塑性混凝土材料性能試驗(yàn)研究與應(yīng)用

...wd......wd......wd...第一章緒論1.1研究的目的與意義我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，水利是農(nóng)業(yè)的命脈，因此水利工程建設(shè)一直被擺在我國經(jīng)濟(jì)工作的重要日程。混凝土防滲墻國際上稱地下連續(xù)墻，隨著我國水電事業(yè)的開展而廣泛應(yīng)用在不同的水工建筑物中，如壩體、壩基防滲、險(xiǎn)壩加固、壩后擋土、隧洞出口、溢洪道下游防沖加固以及圍堰、堤壩的防滲工程等。近年來也應(yīng)用在海港、碼頭、地鐵及城市高層建筑的根基工程中。在各項(xiàng)水利工程、航道樞紐工程中建造的混凝土防滲墻不計(jì)其數(shù)，其中深度超過40m的防滲墻有近50道，總面積近60萬m2，許多工程的難度在世界上都是罕見的[1]。過去防滲墻的墻體材料普遍采用常規(guī)混凝土，〔一般稱剛性混凝土，彈性模量一般在10000MPa以上〕，由于剛性混凝土彈性模量高，在荷載作用下，極限變形能力小，墻與周圍壩基的變形差異大，導(dǎo)致防滲墻與圍巖的應(yīng)力不同，防滲墻內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而致使墻內(nèi)產(chǎn)生有害裂縫，甚至有墻體被壓碎的不安全，使防滲墻遭到破壞。如加拿大馬尼克3號壩采用了兩道剛性混凝土防滲墻，在108米高土壩荷重和水壓力作用下，墻內(nèi)應(yīng)力超過26×106Pa，結(jié)果防滲墻被壓碎[2]。假設(shè)在防滲墻內(nèi)設(shè)鋼筋，不僅使原材料消耗大，增加了工程造價(jià)，而且使施工程序復(fù)雜，特別是在撤除階段需采用爆破技術(shù)，對主體建筑有影響[3]。此外，剛性混凝土墻體與周圍土體沉陷差異較大，與根基部位相連接相當(dāng)困難。在這樣的背景下國內(nèi)外便開場探索采用一種新型的防滲墻墻體材料，即塑性混凝土，來解決傳統(tǒng)的剛性混凝土防滲墻出現(xiàn)的問題，相應(yīng)地，加強(qiáng)對塑性混凝土各種材料性能的試驗(yàn)研究就顯得相當(dāng)重要。塑性混凝土是近幾年才開展起來的一種介于土與普通混凝土之間的柔性工程材料，它是一種由水泥、水、粘土、膨潤土、石子、砂子等原材料經(jīng)攪拌、漿體澆筑、凝結(jié)而成的混合材料。為了改善塑性混凝土的特性同時(shí)節(jié)約水泥，有時(shí)還要摻加粉煤灰、外加劑。塑性混凝土原材料組成與普通混凝土原材料組成的最大差異是膠凝材料組成不同，塑性混凝土的膠凝材料除了水泥之外，還有膨潤土、粘土等，也可以同時(shí)摻入兩種材料。按膠凝材料組成的不同，塑性混凝土可分為膨潤土塑性混凝土、粘土塑性混凝土以及粘土加膨潤土塑性混凝土三種類型。與普通混凝土相比，塑性混凝土有如下特性：彈性模量低〔接近砂卵在地基的彈性模量〕，極限應(yīng)變較大，有較好的抗裂性能，在降低構(gòu)筑物滲漏量的情況下，安全使用壽命比普通混凝土長；防滲效果好，滲透系數(shù)較小，其滲透系數(shù)一般在n×10－7～n×10－9cm/s，隨著水泥和膨潤土摻量的增加，滲透系數(shù)還會減??；抗壓強(qiáng)度不高，一般為2～4MPa，最終強(qiáng)度比普通混凝土低，但由于它的彈性模量與地基彈性模量相近，能適應(yīng)地基變形，使構(gòu)筑物與地基聯(lián)合受力，因而承受比普通混凝土大得多的變形；拌和物工作性好，流動性、粘聚性良好，不易離析，不堵管，易于泵送且不需振搗，能自流平、自密實(shí)，初凝和終凝時(shí)間比普通混凝土長，另外塑性混凝土早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度上升快；水泥用量少，僅為普通混凝土水泥用量的30％左右，能節(jié)約大量水泥，降低工程造價(jià)。由于具有上述這些特性，塑性混凝土被國內(nèi)外廣泛用作防滲墻墻體材料應(yīng)用于大壩防滲墻構(gòu)造、堤防防滲加固的連續(xù)墻中。塑性混凝土防滲墻的配合比設(shè)計(jì)與普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)不同，普通混凝土是根據(jù)所需強(qiáng)度進(jìn)展配制的，塑性混凝土是根據(jù)工程所需要適應(yīng)墻身周圍材料的變形模量和抗?jié)B要求配制的，同時(shí)，拌和物的和易性要滿足施工方便的要求，墻身材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、容重等性能指標(biāo)還要滿足一定的要求。因而，加強(qiáng)塑性混凝土材料性能的研究對塑性混凝土防滲墻的配合比設(shè)計(jì)以及施工都有重要的作用，此外，對于塑性混凝土防滲墻的施工以及防滲墻在工作運(yùn)行期間的維護(hù)都有重要的指導(dǎo)意義。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及存在的問題塑性混凝土早在20世紀(jì)60年代國外已開場應(yīng)用，70年代以來，國外對塑性混凝土進(jìn)展了大量試驗(yàn)研究，對塑性混凝土的彈性模量和相對滲透系數(shù)進(jìn)展了探討，并修建了一批塑性混凝土防滲墻，它們在根基防滲、病險(xiǎn)壩防滲加固處理等方面，得到了廣泛的應(yīng)用，且很成功，并取得了豐富的經(jīng)歷。80年代以來，國際大壩工程界對塑性混凝土防滲墻技術(shù)予以了很大的關(guān)注，第14、15、17屆國際大壩會議上發(fā)表了多篇塑性混凝土防滲墻工程的文章。如第17屆國際大壩會議上介紹的阿根廷西雷塔水電工程〔總長47.7km，總面積達(dá)90萬m2，堪稱世界上最長的防滲墻〕、智利的科爾外鄉(xiāng)石壩〔墻深68m，作用水頭110m，覆蓋層厚68m，塑性混凝土防滲墻防滲效率到達(dá)99.8％〕、日本只見壩工程〔在21m覆蓋層中使用的塑性混凝土防滲墻，墻體與周圍土體相對沉陷僅差幾毫米〕、西班牙阿爾翁壩工程中的塑性混凝土防滲墻均取得了令人滿意的效果[4]。第九屆國際土力學(xué)和根基工程會議提出了對灌漿混合物和塑性混凝土的比較[5]，該研究方案對灌漿料和塑性混凝土的三軸“應(yīng)力－應(yīng)變〞強(qiáng)度特性進(jìn)展了比照。Colbun壩的試驗(yàn)研究評價(jià)了6種塑性混凝土的配合比設(shè)計(jì)，研究得出：滲透系數(shù)與滲透坡降無關(guān)，抗剪強(qiáng)度和初始的切線模量隨水灰比的下降而增加，且隨有效固結(jié)力的增加而增加，破壞時(shí)應(yīng)變隨固結(jié)應(yīng)力的增加而增加[6][7]。國際大壩會議的研究方案中進(jìn)展了無側(cè)限壓力試驗(yàn)和無側(cè)限不排水壓力試驗(yàn)，并把塑性混凝土截水墻施工時(shí)應(yīng)該采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么加以總結(jié)[8]。Bucknell大學(xué)的試驗(yàn)研究工程以塑性混凝土作截水墻的材料，進(jìn)展了滲透試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)[9]。我國對塑性混凝土的研究始于20世紀(jì)80年代初，為了尋求彈性模量低的墻體材料，采用在混凝土中摻加粘土成份〔約占膠凝材料量的20％〕、粉煤灰和減水劑的方法，但成效不明顯，水泥用量仍在300kg/m3以上，彈性模量高于14000MPa。80年代中期，長江水利委員會科學(xué)研究院曾對長江三峽水電站深水圍堰柔性心墻的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)展理論計(jì)算和分析研究，計(jì)算結(jié)果說明：防滲墻假設(shè)采用柔性材料，將會使整個(gè)墻體內(nèi)應(yīng)力值降低80％左右，同時(shí)，墻內(nèi)無拉應(yīng)力存在[10]。1988年9月新疆烏拉泊水庫除險(xiǎn)加固工程中，在壩頂修建一道塑性混凝土防滲墻，最大墻深50m，墻厚0.8m，這是塑性混凝土防滲墻在我國的最初試驗(yàn)應(yīng)用，華北水利水電學(xué)院曾對該壩采用塑性混凝土防滲墻作了有限元計(jì)算。1989年3月，福建水口水電站主圍堰首次將塑性混凝土用于圍堰防滲墻，并取得了良好的效果，隨后在許多大中型水電工程中推廣應(yīng)用，如小浪底主壩、水口水電站二期上圍堰、丹江口水庫副壩、隔河巖電廠圍堰、岳城水庫大副壩、鳳亭河水庫主壩等。1997年底，三峽工程大江截流成功后，長江科學(xué)院推薦的防滲墻塑性混凝土施工配合比開場在二期圍堰防滲墻的試驗(yàn)段進(jìn)展試驗(yàn)性施工，1997年12月開場正式施工。三峽工程二期圍堰自1998年底運(yùn)行至今，根據(jù)原型觀測資料，防滲墻最大水平位移為57cm，防滲性能良好[11]。國內(nèi)的試驗(yàn)研究工作雖然比國外晚一二十年，但是進(jìn)展比較迅速，中國水利水電根基局和清華大學(xué)等單位，率先開場塑性混凝土這一工程課題的試驗(yàn)研究。通過對塑性混凝土基本配合比試驗(yàn)研究、靜力特性試驗(yàn)研究、動力試驗(yàn)研究及塑性混凝土主要物理力學(xué)性質(zhì)的研究，對塑性混凝土的性狀有了較為全面的了解，獲得了一些對塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義的結(jié)論，同時(shí)也推動了國內(nèi)塑性混凝土防滲墻技術(shù)的開展。國內(nèi)外對塑性混凝土課題所做的研究成果普遍側(cè)重于它在實(shí)際工程中的應(yīng)用，而對于塑性混凝土這種建筑材料本身的材料性能缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。由于塑性混凝土是介于土與普通混凝土之間的一種新型柔性材料，因而對其局部材料性能的測試不能采用常規(guī)的試驗(yàn)儀器和方法，盡管國內(nèi)外做了大量的試驗(yàn)研究，但是目前仍沒有一個(gè)較理想的標(biāo)準(zhǔn)?；炷翉椥阅Ａ坑卸喾N測試方法，但是受原材料的限制，塑性混凝土不能采用電阻應(yīng)變片的測試方法，只能采用通過千分表或百分表測其變形的測試方法。塑性混凝土的抗?jié)B性介于粘土與普通混凝土之間，因而塑性混凝土抗?jié)B性能的評價(jià)指標(biāo)也與普通混凝土不大一樣，不宜采用抗?jié)B標(biāo)號，而采用相對滲透系數(shù)。并且對塑性混凝土相對滲透系數(shù)的測定用傳統(tǒng)的抗?jié)B儀也存在很多問題，使得試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況不相符合。本文在試驗(yàn)的根基上將對上述問題進(jìn)展系統(tǒng)和較深入的研究。1.3本文完成的主要工作基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并結(jié)合塑性混凝土在三門峽槐扒黃河提水工程西段村水庫防滲墻中的應(yīng)用，本文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究：〔1〕隨著塑性混凝土在防滲工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其拌和物的工作性，如流動性和粘聚性，也越來越受到關(guān)注，拌和物的工作性對硬化混凝土的性能有很大影響，而且還直接決定著施工的難易程度。本文通過大量比照試驗(yàn)，得出了不同原材料用量以及試驗(yàn)條件和試驗(yàn)操作對塑性混凝土拌和物工作性的影響規(guī)律?！?〕在試驗(yàn)的根基上分析了塑性混凝土彈性模量采用不同標(biāo)距的兩種測試方法，得出了測試塑性混凝土彈性模量較為理想的方法。并通過對不同原材料用量和不同試驗(yàn)條件的比照試驗(yàn)，對影響塑性混凝土彈性模量的各種因素進(jìn)展了詳細(xì)分析，得出了各種因素對塑性混凝土彈性模量的影響規(guī)律?！?〕由于塑性混凝土這種柔性材料的滲透速度很慢，用常規(guī)的滲透儀測定其滲透系數(shù)，試驗(yàn)周期很長，不能滿足實(shí)際工程及試驗(yàn)的需要。本文根據(jù)常規(guī)滲透試驗(yàn)中積累的經(jīng)歷，自行研制了一種高壓土工滲透儀，對該儀器試驗(yàn)原理、測定方法以及計(jì)算公式的推導(dǎo)進(jìn)展了詳細(xì)的探討，并以塑性混凝土滲透系數(shù)的測定為例進(jìn)展了試驗(yàn)研究，對使用該儀器測定塑性混凝土滲透系數(shù)時(shí)影響滲透系數(shù)的試驗(yàn)因素進(jìn)展了分析?！?〕本文對塑性混凝土抗?jié)B性能的評價(jià)和相對滲透系數(shù)、破壞滲透比降的試驗(yàn)方法進(jìn)展了探討，在大量試驗(yàn)的根基上對塑性混凝土的滲透原因以及影響塑性混凝土抗?jié)B性的各種因素進(jìn)展了詳細(xì)的分析，并得出了水膠比、砂率以及水泥、粘土、膨潤土、粉煤灰和外加劑等原材料對塑性混凝土抗?jié)B性的影響規(guī)律?！?〕塑性混凝土防滲墻在水下除了承受自重外還承受水壓力，因而塑性混凝土要滿足一定的強(qiáng)度要求。本文通過對塑性混凝土28天抗壓強(qiáng)度、90天抗壓強(qiáng)度、28天劈裂抗拉強(qiáng)度和28天抗剪強(qiáng)度的測定，分析了原材料用量對塑性混凝土強(qiáng)度的影響?！?〕詳細(xì)介紹了塑性混凝土在三門峽槐扒黃河提水工程西段村水庫防滲墻中的應(yīng)用，在塑性混凝土的生產(chǎn)工藝、防滲墻的施工技術(shù)以及塑性混凝土質(zhì)量控制方面進(jìn)展了探索和研究。試驗(yàn)所用原材料及主要試驗(yàn)儀器2.1試驗(yàn)所用原材料試驗(yàn)所用的原材料有粘土、膨潤土、水泥、細(xì)骨料、粗骨料、一級粉煤灰和外加劑〔引氣減水劑〕。對各種原材料均委托河南省水利水電工程質(zhì)量檢測中心進(jìn)展了質(zhì)量檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)情況如下文所述。2.1.1水泥本試驗(yàn)所用水泥為鄭州龍崗水泥廠生產(chǎn)的袋裝普通硅酸鹽32.5級水泥，根據(jù)?硅酸鹽、普通硅酸鹽水泥?〔GB175-1999〕對該水泥強(qiáng)度等級、物理性能進(jìn)展了檢測，檢測結(jié)果見表2.1：表2.1水泥強(qiáng)度等級、物理性能檢驗(yàn)結(jié)果工程抗折強(qiáng)度〔MPa〕抗壓強(qiáng)度〔MPa〕凝結(jié)時(shí)間〔h：min〕標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量〔％〕安定性3d28d3d28d初凝終凝標(biāo)準(zhǔn)值≥2.5≥5.5≥11.0≥32.5≥00：45≥10：00－合格檢測值4.57.616.137.202：5505：0525.8合格結(jié)論該水泥所檢工程符合?硅酸鹽、普通硅酸鹽水泥?〔GB175-1999〕標(biāo)準(zhǔn)要求。從上表可以看出，鄭州龍崗水泥廠生產(chǎn)的袋裝32.5級普通硅酸鹽水泥為合格水泥。2.1.2粘土本試驗(yàn)所用粘土為三門峽槐扒黃河提水工程西段村水庫壩基Q2粉質(zhì)粘土，其顆粒分析數(shù)據(jù)見表2.2，檢驗(yàn)結(jié)果見表2.3，其顆粒級配曲線見圖2.1：表2.2顆粒分析數(shù)據(jù)粒徑〔mm〕0.05920.04250.02110.00950.00690.0050.00290.0015含量〔％〕9288.866.640.732.825.9189粘土在摻入前先曬干，然后粉碎、磨細(xì)，再過篩〔篩孔5㎜〕，最后以泥漿的形式摻入。粘土在試驗(yàn)的前一天提前在容器中用水浸泡，在進(jìn)展配合比計(jì)算中計(jì)算用水量時(shí)將浸泡粘土的這局部水扣除掉。粘土的顆粒級配曲線見圖2.1。表2.3顆粒分析檢驗(yàn)結(jié)果粒徑〔mm〕＞0.050.05～0.005＜0.005〔＜0.002〕含量檢測值〔％〕9.065.026.012.5結(jié)論根據(jù)?土工試驗(yàn)規(guī)程?〔SL－1999〕，該土為粉質(zhì)粘土。圖2.1粘土顆粒級配曲線圖2.1.3膨潤土試驗(yàn)所用膨潤土由信陽華申膨潤土生產(chǎn)的鈣基膨潤土，主要性能指標(biāo)也由生產(chǎn)廠家提供，廠家提供的物理性能指標(biāo)見表2.4，化學(xué)性能指標(biāo)見表2.5。膨潤土與水泥等其它膠凝材料混合均勻后一起摻入。表2.4膨潤土物理指標(biāo)廠家檢驗(yàn)結(jié)果工程濕壓強(qiáng)度〔KPa〕吸藍(lán)量〔%〕膠質(zhì)價(jià)〔%〕膨脹倍數(shù)水份〔%〕粒度廠家提供值37.33445.59.515.1200目96表2.5膨潤土化學(xué)成分廠家檢驗(yàn)結(jié)果工程SiO2(%)Al2O3(%)Fe2O3(%)TiO2(%)CaO(%)MgO(%)K2O(%)Na2O(%)燒灼廠家提供值72.0215.761.440.212.193.270.380.225.912.1.4細(xì)骨料本試驗(yàn)所用細(xì)骨料為三門峽槐扒黃河提水工程西段村水庫防滲墻工程當(dāng)?shù)靥烊簧埃鶕?jù)?建筑用砂?〔GB14684-2001〕、?水工混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)?〔SDJ207-82〕對砂料進(jìn)展了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2.6，砂子的細(xì)度模數(shù)為2.7。砂料的篩分曲線如圖2.2所示，由以以以下列圖表可以看出，本次試驗(yàn)用砂各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均符合?建筑用砂?GB14684－2001標(biāo)準(zhǔn)要求，級配曲線在Ⅱ區(qū)，屬于中砂，含泥量合格。圖2.2砂料篩分曲線圖表2.6細(xì)骨料各項(xiàng)物理性能檢驗(yàn)結(jié)果工程細(xì)度模數(shù)表觀密度〔g/cm3〕面干密度〔g/cm3〕干松密度〔g/cm3〕空隙率〔%〕含泥量〔%〕檢測值2.72.682.651.5440.5標(biāo)準(zhǔn)值﹥2.3﹥2.5—﹥1.35﹤47﹤3.0工程穩(wěn)固性〔%〕三氧化硫〔%〕云母含量〔%〕有機(jī)質(zhì)含量〔%〕輕物質(zhì)含〔%〕堿集料反響檢測值0.90.10.04淺于標(biāo)準(zhǔn)色0.07合格標(biāo)準(zhǔn)值﹤8﹤0.5﹤2.0淺于標(biāo)準(zhǔn)色﹤1.0合格結(jié)論根據(jù)GB14684-2001，所檢工程符合要求。2.1.5粗骨料本次試驗(yàn)所用粗骨料為三門峽槐扒黃河提水工程西段村水庫防滲墻工程當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的5～20mm碎石，根據(jù)?建筑用碎〔卵〕石?〔GB14685－2001〕對石料進(jìn)展檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2.7，粗骨料的顆粒分析結(jié)果見表2.8。表2.7粗骨料各項(xiàng)物理性能檢驗(yàn)結(jié)果工程干松密度〔g/cm3〕面干密度〔g/cm3〕表觀密度〔g/cm3〕空隙率〔％〕面干吸水率〔％〕含泥量〔％〕檢測值1.52.692.7244.80.230.4標(biāo)準(zhǔn)值>1.35－>2.5<47－<1.0工程針片狀含量三氧化硫穩(wěn)固性壓碎指標(biāo)有機(jī)質(zhì)含量〔％〕原孔篩檢驗(yàn)超遜徑〔％〕超徑遜徑檢測值7.30.172.510淺于標(biāo)準(zhǔn)色4.63.1標(biāo)準(zhǔn)值<15<1.0<8<20淺于標(biāo)準(zhǔn)色－－備注標(biāo)準(zhǔn)值指?建筑用碎〔卵〕石?GB14685-2001中所規(guī)定的值。從表2.7和表2.8可以看出，本次試驗(yàn)所用5～20mm碎石顆粒級配符合標(biāo)準(zhǔn)要求。表2.8粗骨料顆粒分析結(jié)果新標(biāo)準(zhǔn)石子篩孔(mm)75.063.053.037.531.526.55-20mm碎石檢測值－－－－－0標(biāo)準(zhǔn)值－－－－－0結(jié)論－－－－－合格新標(biāo)準(zhǔn)石子篩孔(mm)19.016.09.54.752.36－5-20mm碎石檢測值1.412.458.593.399.8－標(biāo)準(zhǔn)值0~10—40~8090~10095~100－結(jié)論合格－合格合格合格－備注標(biāo)準(zhǔn)值指?建筑用碎〔卵〕石?GB14685-2001中所規(guī)定的值。2.1.6粉煤灰粉煤灰是燃煤電廠中磨細(xì)煤粉在鍋爐中燃燒后從煙道排出被收塵器收集的物質(zhì)，分為低鈣粉煤灰和高鈣粉煤灰兩類。低鈣粉煤灰通常是無煙煤和煙煤的燃燒物，CaO的含量小于10%；高鈣粉煤灰通常是褐煤和亞煙煤的燃燒物，CaO的含量為15%~35%，SiO2＋Al2O3＋Fe2O3≥50%。試驗(yàn)用的粉煤灰選用鴨河口電廠的Ⅰ級粉煤灰，其品質(zhì)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表2.9。對照?用于水泥和混凝土的粉煤灰?〔GB1596-91〕，該粉煤灰符合Ⅰ級粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)要求。表2.9鴨河口電廠的Ⅰ級粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果工程細(xì)度％需水量比％燒失量％三氧化硫％密度g/cm3含水量％檢測值8.990.33.10.212.20.27標(biāo)準(zhǔn)值≤12≤95≤5≤3－≤1結(jié)論該粉煤灰所檢工程符合?用于水泥和混凝土中的粉煤灰?〔GB1596－91〕要求2.1.7外加劑試驗(yàn)選用的外加劑為河南建苑材料生產(chǎn)的建4型引氣減水劑，是一種具有分散作用和使氣泡均勻分布的外加劑，有引氣、減水、增強(qiáng)、降低水化熱等綜合特性。表2.10是由廠家提供的檢測報(bào)告，結(jié)果符合GB8076－1997指標(biāo)。表2.10建4型引氣減水劑檢測結(jié)果工程減水率％，不小于泌水率％，不大于含氣量％凝結(jié)時(shí)間差min抗壓強(qiáng)度比，％，不小于收縮率比，％，不大于初凝終凝3d7d28d標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一等品1070>3.0-90~+120-90~+120115110100135合格品1080>3.0-90~+120-90~+120110110100檢測值10.5444.5+228+150119116112104備注外加劑摻量為0.75％，檢測值為試驗(yàn)混凝土與基準(zhǔn)混凝土差值或比值。2.2主要試驗(yàn)儀器WE-100B型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)〔最大壓力為100KN〕；J-60型強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)；WSH-3A型恒溫濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)設(shè)備；ZKS-B微機(jī)監(jiān)控高精度抗?jié)B儀；中型剪切儀；101型電熱鼓風(fēng)枯燥箱〔>100℃〕；10kg電子稱〔準(zhǔn)確到0.1g〕；CXK陶瓷吸水率真空裝置；百分表、千分表及磁性表架。第三章塑性混凝土拌和物工作性試驗(yàn)研究3.1引言隨著塑性混凝土在防滲工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其拌和物的工作性也越來越引起人們的關(guān)注。塑性混凝土的特性之一是拌和物的和易性較好，流動性、粘聚性良好，不易離析，易于泵送且不需振搗，能自流平、自密實(shí)。因而，為滿足防滲墻施工易于泵送等要求，一定要保證塑性混凝土拌和物具有良好的施工性，即具有良好的工作性。良好的工作性是使硬化后塑性混凝土質(zhì)量均勻、獲得良好的物理力學(xué)性能的前提。沒有良好的工作性也不可能有良好的耐久性，例如，不均勻的拌和物〔離析、泌水〕就會造成混凝土分層、不密實(shí)，流動性或填充性缺乏時(shí)還可能造成混凝土中出現(xiàn)孔洞、蜂窩等嚴(yán)重缺陷?；炷涟韬臀锕ぷ餍圆缓?，產(chǎn)生離析和泌水還會造成混凝土外表出現(xiàn)麻面、流砂等現(xiàn)象。離析使水泥漿從混合物中流出，混合料組分別離，失去連續(xù)性；泌水使固體顆粒下沉，水分上升，在混凝土外表產(chǎn)生浮漿，在與模板的交界面上，泌水把水泥漿帶走，僅留下砂子，從而形成流砂[12]。拌和物的工作性提高會使塑性混凝土的填充性、自流平性和均勻性得以提高，并為塑性混凝土的生產(chǎn)和施工走向全盤機(jī)械化、自動化、計(jì)算機(jī)控制和機(jī)器人操作成為可能。這樣，對塑性混凝土拌和物工作性的研究就顯得相當(dāng)重要。本文通過對塑性混凝土不同原材料用量和不同試驗(yàn)條件的比照試驗(yàn)，得出了各因素對塑性混凝土拌和物工作性影響的規(guī)律，所得結(jié)論對塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工具有較重要的指導(dǎo)意義。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)所用材料、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件等因素均對塑性混凝土拌和物的工作性有不同程度的影響，在配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中如果考慮不到這些因素，試驗(yàn)結(jié)果將會出現(xiàn)很大誤差，這樣，勢必會對塑性混凝土在工程上的應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面的影響。3.2塑性混凝土拌和物工作性的測定3.2.1塑性混凝土拌和物的工作性混凝土拌和物也稱為新拌混凝土，是指水泥混凝土在硬化以前的混合物。混凝土拌和物的工作性包括拌和物的稠度、可塑性和和易性，通常用來描述在混凝土開展初期階段，混凝土拌和物在運(yùn)輸、搗固以及抹平時(shí)所表現(xiàn)出的性能。我們常說的工作性一般僅指它的和易性，它的含義是指水泥混凝土拌和物在不發(fā)生離析、泌水的條件下，能夠滿足一系列施工工序〔拌和、運(yùn)輸、澆灌、振搗〕的性能，在此過程中盡可能減小能量消耗。要獲得任何質(zhì)量好的混凝土，適宜的工作性是一個(gè)基本要求?；炷涟韬臀锏墓ぷ餍跃哂泻軓?fù)雜的內(nèi)涵，它不僅包含拌和料本身的性能，而且也包含外在的影響因素，常常是兩種或幾種基本性質(zhì)的不同組合，以滿足不同條件下所需要的工作性[13]。正如Powers提出的，“工作性不是一個(gè)單相性質(zhì)，而是一種塑性物料在給定條件下所表現(xiàn)的假設(shè)干基本性質(zhì)的綜合效應(yīng)。〞[14]混凝土的工作性包括流動性、粘聚性和保水性等三方面的含義，塑性混凝土為了便于施工操作并能獲得密實(shí)的混凝土，要具有良好的工作性，最重要的兩方面是流動性和粘聚性。流動性是指混凝土拌和物在自重或施工機(jī)械振搗的作用下產(chǎn)生流動并均勻密實(shí)地填滿模型各個(gè)角落的能力，流動性的大小反映混凝土拌和物的稀稠程度，它可以影響施工搗實(shí)的難易和灌注混凝土的內(nèi)外質(zhì)量?；炷恋牧鲃有赃^大，雖然操作方便，但因水泥用量比較大，用水量也較大，容易影響混凝土的密實(shí)度、均勻性和強(qiáng)度。同時(shí)流動性大的混凝土也易產(chǎn)生水與砂、石離析的現(xiàn)象，粗石子下沉，砂漿上浮，必要時(shí)需在澆筑現(xiàn)場重新拌和[15]。粘聚性，就是混凝土拌和物內(nèi)部各組分之間具有一定的粘聚力，這樣在運(yùn)輸及澆注過程中不致出現(xiàn)分層離析，能夠使混凝土保持整體均勻的性能[16]。也就是說混凝土要具有混合物組分間相互粘合在一起的能力，假設(shè)在自然狀態(tài)下取一桶剛拌好的混凝土，去桶后不出現(xiàn)倒塌、局部崩裂或石子離析的情況，說明粘聚性良好，否那么反之。保水性是指混凝土拌和物保持水分不易析出的能力，以稀漿析出的程度來評定。坍落度筒提起后，如有較多稀漿從混凝土錐體底部析出且因失漿過多而使砂石外露就表示保水性不良，如坍落度筒提起后無稀漿或僅有少量稀漿從底部析出，且混凝土錐體含漿飽滿那么表示保水性良好。塑性混凝土拌和物的流動性一般以坍落度和擴(kuò)散度表示，其坍落度一般為20㎝~30㎝，1.5h時(shí)大于15㎝，擴(kuò)散度為30㎝~40㎝，這就滿足了施工便利的要求。坍落度和擴(kuò)散度大、流動性好、能自流成型、和易性好，凝結(jié)時(shí)間慢，從而大大減少了堵管和假凝等事故的發(fā)生。但是，坍落度和擴(kuò)散度過大，又會使拌和物不均勻，粘聚性不好。3.2.2塑性混凝土工作性的測定塑性混凝土工作性的測定方法目前采用坍落度與擴(kuò)散度兩種方法，由于坍落度和擴(kuò)散度試驗(yàn)所用儀器一樣，都是用坍落度筒來完成，兩個(gè)試驗(yàn)可以同時(shí)進(jìn)展。該試驗(yàn)方法是世界各國普遍使用的混凝土流動性測試方法，試驗(yàn)所用的坍落度筒是截頭圓錐模，上底直徑為100mm，下底直徑為200mm，高為300mm，用2mm～3mm厚的鐵皮制成，筒內(nèi)壁光滑。坍落度值即為混凝土拌和物試體在模子去除前后的高度之差。試驗(yàn)前先按“混凝土拌和物室內(nèi)拌和方法〞[17]拌制塑性混凝土拌和物，將坍落度筒沖洗干凈并保持濕潤，放在測量用的鋼板上，雙腳踏緊踏板，然后將塑性混凝土拌和物用小鐵鏟通過漏斗分三層裝入筒內(nèi)。每層體積大致相等，底層厚約70mm，中層厚約90mm。每裝一層，用搗棒〔直徑16mm、長650mm，一端為彈頭形的金屬棒〕在筒內(nèi)從邊緣到中心按螺旋形均勻插搗25次，插搗深度：底層應(yīng)穿透該層，中、上層應(yīng)分別插進(jìn)其下層約10mm～20mm。當(dāng)上層插搗完畢后，取下裝料漏斗，用鏝刀將塑性混凝土拌和物沿筒口抹平，并去除筒外周圍的混凝土。將坍落度筒徐徐豎直提起，輕放于試樣旁邊。當(dāng)試樣不再繼續(xù)坍落時(shí)，用鋼尺量出試樣頂部中心點(diǎn)與坍落度筒高度之差，即為坍落度值，準(zhǔn)確至1mm。用鋼尺在不同方向量取拌和物擴(kuò)散后的直徑2～4個(gè)，準(zhǔn)確至5mm，那么以這2～4個(gè)直徑測值的平均值作為擴(kuò)散度值。3.3塑性混凝土坍落度損失的原因新拌制的塑性混凝土拌和物，是一種由水和分散粒子組成的體系，隨著時(shí)間的推移，會逐漸變稠、變硬，并產(chǎn)生強(qiáng)度，這就是混凝土的凝結(jié)硬化過程，而反映在坍落度的變化上，就是坍落度逐漸損失，以至全部喪失。塑性混凝土屬于泵送混凝土，需要有很大的坍落度，如果坍落度損失過快就會造成混凝土輸送速度降低，降低生產(chǎn)效率，甚至因線路被堵塞而被迫停工。試驗(yàn)說明，坍落度損失2.5cm，就會使流動度變得很小，以致于使運(yùn)輸、灌注等產(chǎn)生困難。因而，在測定塑性混凝土坍落度時(shí)，整個(gè)坍落度試驗(yàn)應(yīng)該連續(xù)進(jìn)展，并應(yīng)在2min～3min內(nèi)完成。影響混凝土坍落度損失的原因是多方面的，且這些因素相互關(guān)聯(lián)，主要包括水泥、骨料、外加劑、溫度等幾個(gè)方面。3.3.1水泥的影響硅酸鹽水泥的主要礦物組成是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，從水化速度來看，以鋁酸三鈣為最快。因而，各種類型的水泥礦物組成及其組成的含量多少，會影響水泥的水化速度和凝結(jié)時(shí)間。在水泥水化過程中，3~30μm的熟料顆粒主要起強(qiáng)度增長作用，而大于60μm的顆粒那么對強(qiáng)度不起作用，小于10μm的顆粒需水量大。流變性好的水泥10μm以下顆粒應(yīng)少于10%。顆粒越細(xì)，細(xì)顆粒越多，需水量越大，早期強(qiáng)度越高，這必將加劇坍落度損失[18]。正常的坍落度損失要和假凝現(xiàn)象的坍落度損失區(qū)別開。正常的坍落度損失是隨時(shí)間逐漸的、較緩慢地進(jìn)展的，直到坍落度完全喪失為止，并無觸變性。當(dāng)存在著嚴(yán)重的假凝現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)坍落度可以在5～10min內(nèi)完全損失掉，且有觸變性。當(dāng)出現(xiàn)輕度或中等程度的假凝現(xiàn)象后，會導(dǎo)致高速率的坍落度損失。假凝現(xiàn)象幾乎不受混凝土溫度的影響，而正常坍落度損失那么恰恰相反[19]。3.3.2骨料的影響通常認(rèn)為砂、石骨料是“干〞的，或認(rèn)為它們有“后來的吸水作用〞，因此，在使用骨料之前，如果不使骨料濕潤或預(yù)先使骨料飽和，拌制出的混凝土在澆灌或泵送期間，骨料會從混凝土中吸收水分。當(dāng)骨料是多孔、疏松的輕骨料時(shí)，吸收的水分會更多。對于泵送混凝土，由于混凝土可泵性太差所產(chǎn)生的壓力會引起坍落度損失。此外，枯燥的骨料通常溫度比較高一些，因此，對于塑性混凝土來說，撒水有利于降低骨料的溫度，使塑性混凝土拌和物溫度下降，從而使坍落度損失減少。一般來說，大多數(shù)的天然骨料在拌和變溫的時(shí)候就吸進(jìn)了90%以上的水。骨料吸水引氣坍落度損失的另一個(gè)重要原因是由于骨料間的嚴(yán)重摩擦?？梢?，防止使用質(zhì)量低劣、高吸水性的骨料可很大程度地減少坍落度損失。3.3.3外加劑的影響外加劑摻入塑性混凝土后，對坍落度損失也存在著各種影響。當(dāng)摻入減水率高的、非緩凝性的、有一定引氣性的減水劑時(shí)，坍落度的損失速率比較高。高效減水劑的減水作用隨時(shí)間延長而降低，這是坍落度損失的主要原因。由于高效減水劑吸附在水泥顆粒外表或早期水化物上，它或是被水化物包圍，或是與水化物反響而被消耗掉，變得不能發(fā)揮分散能力，水泥顆粒間斥力減小，造成水泥顆粒凝聚，使混凝土坍落度減小。由于水泥的水化作用，水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2，C-S-H等水化產(chǎn)物，使新拌混凝土的粘度增大，造成混凝土坍落度隨時(shí)間延長而降低，而且由于減水劑的分散作用，水泥顆粒的反響面積更大，內(nèi)聚力也大，因而坍落度損失較普通混凝土更大[20]。此外，水泥顆粒被水濕潤后，其外表立即被溶解，水泥顆粒溶出鋁酸三鈣與石膏作用，生成鈣礬石膠凝物或硫鋁酸鈣，這種膠凝物質(zhì)有較大的粘性，是一種微晶體集合體，其外表積為原水泥顆粒外表積的1000倍，使水泥水化速度劇烈加快。外加劑的參加，一般更加劇了這種反響的進(jìn)展，因此，坍落度損失也隨之加大[19]。減水劑摻入混凝土中，即使是非引氣型減水劑也總有一定的氣泡混入，微小的氣泡有助于增加混凝土的坍落度。但是，在混凝土的運(yùn)輸過程中，氣泡不斷外逸并伴隨水分蒸發(fā)，因而使混凝土坍落度下降。摻有高效減水劑的混凝土用水量更少，而水分蒸發(fā)量相近，與不摻有高效減水劑的混凝土相比，其坍落度損失更為顯著[21]。3.3.4溫度的影響塑性混凝土拌和物內(nèi)部溫度和周圍環(huán)境的溫度越高，其坍落度損失越大。特別是在炎熱的天氣條件下，混凝土所用砂、石骨料經(jīng)太陽曝曬，溫度更高。水泥、骨料和外加劑等原材料組成完全一樣，且從拌和到澆灌的時(shí)間間隔都一樣的拌和物，在炎熱的天氣里，要想得到與較低氣溫下一樣的坍落度，就得適當(dāng)?shù)丶哟蟀韬突炷恋挠盟?，以便補(bǔ)償損失的坍落度。但是，這種增加用水量的做法，無疑會使塑性混凝土的水膠比增大，使得質(zhì)量受到影響，塑性混凝土的耐久性也受到不同程度的影響。因次，在炎熱天氣里，將當(dāng)日需用的砂、石骨料不讓太陽直接曝曬，并在骨料堆上灑水，以及對輸送過程的蔭蔽或冷卻，是控制拌和物內(nèi)部溫度的簡單方法[19]。3.4塑性混凝土拌和物工作性影響因素分析3.4.1水膠比對塑性混凝土拌和物工作性的影響水膠比就是水與細(xì)料總和〔水泥、膨潤土、粘土、粉煤灰等〕之比，它是塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，是影響塑性混凝土強(qiáng)度和彈性模量的主要因素，也是影響拌和物工作性的重要因素。水膠比不同，塑性混凝土水泥與粘土、膨潤土等的混合漿〔后簡稱混合漿〕稠度也不同。在一般混合漿量不變的情況下，增大水膠比，即減少膠凝材料用量或增大用水量時(shí)，混合漿就變稀，使混合漿的粘聚性降低，流動性增大。如水膠比過大，使混合漿的粘聚性降低過多，保水性差，就會出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，影響塑性混凝土質(zhì)量。反之，如水膠比過小，混合漿過稠，在泵送和澆筑過程中會發(fā)生堵管。故水膠比不能過大也不能過小，在滿足施工條件下，應(yīng)盡可能減小水膠比，減小單位用水量。隨著水膠比的增加，坍落度和擴(kuò)散度變化的規(guī)律性不強(qiáng)，這主要是與試驗(yàn)操作因素有關(guān)。但是經(jīng)過大量試驗(yàn)還是能看出隨著水膠比的增大，坍落度和擴(kuò)散度略有增大的趨勢〔見表3.1〕。表3.1不同水膠比塑性混凝土拌和物的工作性比照方案水膠比坍落度〔㎝〕擴(kuò)散度〔㎝〕1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕水泥粘土膨潤土石子砂子水A1－10.9820.53316028020690600450A1－21.072234.512028020710620450A1－31.18243880280207306404503.4.2粘土及膨潤土對塑性混凝土拌和物工作性的影響在粘土和膨潤土混摻的塑性混凝土中，粘土的摻量是很大的，每立方米塑性混凝土粘土的摻量最大可達(dá)380㎏。粘土摻量的多少對塑性混凝土拌和物的粘聚性和流動性有很大影響。濕態(tài)粘土為什么有粘結(jié)作用是個(gè)頗為復(fù)雜的問題，對它的粘結(jié)機(jī)理存在著各種解釋，有的從粘土顆粒外表對水的結(jié)合作用來解釋，認(rèn)為是當(dāng)粘土與水拌和以后由于粘土顆粒外表發(fā)生水化，形成強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，正是這種結(jié)合水決定了粘土顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)。另一種看法是從粘土顆粒外表帶電的角度出發(fā)，認(rèn)為粘土在外表水層建設(shè)了雙電層構(gòu)造。在水量適當(dāng)時(shí)，顆粒外表的雙電層發(fā)生重疊，從而形成“公共擴(kuò)散層〞。公共擴(kuò)散層中的陽離子對鄰近負(fù)電荷外表產(chǎn)生靜電引力，把它們粘結(jié)起來[22]。粘土中存在著大量的粘土礦物〔如伊利石，蒙脫石，高嶺石及綠泥石等〕，這些礦物是很細(xì)小的扁平顆粒，顆粒外表具有很強(qiáng)的與水相互作用的能力，外表積愈大，這種能力就愈強(qiáng)[23]。不同種類的粘土對塑性混凝土拌和物性能有不同影響，粘粒含量多、土顆粒越細(xì)以及塑性指數(shù)越高的粘土，拌出的塑性混凝土拌和物的粘聚性就越好。同種粘土隨著粘土量的增加拌和物坍落度和擴(kuò)散度都會減小〔見表3.2〕。表3.2不同粘土摻量塑性混凝土拌和物的工作性比照方案坍落度〔㎝〕擴(kuò)散度〔㎝〕1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕水泥粘土膨潤土石子砂子水A2－1254217010035820740360A2－223.53914013035820740360A2－32236.511016035820740360試驗(yàn)還說明：取回的粘土存放的環(huán)境條件以及存放時(shí)間的長短都對塑性混凝土工作性有很大的影響。表3.3為同一個(gè)取土點(diǎn)所取粘土試驗(yàn)時(shí)間相差10個(gè)月的比照試驗(yàn)結(jié)果。由于取回的粘土長時(shí)間放置于室外，受到風(fēng)吹、雨淋和日曬，其物理性能發(fā)生了顯著變化，土的各個(gè)粒組含量發(fā)生了變化。粘粒含量明顯降低，粘結(jié)性隨之降低。表3.3同一粘土不同時(shí)間試驗(yàn)的拌和物的工作性比照1m3塑性混凝土各材料用量/㎏水泥粘土膨潤土石子砂子水12028020710620450拌和物工作性坍落度〔㎝〕擴(kuò)散度〔㎝〕粘聚性保水性剛?cè)』貢r(shí)粘土2333好好存放10個(gè)月后粘土2665一般一般試驗(yàn)所用膨潤土礦物組成主要為蒙脫石，含量在80％以上，其化學(xué)成分主要是氧化硅、氧化鋁以及少量氧化鈣、氧化鎂。該膨潤土粘粒含量在50％以上。膨潤土顆粒和極細(xì)的粘土顆粒通過正負(fù)電荷作用能夠吸附大量的水分子，使混凝土中的大局部自由水分子變?yōu)榛纤肿?，因而適量摻入膨潤土對塑性混凝土的工作性是有利的。3.4.3水泥品種對塑性混凝土拌和物工作性的影響水泥品種對塑性混凝土拌和物工作性的影響主要表現(xiàn)在水泥需水量的不同，在用水量和骨料用量一定的條件下，需水量小的水泥其混凝土拌和物流動性好，需水量大的水泥其混凝土拌和物的流動性差。火山灰質(zhì)水泥比其它的水泥吸水性大，所以，當(dāng)用水量一定時(shí)，火山灰質(zhì)水泥比普通水泥配制的混凝土拌和物的流動性小。如果要取得同樣的流動性，就要多用一些水泥漿，也不會產(chǎn)生離析和泌水現(xiàn)象。如果用礦渣水泥時(shí)，因?yàn)樗奈院驼辰Y(jié)性較差，容易產(chǎn)生離析和泌水的不良現(xiàn)象[15]。3.4.4骨料種類和級配及砂率對塑性混凝土拌和物工作性的影響粗骨料的顆粒較大、粒形較圓、外表光滑、級配較好時(shí)比細(xì)骨料的拌和物流動性大。使用粗砂時(shí)，塑性混凝土粘聚性及保水性較差；使用細(xì)砂及特細(xì)砂時(shí)，塑性混凝土流動性較小。假設(shè)通過外加劑來獲得一樣的坍落度，細(xì)骨料要比粗骨料摻量大。在混凝土工作性一樣的條件下，人工骨料由于外表比較粗糙，且粒形較差，會導(dǎo)致混凝土單方用水量比天然骨料混凝土的大。因而，使用天然骨料將會更有利于改善塑性混凝土拌和物的工作性。良好的骨料級配，能減少塑性混凝土中漿體的用量。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，組成混凝土的各級骨料中，超徑不得大于5%，遜徑不得大于10%。施工所用配合比，是經(jīng)過試驗(yàn)提供的，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常因骨料級配不合理，對混凝土的工作性產(chǎn)生不利影響，可以通過加強(qiáng)管理和提高混凝土骨料篩分系統(tǒng)的篩分質(zhì)量加以防止?；炷涟韬臀镆x用合理砂率，即在用水量和膠凝材料用量一定的情況下，能使混凝土拌和物獲得最大流動性，且能保持粘聚性和保水性良好的砂率。塑性混凝土砂率一般都比較大，約為40%～50%，砂率的變動會使骨料的比外表積發(fā)生明顯的變化，對塑性混凝土拌和物的流動性，特別是粘聚性產(chǎn)生很大的影響。砂率對塑性混凝土工作性的影響隨水膠比不同而不同。當(dāng)水膠比較大時(shí)，膠凝材料混合漿較稀，需要較大的砂率來滿足粘聚性的要求。這時(shí)如果砂率過小，雖然石料外表積減小，但由于砂漿量缺乏，不能在粗石料的周圍形成足夠的砂漿層，因而使混凝土拌和物的流動性降低更嚴(yán)重，但是影響了混凝土拌和物的粘聚性和保水性，使拌和物顯得粗澀，甚至出現(xiàn)潰散等不良現(xiàn)象[24]。如果砂率過大，骨料的總外表積和孔隙率都會顯著增加，在膠凝材料混合漿量保持不變的情況下，膠凝材料混合漿相對地顯得少了，減弱了膠凝材料混合漿的潤滑作用，而使混凝土拌和物的坍落度也隨之減小[25]。當(dāng)水膠比較小時(shí)，由于增加了膠凝材料混合漿的稠度，使得混凝土拌和物的粘聚性很容易得到保證，較大的稠度也降低了混凝土拌和物的流動性，此時(shí)，即使增加膠凝材料混合漿的量，對拌和物的流動性的影響也不大。3.4.5粉煤灰對塑性混凝土拌和物工作性的影響粉煤灰對混凝土和易性的改善主要是通過其中的玻璃微珠及細(xì)小顆粒的形態(tài)效應(yīng)及微集料效應(yīng)進(jìn)展的，作用機(jī)理非常復(fù)雜[26]。粉煤灰粒度細(xì)小，顆粒中有80%以上是玻璃微珠和多孔玻璃體，在拌和物中起到獨(dú)特的“滾珠軸承〞和“解絮〞擴(kuò)散作用[5]。粉煤灰外表光滑致密，呈球狀分散在水顆粒之間，起到了分散劑的作用，使得塑性混凝土中水泥和粘土在整個(gè)漿體中所占比例降低，并有一定的火山灰活性和膠凝性。在塑性混凝土中減少粘土用量，摻入相應(yīng)的粉煤灰可使拌和物的粘聚性和保水性顯著優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。用粉煤灰代替局部粘土摻入塑性混凝土可以增強(qiáng)拌和物的流動性，其坍落度和擴(kuò)散度均相應(yīng)增大〔見表3.4〕。表3.4粉煤灰取代局部粘土的塑性混凝土拌和物工作性比照方案坍落度〔㎝〕擴(kuò)散度〔㎝〕1m3塑性混凝土各材料用量(㎏)粉煤灰粘土膨潤土水泥石子砂子水A3－120.532037050120670590400A3－2234170300501206705904003.4.6外加劑對塑性混凝土拌和物工作性的影響試驗(yàn)用的外加劑是引氣減水劑，減水劑在其它材料用量保持不變的情況下改善塑性混凝土的工作性；或在保持工作性不變的情況下減少水泥用量，提高混凝土強(qiáng)度、或在保持強(qiáng)度不變時(shí)減少水泥用量，節(jié)約水泥，降低成本[27]。它能迅速增加水泥顆粒的分散，使局部自由水變?yōu)榻Y(jié)合水。引氣劑能使混凝土在攪拌過程中從大氣中引入大量均勻封閉的微細(xì)氣泡，使混凝土中含有一定量的空氣。引氣劑引入塑性混凝土大量氣泡，相對地增加了水泥漿體積，氣泡存在于砂漿內(nèi)部，還能起到類似滾珠軸承的作用，提高了拌和物的流動性，使和易性得到了改善。由于構(gòu)成微細(xì)氣泡的薄膜需要一定數(shù)量的水分，使拌和物中的水分均勻分布在氣泡外表上，因此，大量微細(xì)氣泡的存在，還可顯著地改善混凝土的粘聚性和保水性，降低泌水率，減少離析。而影響含氣量的因素很多，如引氣劑的種類和用量、水泥的品種和細(xì)度、砂石料級配、混凝土溫度、混凝土拌和時(shí)間長短以及混凝土拌和后的放置運(yùn)輸和灌注方式方法等等[12]。引氣減水劑集引氣劑和減水劑于一體，大大增加了塑性混凝土的擴(kuò)散度，但是，對拌和物的坍落度的增加不是很明顯〔參看表3.5〕。表3.5摻與不摻引氣減水劑的塑性混凝土拌和物的工作性比照方案坍落度〔㎝〕擴(kuò)散度〔㎝〕1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕外加劑粘土膨潤土水泥石子砂子水A4－12239033050120690610400A4－123453.533050120690610400在使用外加劑時(shí)，應(yīng)注意摻入的方法，最好是分幾次摻入。因?yàn)?，一定量的外加劑假設(shè)一開場就一次摻入，外加劑即被吸收在水泥顆粒外表和析出的膠凝物中，不能充分地發(fā)揮外加劑的效用〔不能增加水泥顆粒層電荷〕。假設(shè)分幾次參加外加劑，就能減少被吸附的外加劑，以便讓外加劑在微晶體外表形成分散劑的單分子膜，使新吸出的微結(jié)晶體得到充分的分散，形成溶膠體的構(gòu)造。正由于凝膠體的構(gòu)造向溶膠體構(gòu)造的轉(zhuǎn)變，才使拌和物的性能得到改善[19]。3.4.7試驗(yàn)條件與試驗(yàn)操作對塑性混凝土拌和物工作性的影響在塑性混凝土拌制過程中，拌和的溫度和攪拌時(shí)間對拌和物的流動性有相當(dāng)大的影響。塑性混凝土粘土摻量很大，并且土的粘性很大，因而在攪拌過程中粘土常常粘結(jié)在攪拌機(jī)的攪拌齒上，在2min~3min時(shí)間內(nèi)很難攪拌均勻。為使塑性混凝土拌和物均勻，需增長攪拌時(shí)間，但這樣水分的大量蒸發(fā)會使坍落度和擴(kuò)散度減小。在坍落度和擴(kuò)散度試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)過程的時(shí)間控制不是很嚴(yán)格，塑性混凝土拌和物水分損失不一致，造成實(shí)際用水量的變化，因而影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。拌和物的坍落度和擴(kuò)散度還會隨著拌和時(shí)溫度的升高而減小，實(shí)際上，這也是由于拌和物水分損失造成的。塑性混凝土拌和量的多少也對拌和物工作性能有很大影響，特別是當(dāng)拌和機(jī)容量不是很大時(shí)，拌和的混凝土量較大，這樣就不易攪拌均勻，從而對拌和物的坍落度和擴(kuò)散度還有粘聚性等都有重大影響。3.5完畢語影響塑性混凝土拌和物工作性的因素涉到原材料、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件等諸多方面。本章在做了大量配合比試驗(yàn)的根基上對上述各影響因素進(jìn)展了較為詳細(xì)的分析，同時(shí)對混凝土坍落度的損失進(jìn)展了探討。為了減少坍落度損失，應(yīng)盡量使用流變性好的水泥，采用質(zhì)量好的、低吸水性的骨料，摻外加劑時(shí)分次摻入，同時(shí)還要采取降低塑性混凝土拌和溫度。大量試驗(yàn)結(jié)果說明：要得到穩(wěn)定的、具有良好工作性能的塑性混凝土，就必須對原材料的品質(zhì)、摻量、拌制時(shí)間、拌和溫度等進(jìn)展嚴(yán)格的控制。本章成果對今后塑性混凝土的設(shè)計(jì)、施工具有較為重要的參考價(jià)值。但由于受試驗(yàn)條件的限制，可能對某些影響因素沒能考慮周全，這將有待于在以后的試驗(yàn)中完善。第四章塑性混凝土彈性模量試驗(yàn)研究4.1引言彈性模量低、極限變形大、能適應(yīng)較大的變形和抗裂性能好是塑性混凝土區(qū)別于普通混凝土的最大的特性。許多大壩工程中使用的混凝土防滲墻，由于墻體材料的彈性模量較大〔大都在10000MPa以上〕，比周圍土體的變形模量高出幾百倍，當(dāng)工程投入運(yùn)行時(shí)，墻頂部及側(cè)面受到巨大壓力，致使墻體發(fā)生的應(yīng)力和變形比設(shè)計(jì)值高很多，因而墻體易出現(xiàn)裂縫，防滲作用降低，嚴(yán)重時(shí)會使防滲遭到破壞，大壩的安全受到威脅[28]。因而，為了抑制這種剛性防滲墻的缺乏，在防滲墻工程中，國內(nèi)外廣泛采用塑性混凝土作為墻體材料。彈性模量是塑性混凝土的一項(xiàng)重要力學(xué)性能，它反映了塑性混凝土所受應(yīng)力與所產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系，它是塑性混凝土進(jìn)展配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)應(yīng)力很小時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為一直線。所以通過混凝土“應(yīng)力－應(yīng)變〞曲線原點(diǎn)的切線的斜率可認(rèn)為是混凝土的“真正的〞彈性模量，常稱之為初始彈性模量。對于普通混凝土初始彈性模量不易從試驗(yàn)中測出，而通常采用混凝土的割線模量，即采用“應(yīng)力－應(yīng)變〞曲線上某兩點(diǎn)之間割線的斜率為混凝土的彈性模量值[29]。在計(jì)算彈性模量時(shí)，可由塑性混凝土的“應(yīng)力－變形〞曲線求得。由于塑性混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度很低，應(yīng)力不大，其“應(yīng)力－變形〞曲線可近似看作直線，故其彈性模量可以視作初始彈性模量值。由于塑性混凝土是一種新型建筑材料，目前對其彈性模量的測試方法沒有一個(gè)適宜的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的測試方法得出的塑性混凝土彈性模量值有很大的差異。因而，對塑性混凝土彈性模量的試驗(yàn)研究就顯得至關(guān)重要。影響塑性混凝土彈性模量的因素有很多，其中包括塑性混凝土的各組成材料和試驗(yàn)條件等，本章將通過大量試驗(yàn)資料的比照分析，研究探討塑性混凝土彈性模量的測試方法、計(jì)算方法以及各種因素對塑性混凝土彈性模量的影響。4.2塑性混凝土彈性模量的測試方法眾所周知，混凝土彈性模量測試的關(guān)鍵是混凝土試件左右兩側(cè)變形量的測試，國內(nèi)外常用的測量變形的方法[30]主要可分為以下三類：蝶式引伸儀法、應(yīng)變片法和千分表法。蝶式引伸儀法安裝復(fù)雜且操作比較困難，還存在人為視覺誤差，應(yīng)用較少。應(yīng)變片法測量結(jié)果較準(zhǔn)確，但貼片工序復(fù)雜，試驗(yàn)周期長，同時(shí)受貼片質(zhì)量的影響較大，而且是一次性破壞試驗(yàn)，浪費(fèi)較大[31]。塑性混凝土由于其原材料摻加有粘土，而且摻量相當(dāng)大，應(yīng)變片貼上去很容易脫落，故在彈性模量試件側(cè)面貼應(yīng)變片的方法不可行。千分表法較為經(jīng)濟(jì)，但貼固定塊〔常為鋼塊〕工藝亦復(fù)雜，且混凝土受力變形要通過膠水、固定塊再傳遞到千分表，使得試驗(yàn)結(jié)果造成較大的偏差。以上方法在測量混凝土試件變形時(shí)都存在較大的缺乏，影響混凝土彈性模量的準(zhǔn)確測試。本章針對這一問題在千分表法的根基上進(jìn)展了改進(jìn)，即百分表法，具體的測試方法將在下文中詳細(xì)介紹。4.2.1試件的成型根據(jù)文獻(xiàn)[17]規(guī)定，測試彈性模量的試件規(guī)格可采用150mm×300mm的圓柱體試件或者是150mm×150mm×300mm的棱柱體試件。以往對塑性混凝土靜壓彈性模量的測試多采用土工三軸剪力儀，許多試驗(yàn)說明，采用這種方法測得的彈性模量值偏低，而宜采用150mm×300mm的圓柱體試件[32]。試件成型工藝如下：將按“混凝土拌和物室內(nèi)拌和方法〞[17]拌制的塑性混凝土拌和物分兩層裝入試模，試模的內(nèi)壁應(yīng)刷過礦物油或其他脫模劑。由于塑性混凝土屬于大流動性混凝土(坍落度一般為20cm~30cm)，故不能采用振動臺振實(shí)，而宜采用搗棒人工插搗。試件以六個(gè)為一組，其中三個(gè)測定軸心抗壓強(qiáng)度，另三個(gè)測定靜力彈性模量。4.2.2測量變形標(biāo)距采用300mm的測試方法試件到達(dá)28天齡期后從養(yǎng)護(hù)室中取出擦拭外表，立即進(jìn)展試驗(yàn)，按“水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程〞先測定其軸心抗壓強(qiáng)度。將試件安放在試驗(yàn)機(jī)下壓板上，試件上下兩端分別加蓋板，使試件中心與試驗(yàn)機(jī)下壓板中心對準(zhǔn)。用磁性表架將百分表對稱固定于試件的兩側(cè)，分別測量整個(gè)試件兩側(cè)的變形值，磁性表架的固定點(diǎn)應(yīng)防止與試驗(yàn)機(jī)相接觸，以免壓力機(jī)的振動對百分表的讀數(shù)產(chǎn)生誤差〔見圖4.1〕。正式試驗(yàn)前先進(jìn)展預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)以0.05MPa/s~0.1MPa/s〔相當(dāng)于1kN/s~2kN/s〕的速度加荷，最大預(yù)壓應(yīng)力約為破壞強(qiáng)度的40%，至少預(yù)壓三次。在預(yù)壓的同時(shí)調(diào)整試件的位置，以減小兩側(cè)百分表的讀數(shù)誤差，直至兩側(cè)百分表讀數(shù)相差不超過給定的允許誤差〔本試驗(yàn)為0.04mm〕為止。預(yù)壓后進(jìn)展正式試驗(yàn)，加荷速度與預(yù)壓時(shí)一樣，在試驗(yàn)記錄表上每增加4kN荷載分別記下百分表相應(yīng)的讀數(shù)。讀數(shù)專門由兩個(gè)試驗(yàn)人員在兩側(cè)分別讀該側(cè)的百分表數(shù)，在讀百分表每一個(gè)數(shù)時(shí)，壓力機(jī)不能停頓加荷，要保持加荷速度不變，持續(xù)加荷。圖4.1變形標(biāo)距為300mm的測試方法4.2.3測量變形標(biāo)距采用150mm的測試方法在試件到達(dá)28天齡期的前兩天，從養(yǎng)護(hù)室取出三個(gè)彈性模量試塊，擦凈外表。在試件中間局部量取150mm的標(biāo)距，用粘結(jié)劑在對稱的兩側(cè)粘貼用于固定千分表和變形標(biāo)距桿的鋼塊。鋼塊的寬度為10mm，上下兩個(gè)鋼塊中心點(diǎn)之間的距離為150mm，即變形的標(biāo)距長?？紤]到千分表需占一定的空間，用于固定千分表的上部鋼塊距試件上外表80mm，下部鋼塊距試件下外表60mm〔見圖4.2〕。粘結(jié)劑用自行配制的環(huán)氧樹脂與聚酰氨混合物，也可以用環(huán)氧樹脂與乙二氨的混合物。在粘結(jié)鋼塊前事先用鋼尺在試件對稱的兩側(cè)面量出鋼塊粘結(jié)的位置，待兩個(gè)鋼塊全粘結(jié)后，再用鋼尺對鋼塊的位置進(jìn)展校核。粘結(jié)對稱一側(cè)的鋼塊要在粘結(jié)第一側(cè)約6個(gè)小時(shí)后進(jìn)展，粘結(jié)后要將試件重新放入養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，直至到達(dá)試驗(yàn)齡期。試件到達(dá)齡期后取出，和標(biāo)距為300mm的測試方法一樣，取出三塊試件用一樣的方法先測塑性混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。然后再取出三塊，將千分表小心地固定在試件兩側(cè)的鋼塊上，先進(jìn)展預(yù)壓。預(yù)壓的加荷速度也是0.05MPa/s~0.1MPa/s〔相當(dāng)于1kN/s~2kN/s〕，預(yù)壓至兩側(cè)千分表讀數(shù)相差不超過給定的允許誤差〔本試驗(yàn)為0.004mm〕為止。預(yù)壓過程、調(diào)平兩側(cè)千分表讀數(shù)的方法和正式試驗(yàn)的過程與標(biāo)距采用300mm的測試方法一樣。圖4.2變形標(biāo)距為150mm的測試方法4.2.4彈性模量值的計(jì)算例如〔標(biāo)距取300mm〕在測量彈性模量之前需先求出軸心抗壓強(qiáng)度，以確定測彈性模量時(shí)的預(yù)壓荷載大小，軸心抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：〔4.1〕式〔4.1〕中：—軸心抗壓強(qiáng)度，MPa；—破壞荷載，N；—試件承壓面積mm2。取三個(gè)試件測值的平均值作為該組試件的軸心抗壓強(qiáng)度值。在彈性模量試驗(yàn)記錄表上，每隔4kN記下兩側(cè)的百分表〔千分表〕讀數(shù)，在整理數(shù)據(jù)時(shí)，將兩側(cè)讀數(shù)的變形平均值作為“應(yīng)力－變形〞曲線上橫坐標(biāo)的應(yīng)變值。將每一級壓力由彈性模量試件底面積轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值作為“應(yīng)力－變形〞曲線上的縱坐標(biāo)。下面舉例說明塑性混凝土彈性模量的具體求法，其原始試驗(yàn)記錄見表4.1。表4.1彈性模量原始試驗(yàn)記錄壓力機(jī)〔kN〕4812162024281號百分表讀數(shù)283743526070802號百分表讀數(shù)28375259677586對原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)展處理得出畫“應(yīng)力－變形〞曲線所需的縱、橫坐標(biāo)，即應(yīng)力、應(yīng)變值，見表4.2。根據(jù)下表的坐標(biāo)值，在坐標(biāo)紙上描出相應(yīng)的點(diǎn)，然后連成平滑曲線，即為“應(yīng)力－變形〞曲線圖，見圖4.3。表4.2“應(yīng)力－變形〞曲線的縱、橫坐標(biāo)壓力機(jī)〔kN〕481216202428縱坐標(biāo)〔應(yīng)力〕〔MPa〕0.230.450.680.911.131.361.59橫坐標(biāo)〔變形〕283743.555.563.572.583圖圖4.3“應(yīng)力－變形〞曲線圖彈性模量值的求解可按照下式計(jì)算：〔4.2〕式〔4.2〕中：—靜壓彈性模量，MPa；—40%的極限破壞荷載，N；—應(yīng)力為0.5MPa時(shí)的荷載，N；—應(yīng)力從0.5MPa增加到40%破壞應(yīng)力時(shí)的試件變形值，mm；—測量變形的標(biāo)距，mm；—為試件承壓面積，mm2。在上例中，試件破壞時(shí)的壓力為44.4kN，試件承壓面積A為17662.5mm2，由承壓面積A可算得極限破壞荷載為2.51MPa，那么40%的極限破壞荷載為1.01MPa，應(yīng)力為0.5MPa時(shí)的荷載為8830N，測量變形標(biāo)距為300mm，應(yīng)力從0.5MPa增加到40%破壞應(yīng)力時(shí)的試件變形值從“應(yīng)力－變形〞曲線上可得到。將這些值代入上式中可求得彈性模量值為892MPa。彈性模量值以三個(gè)試件測值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。如果其中一個(gè)試件在測定彈性模量后，其抗壓強(qiáng)度值與軸心抗壓強(qiáng)度值相差超過后者20%時(shí)，那么將該測值剔除，取余下二個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如一組中可用的測值少于二個(gè)時(shí)，該組試驗(yàn)應(yīng)重做[17]。4.2.5兩種彈性模量測試方法的分析比較塑性混凝土的彈性模量較低，泊松比較大〔一般普通混凝土在1/5～1/7〕，如采用電阻應(yīng)變片的方法測試塑性混凝土的抗壓彈性模量是不可行的，其縱向的壓應(yīng)變由于受橫向的拉應(yīng)變影響太大，將不能測出塑性混凝土的抗壓彈模[4]。當(dāng)采用標(biāo)距為150mm的測試方法測定其抗壓彈性模量時(shí)，塑性混凝土的塑性很大，粘貼用于固定千分表和變形標(biāo)距桿的鋼塊所用粘結(jié)劑的塑性也很大，既使在固化后仍有相當(dāng)大的塑性，這就使得試件仍有很大一局部變形無法測出來，用千分表測出的變形比試件實(shí)際變形小得多，這樣，算出的彈性模量值將會比實(shí)際的彈性模量值大得多。塑性混凝土的變形相對于普通混凝土來說比較大，因而在標(biāo)距為300mm的測試方法中采用百分表，所測得的變形是整個(gè)試件長的變形，測量變形所用的百分表是用磁性表架固定的，因而，其變形量基本上能全部測出。大量試驗(yàn)說明〔見表4.3〕：只要保持磁性表架的穩(wěn)定，標(biāo)距為試件全長的測試方法是測試塑性混凝土彈性較為理想的方法。表4.3兩種塑性混凝土彈模測試方法的比照方案標(biāo)距取300mm的彈?！睲Pa〕標(biāo)距取150mm的彈?！睲Pa〕1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕水泥膨潤土粘土石子砂子水B1－11255493012050330700620380B1－21354554112050230760660380B1－31090521612050190790700350B1－41100518912050310710620390B1－510404049120503806605904004.3塑性混凝土彈性模量的影響因素分析彈性模量是塑性混凝土的重要力學(xué)參數(shù)。在實(shí)際試驗(yàn)中，影響塑性混凝土彈性模量的因素很多，歸納起來可分為內(nèi)部因素和外部因素兩局部。內(nèi)部因素主要有混凝土原材料及配合比，外部因素主要有試件的成型、養(yǎng)護(hù)條件、試驗(yàn)方法等。在試驗(yàn)室條件下，影響混凝土彈性模量的外部因素相對穩(wěn)定，同一配合比的混凝土彈性模量值主要受水化作用的影響[33]。4.3.1水膠比對塑性混凝土彈性模量的影響水膠比是塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，水膠比的大小對水泥水化產(chǎn)物形成的構(gòu)造及其致密程度有極大影響[34]，它是影響塑性混凝土強(qiáng)度和彈性模量的主要因素。塑性混凝土的水膠比一般為0.8～1.3，塑性混凝土的彈性模量隨著水膠比的增大而減小〔見表4.4〕。增大水膠比能有效地降低彈性模量，但是，增大水膠比帶來的負(fù)面影響大于有利影響，因此，在滿足施工要求的前提下應(yīng)盡量選擇較小的水膠比。表4.4不同水膠比塑性混凝土彈性模量的比照方案水膠比彈性模量(MPa)1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕水膨潤土水泥粘土石子砂子B2－10.74167140050120370670590B2－20.83134440050120310700620B2－30.971090350501201907907004.3.2骨料和砂率對塑性混凝土彈性模量的影響在影響塑性混凝土彈性模量的粗骨料的各種特性中，孔隙率是最重要的。這是由于骨料的孔隙率決定其剛度，而剛度對骨料約束水泥石應(yīng)變的能力起控制作用[35]。密實(shí)骨料具有很高的彈性模量。一般來說，塑性混凝土拌和物中高彈性模量粗骨料用量越大，塑性混凝土的彈性模量也越高。粗骨料的其它性能也能夠影響塑性混凝土的彈性模量，如最大粒徑、幾何形狀、外表狀況、顆粒級配和所含礦物成分等。顆粒級配均勻，針片狀少，壓碎指標(biāo)值小的骨料用于配合比中制作的塑性混凝土彈性模量高[36]。塑性混凝土彈性模量與砂率有一定關(guān)系，并存在一個(gè)最正確砂率，過高或過低都會影響混凝土的彈性模量。適當(dāng)增大塑性混凝土的砂率能使彈性模量降低，塑性混凝土的砂率一般都比較高，約為40%~50%，在該范圍內(nèi)，砂率的變化對彈性模量的影響較小。合理砂率說明混凝土的骨料有一個(gè)合理的級配。在適宜的級配下，使骨料堆積成為一個(gè)具有適宜孔隙率的骨架，在此條件下，可使塑性混凝土彈性模量到達(dá)一個(gè)最正確值。4.3.3水泥對塑性混凝土彈性模量的影響水泥的品種和用量對塑性混凝土的彈性模量有很大影響。在水泥和膨潤土摻量都一樣時(shí)，高標(biāo)號水泥塑性混凝土的強(qiáng)度增長率高于彈性模量的增長率，因此，使用高標(biāo)號水泥對塑性混凝土彈性模量的降低是有利的[4]。每立方米塑性混凝土水泥的用量對彈性模量有很大的影響，隨著水泥用量的增加塑性混凝土的彈性模量呈增加趨勢〔見表4.5〕，減少水泥用量可以作為降低彈模的一項(xiàng)重要措施，同時(shí)，也可以降低工程造價(jià)。表4.5不同水泥用量塑性混凝土的彈性模量方案彈性模量(MPa)1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕水泥粘土膨潤土石子砂子水B3－18488028020730640450B3－296412028020710620450B3－31431160280206906004504.3.4粘土及膨潤土對塑性混凝土彈性模量的影響塑性混凝土之所以具有較低彈性模量，能適應(yīng)地基變形，極限變形大，最主要的原因就是在塑性混凝土中摻加了粘土或者是膨潤土。粘土和膨潤土的摻入使得混凝土的塑性增強(qiáng)，大大降低了彈性模量。塑性混凝土有三種：單摻粘土的塑性混凝土、單摻膨潤土的塑性混凝土以及粘土和膨潤土混摻的塑性混凝土。全摻膨潤土的塑性混凝土能更有效地降低彈性模量，但考慮各方面的因素，粘土和膨潤土混摻的塑性混凝土較好。隨著粘土用量的增加，塑性混凝土的彈性模量明顯降低〔見表4.6〕。表4.6不同粘土摻量塑性混凝土的彈性模量方案彈性模量(MPa)1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕粘土水泥膨潤土石子砂子水B4－1110031012050710620390B4－2107035012050685600395B4－3104038012050660590400表4.7膨潤土全部代替粘土的塑性混凝土彈性模量比照方案彈性模量(MPa)1m3塑性混凝土各材料用量〔㎏〕粘土水泥膨潤土石子砂子水B5－1136027012050740650370B5－2867—120320670590500在塑性混凝土種摻入膨潤土能有效地降低彈性模量，表4.7為基準(zhǔn)配合比中的粘土全部由膨潤土代替的彈性模量比照。摻入的膨潤土品種不同，對降低彈模的影響也不同，一般來說，在塑性混凝土中摻入鈉基膨潤土比摻入鈣基膨潤土能更好地降低彈性模量，但是，鈉基膨潤土比鈣基膨潤土的工程造價(jià)要高的多，因而，從經(jīng)濟(jì)方面來考慮，實(shí)際工程中大多采用了鈣基膨潤土。4.3.5粉煤灰對塑性混凝土彈性模量的影響粉煤灰的活性效應(yīng)使之與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的二次反響，生成低鈣硅比的C－S－H凝膠體等水化產(chǎn)物，增加了混凝土密實(shí)度，提高了強(qiáng)度[37]。由于彈性模量隨著強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)塑性混凝土中局部粘土被粉煤灰取代后，使其強(qiáng)度有很大提高，因而使塑性混凝土的彈性模量有所提高。表4.7為粉煤灰取代三分之一粘土摻量后與基準(zhǔn)塑性混凝土彈性模量的比照，由表可看出，摻加粉煤灰的塑性混凝土彈性模量較之基準(zhǔn)混凝土有所增大。表4.8粉煤灰取代局部粘土的塑性混凝土彈性模量比照方案彈性模量(MPa)1m3塑性混凝土各材料用量(㎏)粉煤灰粘土膨潤土水泥石子砂子水B6－11360027050120740650370B6－2147290180501207406603604.3.6外加劑對塑性混凝土彈性模量的影響塑性混凝土中摻加外加劑不僅能有效地改善塑性混凝土拌和物的工作性，增強(qiáng)抗?jié)B性，而且對于降低彈性模量也有很明顯的效果。單純摻加減水劑或引氣劑對塑性混凝土彈性模量的降低不是很理想，因而，本試驗(yàn)采用摻加引氣型減水劑。表4.8為摻加引氣減水劑后與基準(zhǔn)塑性混凝土彈性模量的比照，引氣減水劑的摻量為膠凝材料用量的0.7%，由表4.8可以看出摻加引氣減水劑能很好地降低塑性混凝土的彈性模量。表4.9摻與不摻引氣減水劑的塑性混凝土彈性模量比照方案彈性模量(MPa)1m3塑性混凝土各材料用量(㎏)外加劑粘土膨潤土水泥石子砂子水B7－11360027050120740650370B7－210153.08270501207406503704.3.7試驗(yàn)方法及試驗(yàn)操作對塑性混凝土彈性模量的影響測試彈性模量所用的方法對塑性混凝土彈性模量值有很大影響，如表4.3所示，采用不同標(biāo)距的試驗(yàn)方法測得的塑性混凝土彈性模量值相差是很大的，標(biāo)距采用150mm的測試方法測得彈性模量值大約是標(biāo)距采用300mm的測試方法測得彈性模量值的4倍。成型后帶模的彈性模量試件在初凝前1小時(shí)～2小時(shí)要進(jìn)展抹面，如果抹面操作的不好，使試件上外表不平整，會使試驗(yàn)時(shí)實(shí)際施加在試塊上的壓強(qiáng)偏大，這樣會對彈性模量的測試產(chǎn)生很大的誤差。試塊的養(yǎng)護(hù)條件對塑性混凝土彈性模量值也有很大的影響，試驗(yàn)說明，20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)要比20℃水下養(yǎng)護(hù)的彈性模量值高。此外，塑性混凝土的彈性模量值與預(yù)壓時(shí)加荷、卸荷循環(huán)的次數(shù)也有一定關(guān)系，隨著加荷、卸荷循環(huán)次數(shù)的增加而加大[38]。4.4完畢語彈性模量是塑性混凝土的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，但目前人們對其測試方法仍處于探索研究階段，尚沒有建設(shè)一個(gè)適宜的標(biāo)準(zhǔn)。彈性模量的測試方法有很多種，目前用的較多的是用百分表或者千分表測其變形。本章在做了大量試驗(yàn)的根基上，對標(biāo)距采用300mm和150mm的兩種試驗(yàn)方法進(jìn)展了研究和比照分析，得出標(biāo)距為300mm的測試方法能較為客觀地測出塑性混凝土的彈性模量值。同時(shí)，本章對影響塑性混凝土彈性模量的因素進(jìn)展了較為詳細(xì)的探討，結(jié)果說明：要想降低塑性混凝土的彈性模量，可以在配合比設(shè)計(jì)中適當(dāng)增大水膠比和砂率，減小水泥用量，并增大粘土、膨潤土的用量，摻加引氣減水劑。此外，試驗(yàn)方法和試驗(yàn)操作對塑性混凝土彈性模量的測定也有較大影響。最后應(yīng)說明的是，由于受試驗(yàn)條件的限制，本章可能對塑性混凝土彈性模量試驗(yàn)方法以及影響彈性模量的因素沒能考慮周全，這將有待于在以后的試驗(yàn)研究中進(jìn)一步補(bǔ)充完善。第五章塑性混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)研究5.1引言與普通混凝土相比，塑性混凝土除了具有彈性模量低、極限應(yīng)變大、能適應(yīng)較大變形、節(jié)約水泥、工程造價(jià)低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的抗?jié)B性。由于摻有較多低透水性的粘土和膨潤土，尤其是對提高塑性混凝土抗?jié)B性起著重要作用的膨潤土，在水泥摻量很小的情況下，塑性混凝土仍具有良好的抗?jié)B性，這也是塑性混凝土被廣泛應(yīng)用于大壩防滲墻構(gòu)造、堤防防滲加固連續(xù)墻中的一個(gè)主要原因?？?jié)B性是塑性混凝土的一項(xiàng)重要技術(shù)性能指標(biāo)。塑性混凝土在配合比設(shè)計(jì)上不同于普通混凝土，普通混凝土是根據(jù)所需強(qiáng)度進(jìn)展配制的，而塑性混凝土是根據(jù)工程所需要適應(yīng)墻身周圍材料變形模量和抗?jié)B要求配制的[4]。塑性混凝土抗?jié)B性的好壞決定著防滲墻的質(zhì)量，進(jìn)而關(guān)系著大壩的安全性，但是，由于塑性混凝土在國內(nèi)應(yīng)用比較晚，對其抗?jié)B性能的評價(jià)指標(biāo)沒有一個(gè)明確的規(guī)定，對其抗?jié)B性所做的系統(tǒng)性研究不多。因而，加強(qiáng)塑性混凝土抗?jié)B性的研究，將會對實(shí)際工程中塑性混凝土的配合比設(shè)計(jì)及施工有重大的指導(dǎo)意義。引起塑性混凝土滲透的原因有很多，同時(shí)影響塑性混凝土抗?jié)B性的因素也是多種多樣的，其中包括配合比中各種原材料的種類和用量以及試驗(yàn)條件等。本章將對塑性混凝土相對滲透系數(shù)的測試方法、滲透系數(shù)的計(jì)算以及塑性混凝土的滲透原因和影響塑性混凝土滲透系數(shù)的各種因素進(jìn)展詳細(xì)的分析。5.2塑性混凝土滲透原因分析及抗?jié)B性能的評價(jià)5.2.1塑性混凝土滲透原因分析混凝土的滲透性，是指液體、氣體或離子受壓力、化學(xué)勢或電場作用在混凝土中的滲透、擴(kuò)散或遷移的難易程度[39]。塑性混凝土的滲透一般是壓力水經(jīng)混凝土內(nèi)的貫穿毛細(xì)孔由一個(gè)方向向另一個(gè)方向移動造成的。塑性混凝土的滲透與其微觀構(gòu)造有很大關(guān)系，從微觀構(gòu)造上看，塑性混凝土是一種非勻質(zhì)的多孔構(gòu)造，其體內(nèi)分布有許多大小不同的微細(xì)孔隙。塑性混凝土內(nèi)部的微細(xì)孔隙是引起滲水的最主要原因。這些孔隙可分為構(gòu)造孔隙〔如凝膠孔、毛細(xì)孔和余留孔等〕和施工孔隙。凝膠孔是水泥水化產(chǎn)物與粘土和膨潤土“凝膠〞本身固有的。水泥水化后固相體積增大，是原來未水化體積的幾倍，增大的固相體積用來填充原來被自由水所占據(jù)的空間。隨著水化作用的繼續(xù)，固相體積逐漸增大，越來越多的毛細(xì)孔被水化物填充、堵塞，毛細(xì)孔徑變細(xì)，有的成為互不連通的封閉性孔隙，但直至水泥水化完結(jié)，水化產(chǎn)物仍缺乏以完全填滿被自由水所占據(jù)的空間。剩余的水分越多，蒸發(fā)后留下的毛細(xì)孔徑就越大，滲水的可能性越大[40]。塑性混凝土為了施工方便，拌和物流動性都比較大〔其坍落度一般在20cm～30cm〕，因而用水量一般都很大，其中大量未起水化作用的游離水分蒸發(fā)后便留下大量毛細(xì)孔。此外，塑性混凝土配合比不當(dāng)會使骨料接觸處產(chǎn)生余留孔。而施工孔隙那么是由于施工過程中澆灌、振搗不良產(chǎn)生不同程度的相對沉降，在骨料外表存有水膜，水分蒸發(fā)而引起的。這些孔隙有的是封閉性的，有的是開放性的，塑性混凝土的滲透主要取決于開放性孔隙的數(shù)量和性質(zhì)。塑性混凝土的離析也會引起滲水?；炷恋碾x析是指混凝土拌和物中各組份別離，造成不均勻和失去連續(xù)性的現(xiàn)象。塑性混凝土的離析主要是構(gòu)成拌和物的各種固體粒子大小、比重不同引起的。塑性混凝土澆筑后，在凝固前，固體顆粒由于比重大而下沉，石子顆粒下沉后組成了骨架，在石子顆粒之間，水泥、粘土、膨潤土、砂漿等繼續(xù)下沉，水分被擠上升，外表析出水分，出現(xiàn)析水現(xiàn)象。一些上升的水分會聚集在粗骨料的下方，硬化后水分蒸發(fā)即成為孔隙，上升的水分還會形成連續(xù)的孔道，這些孔道成為外界水分滲入塑性混凝土內(nèi)部的途徑。離析的產(chǎn)生與塑性混凝土的水膠比和石子的最大粒徑有很大關(guān)系。此外，水泥水化硬化產(chǎn)生的化學(xué)減縮、水泥水化產(chǎn)生熱量形成的內(nèi)外溫度梯度、混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)引起的干縮等原因會產(chǎn)生體積變化[41]。使塑性混凝土在凝結(jié)硬化過程中外表和內(nèi)部會形成許多微裂縫，當(dāng)微裂縫寬度超過一定限度時(shí)，在壓力水的作用下也會滲水。5.2.2塑性混凝土抗?jié)B性能的評價(jià)指標(biāo)目前，我國對普通水工混凝土抗?jié)B性能評定的指標(biāo)采用抗?jié)B標(biāo)號。以上口直徑為175mm，下口直徑為185mm，高為150mm或上下直徑與高均為150mm的圓臺形試塊，一組六個(gè)，從試塊底部加0.1MPa水壓力開場試驗(yàn)，每隔8h增加0.1MPa水壓力，以每組六個(gè)試塊中有三個(gè)試塊外表發(fā)現(xiàn)有滲水現(xiàn)象時(shí)，或加至規(guī)定壓力〔設(shè)計(jì)抗?jié)B等級〕在8h內(nèi)六個(gè)試塊中外表滲水試塊少于三個(gè)，記下此時(shí)的水壓力。那么抗?jié)B標(biāo)號按下式計(jì)算：〔5.1〕式〔5.1〕中：—混凝土抗?jié)B等級，即抗?jié)B標(biāo)號；—六個(gè)試件中有三個(gè)滲水時(shí)的水壓力，MPa?？?jié)B標(biāo)號的測定方法簡單直觀，但是，塑性混凝土的抗?jié)B性要遠(yuǎn)低于普通混凝土，如果采用抗?jié)B標(biāo)號的評價(jià)指標(biāo)，那么一樣抗?jié)B標(biāo)號塑性混凝土的抗?jié)B性仍有很大差異，因而抗?jié)B標(biāo)號不能準(zhǔn)確地反映塑性混凝土的實(shí)際抗?jié)B能力。對于塑性混凝土采用相對滲透系數(shù)評定其抗?jié)B性要比抗?jié)B標(biāo)號更合理一些。相對滲透系數(shù)的測定一般采用上口直徑175mm，下口直徑185mm，高150mm的圓臺形試塊，一組六個(gè)，在固定壓力下恒壓24h，測出滲水高度，然后根據(jù)滲水高度以及所測出的吸水率來得到相對滲透系數(shù)[17]。5.3塑性混凝土相對滲透系數(shù)的測定5.3.1塑性混凝土吸水率的測定在計(jì)算塑性混凝土相對滲透系數(shù)時(shí)需要用到塑性混凝土的吸水率，因而在測試滲透系數(shù)前需先測出塑性混凝土的吸水率。測試吸水率的試塊采用邊長為100mm的立方體試塊，三塊為一組。將到達(dá)28天齡期的試塊從養(yǎng)護(hù)室中取出，在101型電熱鼓風(fēng)枯燥箱內(nèi)進(jìn)展枯燥，枯燥的溫度在100℃以上，枯燥的時(shí)間為15個(gè)小時(shí)。在枯燥容器中冷卻至常溫后在電子稱上稱出其枯燥狀態(tài)下的質(zhì)量，然后將試塊在CXK型陶瓷吸水率真空裝置中進(jìn)展抽氣、浸泡，浸泡5個(gè)小時(shí)到達(dá)水飽和后，將試塊取出，用使勁擰干的濕布迅速擦掉試塊外表的水，用電子稱稱出試塊吸水后的質(zhì)量。吸水率的計(jì)算表達(dá)式為：〔5.2〕式〔5.2〕中：—塑性混凝土的吸水率；—試塊在飽水狀態(tài)下的質(zhì)量，g；—試塊在枯燥狀態(tài)下的質(zhì)量，g。試驗(yàn)結(jié)果取三個(gè)試塊吸水率的平均值作為該組塑性混凝土的吸水率。5.3.2塑性混凝土相對滲透系數(shù)的測定塑性混凝土相對滲透系數(shù)測定的試驗(yàn)方法依據(jù)文獻(xiàn)[17]，儀器用ZKS－BX型微機(jī)控制高精度抗?jié)B儀，采用一次加壓法測定〔見圖5.1〕。圖5.1抗?jié)B試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置圖抗?jié)B試件到達(dá)28天齡期后，從養(yǎng)護(hù)室中取出，在室溫下將其晾干，將試件的頂、底面用鋼絲刷刷毛，以消除可能影響試件透水性的水泥漿膜，并將側(cè)面清擦干凈。然后在試件側(cè)面用三角刀均勻地刮