低弹混凝土在某土坝除险加固中的应用

 

    一、原材料试验

 

    试验所用水泥为安徽宁国海螺32.5R级复合硅酸盐水泥，掺合料采用膨润土，细骨料为天然河砂或石屑，粗骨料为一级配石灰岩碎石，各种材料的物理性能试验成果分述如下。

 

    1．1水泥

 

    试验所用水泥为安徽宁国海螺32.5R级复合硅酸盐水泥，其物理力学性能试验成果见表1。

 

表1    水泥物理力学性能试验成果

 

    经试验，水泥各项物理力学性能指标均符合GB12958-1999要求。

 

    １．２细骨料

 

    试验所用细骨料为天然河砂或石屑，各项物理性能指标试验成果见表２，表3。

 

                                                         表２   砂料试验成果

 

                                                          表3   石屑试验成果

 

    细骨料试验成果表明，天然砂的细度模数为3.0、石屑的细度模数为3.3，属于粗砂，含泥量满足水工混凝土拌和用砂有关规范要求。

 

    １．３粗骨料

 

    试验所用粗骨料为石灰岩碎石，石料级配为一级配，Ｄmax＝20mm，各项物理性能指标试验成果见表4

 

                                                          表4   粗骨料试验成果

 

    粗骨料试验成果表明，本粗骨料含泥量等各指标均满足水工混凝土拌和用粗骨料要求。

 

    １．４膨润土

 

    试验所用膨润土为钠基膨润土，其细度为11.2%（按水泥细度试验方法）。

 

    １．5外加剂

 

    试验用外加剂为浙江五龙化工股份有限公司生产的ZWL-B-2型引气缓凝泵送剂。

 

    二、低弹混凝土基本参数的确定

 

    根据本工程防渗墙的施工特点（采用人工开挖坝体，倒挂井护壁，人工振捣），因此工作面较小，施工难大较大，要求防渗墙混凝土拌和物应具有良好的和易性、粘聚性及一定的流动性，而做为防渗墙应具有弹性模量低、变形性能好的特点，能有效适应土坝坝体的变形。但由于现场施工进度要求试验室在一个月多的时间内，提供合宜的施工配合比。而本工程防渗墙混凝土的设计要求混凝土强度等级为C8、坝落度为9~11cm、弹性模量≤14000MPa，抗渗等级W4，根据资料分析国内同类型防渗墙混凝土设计弹性模量为≤15000Mpa，而施工实测弹性模量均在14000Mpa以上，因此本工程的设计要求是比较高的。在这么短的时间内，决定采用非常规的试验安排，根据有关经验，对不同水胶比、水泥用量、膨润土掺量、细骨料种类、含砂率等因素经优化直接进行一轮试验，能过试验成果分析，选定合宜的施工配合比，故确定以下参数。

 

    2．１水胶比

 

    水胶比是决定混凝土强度、抗渗性及耐久性等指标的重要参数，对于本工程防渗墙的混凝土应具有弹性模量低，较高的抗渗性能，并应具有Ｃ８的强度。根据实际细骨料采用天然砂时水胶比为0.68、0.70、0.72、0.74、0.75，细骨料采用石屑时水胶比为0.70、0.72、0.74、0.76等各种水胶比进行混凝土的抗压强度、渗透系数、及弹性模量等指标的试验。

 

    2．2膨润土是以蒙脱石为主要成份的含水硅酸类，属无机非金属矿物，其颗粒一般较细，掺入混凝土中有利降低混凝土的弹性模量，但由于本工程要求防渗墙混凝土的强度较高，但细骨料细度模数又较大，故细骨料用砂时膨润土选择20%、25%、30%的掺量，细骨料用石屑时选择25%、30%、35%的掺量进行各项性能试验。

 

    2．3砂率

 

    砂率的变动将混凝土拌和物的流动性产生很大的影响，并对混凝土的弹性模量产生较大的影响，应选用较大的砂率，但由于工程工期紧，故混凝土中细骨料采用天然砂时选择50%的砂率，混凝土中细骨料采用石屑时选择60%的砂率进行不同水胶比和不同膨润土掺量的各项性能试验。

 

    2．4用水量的确定

 

    混凝土单位用水量的多少是控制混凝土拌和物流动度大小的主要因素，因此确定单位用水量应以混凝土拌和物达到能满足施工要求的流动度为依据。根据本工程设计要求坝落度应控制在9~11cm之间，并结合外加剂的减水性能确定混凝土细骨料采用天然砂时用水量为260~270kg/cm³之间，混凝土细骨料采用石屑时用水量为260~275 kg/cm³之间。

 

    2．5外加剂的掺量

 

    外加剂的掺量根据外加剂生产企业提供的掺量为胶凝材料用量的0.25%。

 

    三、试验方案及成果分析

 

    3．1根据上述确定的参数，按不同水胶比、膨润土掺量与相同砂率的不同配合比进行混凝土的各项性能指标的试验。试验严格按有关规程进行，试验成果见表5。

 

                                                        表5   试验成果表

注：编号S的是指细骨料用天然砂，编号G的是指细骨料用石屑。

 

    3．2成果分析

 

    1、水胶比是影响混凝土强度的主要因素，随着水胶比的增大混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、渗透等级均随着下降，这符合混凝土和水胶比的一般规律。

 

    2、膨润土掺量是影响混凝土强度的次要因素，随着膨润土掺量的增加混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、渗透等级均随着下降。

 

    3、在一定范围内，砂率对混凝土的力学性能影响较小。

 

    4、膨润土掺量相同，水胶比每缩小0.03，混凝土的抗压强度约增加14.3%，抗拉强度约增加24.2%，弹性模量约增加9.9%。

 

    5、膨润土掺量相同，混凝土抗压强度相同的情况下，细骨料使用石屑与使用砂比较，抗拉强度约增加18.5%，弹性模量约增加8.4%。

 

    6、抗渗等级基本可满足防渗墙的设计要求。

 

    综上所述，水胶比和膨润土掺量是影响混凝土强度和弹性模量的最主要因至素，强度增加，弹性模量也增加，但强度的增加对设计要求的弹性模量是不利的，所以在达到设计混凝土强度等级的条件（尽量降低）混凝土的弹性模量。通过以上试验只要选择适当的水胶比和膨润土掺量是可以配制出满足设计要求的混凝土。

 

    四、工程应用结果

 

    根据室内试验的情况，确定细骨料采用天然砂，选用编号S2的配合比作为现场用施工配合比。并在本工程防渗墙应用中取得了较好的效果。现场浇筑情况表明，选定的配合比和易性好，易于浇筑，适应施工要求。并经现场取样试验，28d抗压强度最大值为11.3Mpa、最小值为8.1 Mpa，平均抗压强度为9.6Mpa；弹性模量最大值为13426 Mpa、最小值为10770Mpa，平均弹量模量为12020 Mpa；抗渗等级≥W4，上述各项指标均符合设计要求。

 

    五、结论

 

    随着时间的推移，国内五、六十建造的土坝都相继进入除险加固期，而其中对土坝坝体作一新的混凝土防渗体是有效的防止坝体的渗漏的方法，但同时对防渗墙采用的混凝土提出了较高的要求，其混凝土应具有适应土坝坝体变形，又能防止水流渗漏的能力，因此要求配制的混凝土应具有低弹性模量、高抗渗的性能，而且应具有相对低弹混凝土较高的强度。

 

    在设计配合比时在满足和易性的要求下，尽量采用大砂率，对降低混凝土的弹性模量有帮助。并在设计时可以掺入引气型减水剂，以达到降低水胶比提高混凝土的抗渗能力。

 

    膨润土是一种无机非金属矿物，颗粒一般较细，掺入混凝土中能有效地降低混凝土的弹性模量。

 

    水胶比和膨润土掺量是影响低弹高抗渗混凝土性能的主要因素，选择适当的水胶比、膨润土掺量可以配制满足设计要求的混凝土。