膨润土对塑性混凝土力学性能的影响研究

付雪梅 杨宇稀 丁向群

（沈阳建筑大学材料科学与工程学院）

0 引言

塑性混凝土是一种在普通混凝土中加入粘土以及膨润土等掺合料，大幅度降低水泥用量，同时减小弹性模量的新型柔性墙体材料[1-2]，其广泛应用于铁路交通以及水利工程中的坝体、坝基防渗、险坝加固、围堰、堤坝等防渗工程，以及各种海港工程和城市建筑的基础工程中，包括地下室、地下车库等[3-4]。塑性混凝土的抗压强度和弹性模量主要与其组成成分含量有关，但目前缺乏膨润土掺量与塑性混凝土抗压强度和静力抗压弹性模量相关性的室内试验研究，且缺乏相关规律解释和混凝土内部结构分析。本研究探究了不同膨润土掺量对塑性混凝土抗压强度和弹性模量的影响规律，并利用压汞测孔和扫描电子显微镜分析影响原因。

1 原材料及试验方法

1.1 试验材料

⑴膨润土：钙基膨润土，市售，其主要化学成分含量及物理性能指标分别见表1、表2。

表1 膨润土化学成分含量

表2 膨润土主要物理性能指标

⑵水泥：普通硅酸盐水泥（P.O42.5），冀东水泥集团有限责任公司。

⑶粗骨料：普通碎石，5～20mm 连续级配；

⑷细骨料：河砂，中砂，含泥量2%～3%；

⑸外加剂：液体聚羧酸减水剂，固含量40%，减水率大于30%；

⑹拌合水：自来水。

1.2 试验方案设计

采用单因素控制法，测试水胶比相同条件下塑性混凝土的力学性能随膨润土掺量变化的变化规律。根据《DL/T5786-2019 水工塑性混凝土配合比设计规程》进行配合比设计。假定塑性混凝土密度为2100 ～2200kg/m3，砂率为50%，水胶比为1.0，调整减水剂的用量，保证各组试验坍落度和扩展度为250～330mm。膨润土掺量分别占胶凝材料总量30%、50%、70%，其配合比见表3。

表3 塑性混凝土配合比

1.3 试验方法

混凝土制备参照《DL/T5303-2013 水工塑性混凝土试验规程》进行。由于试验中膨润土掺量较大，为了更好地使减水剂产生作用以及胶凝材料能够与粗细骨料搅拌均匀，搅拌前先将水泥和膨润土拌均匀，再与粗细骨料混合搅拌。试验测试主要依据《DL/T5303-2013 水工塑性混凝土试验规程》及《DL/T5144-2015 水工混凝土施工规范》进行。采用边长100mm×100mm×100mm 的立方体试块测试抗压强度；φ150mm×300mm 的圆柱体试块测试静力抗压弹性模量。

2 结果与分析

2.1 膨润土掺量对塑性混凝土抗压强度的影响

膨润土掺量对塑性混凝土抗压强度的影响如图1所示。由图1 可见：随膨润土掺量增大，塑性混凝土抗压强度近似线性降低。与掺量30%组28d、60d 抗压强度相比，掺量50%、70%组28d 抗压强度降幅分别为62.57%、78.53%；60d 分别为58.10%、79.92%。即膨润土掺量越大，塑性混凝土抗压强度降低越显著。当龄期不变时，随着膨润土掺量的增加，塑性混凝土抗压强度降低，且下降速度越来越缓慢；当龄期增加时，同一膨润土掺量的抗压强度随龄期增加而增大，增大幅度随着膨润土掺量增大而先增大后减小，即在掺量50%时，抗压强度增幅达到最大。

图1 立方体抗压强度与膨润土掺量的关系

水泥作为塑性混凝土强度主要贡献者，其发生水化反应生成坚固的水化产物是决定塑性混凝土强度的主要因素之一。随着膨润土掺量增加，胶凝材料总量不变，则水泥用量降低，发生水化反应生成水化产物减少，强度降低。同时，随着龄期的增长，塑性混凝土强度发展过程中，发生水泥-水-土三相“固化”作用。但当膨润土掺量过高时，且塑性混凝土凝结硬化时间足够长，膨润土完全吸水膨胀，水泥与膨润土比例失调，使得塑性混凝土强度降低速度加快。

2.2 膨润土掺量对塑性混凝土变形性能的影响

在外部荷载作用下，塑性混凝土的变形性能主要由其静力抗压弹性模量体现。静力抗压弹性模量越小，可塑性越强，变形性能越强。膨润土掺量对塑性混凝土静力抗压弹性模量的影响如图2 所示。由图可见：膨润土掺量对塑性混凝土静力抗压弹性模量的影响尤为明显，随膨润土掺量增大，弹性模量近似线性降低。与掺量30%组28d、60d 弹性模量相比，掺量50%、70%组28d 降幅分别为97.45%、99.84%；60d 分别为75.37%、92.69%。即膨润土掺量越大，塑性混凝土弹性模量降低越显著。当龄期不变时，随着膨润土掺量的增加，塑性混凝土弹性模量降低，且下降速度越来越缓慢；当龄期增加时，同一膨润土掺量的弹性模量随龄期增加而降低，降低幅度随着膨润土掺量增大减小，分别为98.42%、84.71%、25.33%，即在掺量70%时，弹性模量降幅最大。

图2 静力抗压弹性模量与膨润土掺量的关系

由胡克定律可知，塑性混凝土静力抗压弹性模量是试件受压破坏后应力与应变的比值。在应力不变的状态下，应变越大，弹性模量越小。膨润土中的主要成分蒙脱石是一种由两层硅氧四面体中间加一层铝（镁）氧四面体组成的2:1 型粘土矿物。其中两个单元层结构之间通过分子间作用力（范德华力）连接，结构松散，水分子或其他有机分子可以进入层间发生膨胀，使得混凝土整体具有可压缩性[5]。在荷载作用下，塑性混凝土发生较大变形，产生较大应变，使得弹性模量降低。因此，当塑性混凝土中膨润土含量高时，其可发生应变大，弹性模量低，变形能力强。

3 结论

通过对膨润土掺量对塑性混凝土力学性能影响的试验研究及理论分析，得到如下结论：

⑴随着膨润土掺量的增加，塑性混凝土抗压强度呈近似线性降低，且下降速度越来越缓慢。与28d 龄期相比，60d 抗压强度增大，增大幅度随着膨润土掺量增大而先增大后减小，在掺量为50%时，抗压强度增幅达到最大。

⑵随着膨润土掺量的增加，塑性混凝土弹性模量呈近似线性降低，且下降速度越来越缓慢。与28d 龄期相比，60d 弹性模量降低，降低幅度随着膨润土掺量的增大而减小，在掺量为70%时，弹性模量降幅最大。