板上，使试件中心与试验机的下压板中心对准。开动试验机，当上压板与试件快接触时，调整球座，使接触均衡。为客观地测出塑性混凝土的弹性模量值，用磁性表架将百分表对称固定于试件的两侧，分别测量整个试件两侧的变形值。正式试验前，先进行预压，以0.05～0.1 MPa/s逐步加荷，最大预压应力约为破坏强度的40%，反复预压3次，直至两侧百分表的读数差值不超过给定的允许误差为止。试件经预压后，进行正式试验，加荷方式与预压时相同。在试验记录表上每增加4 kN荷载，分别记下百分表相应的读数。试件的弹性模量值，以应力从0.5 MPa时的荷载增加到40%的极限破坏荷载时的“应力-变形”曲线图，据此来计算塑性混凝土静力抗压弹性模量。试验结果如表3、图12和图13。

表3 塑性混凝土静力抗压弹性模量试验

图12 不同水泥用量对静力抗压弹性模量的影响

图13 不同膨润土掺量对静力抗压弹性模量的影响

从表3、图12和图13分析可知：

1）塑性混凝土的静力抗压弹性模量试验，当固定膨润土掺量，改变水泥用量时，其静力抗压弹性模量呈上升趋势。

2）当固定水泥用量，改变膨润土掺量，其静力抗压弹性模量呈下降趋势。

3）在塑性混凝土静力抗压弹性模量试验中，不论改变水泥用量，还是改变膨润土的掺量，其28 d的静力抗压弹性模量都大于300 MPa。

6 塑性混凝土渗透性能

塑性混凝土作为导流堤和施工围堰中的防渗墙，其主要作用是防止外面的海水渗入，给取水建筑物的干地施工和取水明渠干挖创造条件。

塑性混凝土的渗透系数采用给定的一次加水压法进行试验，加水压力根据塑性混凝土的强度、渗透性确定。一次加水压，至水从试件顶面渗出为止，停止加压。并记录试验过程试件透水时间，计算其相对渗透系数，以1组3个试件测值的平均值作为试验结果。

我们在上述塑性混凝土配合比中选择了3号、6号、7号做相对渗透系数试验，试验结果分别是1.70×10-8cm/s、8.65×10-8cm/s、1.07×10-8cm/s。

7 工程应用

辽宁红沿河核电厂一期工程的取水口导流堤和施工围堰的防渗墙，设计轴线长384.56 m，共划分为76个槽段。Ⅰ期槽段长4.8 m、Ⅱ期槽段长6.8 m。墙顶高程+3.0 m，墙底进入中风化花岗岩0.8 m，墙体深度一般为15～20 m，最大设计深度为28.7 m，墙体厚度0.8 m。

防渗墙施工采用6号塑性混凝土配合比。在施工中，为全面检测分析控制防渗墙混凝土质量，对塑性混凝土取样进行了101组立方体抗压强度、8组渗透系数和8组静力抗压弹性模量试验检测。经检测立方体抗压强度值在1.5～3.3 MPa，平均值为2.3 MPa，100%达到设计要求；渗透系数在5.7×10-8～7.0×10-8cm/s；静力抗压弹性模量在405～486 MPa，平均值为443 MPa。所有技术指标都达到设计要求，经分析评定质量达到优良标准。

辽宁红沿河核电厂一期工程的取水口围堰内抽水工作于2010年2月1日15时开始，日抽水量1.4万m3，累计抽水约10万m3，至2月8日抽水完成。经过对围堰内的观测，渗流量满足设计要求。

8 结论

1）防渗墙采用塑性混凝土施工时，除了满足设计要求外，应具有良好的可施工性，其中包括入孔坍落度的选择；坍落度的保持时间；扩展度的取值。

2）在塑性混凝土中，当固定膨润土的掺量，改变水泥用量时，塑性混凝土28 d的立方体抗压强度、轴心抗压强度、立方体劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度随着水泥用量的增加在不断地增长；静力抗压弹性模量随着水泥用量的增加也在增加。

3）在塑性混凝土中，当固定水泥掺量，改变膨润土的掺量时，塑性混凝土28 d的立方体抗压强度、轴心抗压强度、立方体劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度随着膨润土掺量的增加在不断地降低；静力抗压弹性模量随着膨润土掺量的增加呈下降趋势。

[1]SL174-1996，水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范[S].

[2]SL352-2006，水工混凝土试验规程[S].

[3]SY/T 5060-1993，钻井液用膨润土[S].

[4]JTJ270-1998水运工程混凝土试验规程[S].