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某水库塑性混凝土配合比试验研究
作者：王飞 张禾 朱传磊 刘珊文
来源：《城市建设理论研究》2014年第10期
摘要：塑型混凝土是防渗墙施工的一种新型墙体材料，常用于水库等建筑物除险加固和地基处理等防渗墙施工，本文通过试验研究南水北调某水库塑性混凝土配合比设计，提出合适的设计方法和相对合理的配合比。
关键词：塑性混凝土；配合比；水库防渗处理 中图分类号:TU377文献标识码：A 项目简介
对南水北调某水库砼防渗墙进行了砼配合比试验。在对所用原材料检验基础上进行混凝土配合比设计及相关性能试验，提出符合设计及施工要求的混凝土配合比供现场浇注使用。配合比设计强度（28d）：≤5MPa；渗透系数：≤1.0×10-7cm/s；弹性模量：≤1000MPa；砼拌和物坍落度：180～220mm，扩散度360～400mm。 原材料 水泥
潍坊山水水泥厂生产，普通硅酸盐42.5级水泥。按《通用硅酸盐水泥》GB175－2007的要求，对水泥强度等级、物理性能进行了检验，结果见表1。 表1 水泥物理力学性能试验结果 测试
项目 安定性 标准稠度（%） 凝结时间 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 初凝 终凝 3d 28d 3d 28d
国家标准 合格 ≥45 ≤600 ≥3.5 ≥6.5 ≥17.0 ≥42.5 实测结果 合格 28.0 209 265 5.5 8.7 26.1 52.2 2.骨料 (1)细骨料
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细骨料为潍坊青州产天然砂。细骨料检验结果见表2。 表2砂 子 试 验 结 果 检测项目 表观密度 (kg/m3) 堆积密度 (kg/m3) 含泥量 （%） 泥块含量 （%） 细度模数
标准 ≥2500 ≥1350 ≤3 不允许 实测结果 2560 1390 2.8 无 2.9 颗粒 级 配
筛孔尺寸（mm） 10 5 2.5 1.25 0.63 0.315 0.16 细度模数 实际累计筛余(%) 0 3.6 15.6 32.8 66.7 86.1 96.6 2.9 (2)粗骨料
粗骨料为潍坊青州产，规格为5～20mm。粗骨料检验结果见表3。 表3 石 子 试 验 结 果 检测项目 表观密度 (kg/m3) 堆积密度 (kg/m3) 含泥量 （%） 针片状含量 （%）
标准 ≥2550 ≥1350 ≤1.0 ≤15
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实测结果 2740 1420 0.5 2.9 颗粒 级 配
筛孔尺寸（mm） 150 80 40 20 10 5 筛底
实际累计筛余（%） —— —— —— 2.3 85.4 95.8 100 3.膨润土
膨润土分别产自潍坊安丘市膨润土厂。塑性混凝土中掺入膨润土，能有效降低塑性混凝土的变形模量，提高极限应变值。检验结果见表4。 表 4膨润土试验结果
编号 名称 颗粒百分比（%） 比重 液限 （%） 塑限 （%） 塑 性 指 数 土 分类 粉粒 粘粒
0.075～0.005 ＜0.005
2196 膨润土 34.7 63.0 2.75 53.8 28.0 25.8 粘土 ４.粉煤灰
粉煤灰作为矿物掺合料掺入混凝土中，具有非常明显的作用：首先可以改善混凝土的施工和易性、力学性能和变形性能；其次在一定掺量范围内可以等量取代水泥用量，较为经济等。粉煤灰采用潍坊电厂生产的Ⅱ级灰，检测结果见表５ 表５粉煤灰试验结果 检测 项目 细度
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% 需水量比 % 含水量 % 烧失量 %
Ⅱ级灰 24.4 101 0.1 4.6 标准要求 ≤25.0 ≤105 ≤1.0 ≤8 6.外加剂
外加剂是在混凝土拌制中掺入，以保证混凝土的设计要求为根本，可改善混凝土施工和易性要求、易于振捣，减少水泥用量从而降低水化热等。本配合比试验采用青州永明产高效引气剂减水剂。 四、配合比设计
混凝土配合比的设计主要按《水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》DL/T5199-20046进行，根据混凝土配合比设计要求进行计算试配强度，确定水灰比值，并经试验室试配、调整后确定。
1.配合比的设计参数 （1）混凝土配制强度的确定
塑性混凝土的配合比要求满足混凝土主要设计指标、混凝土施工强度保证率及施工和易性等要求。在进行配合比设计时，应充分考虑施工质量的不稳定和不均匀性对强度的影响，根据混凝土配合比设计规程，其配置强度即保证强度计算公式如下： fcu，0= fcu，k/（1-tCv）
式中：fcu，0——混凝土的配置强度（MPa）； fcu，k——混凝土设计龄期的强度标准值（MPa）； t——概率度系数，由保证率P确定，见表6； Cv ——强度的离差系数,不同强度的Cv值见表7；
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表6概率度系数与强度保证率关系 强度保证率（%） 80 85 90 95 概率度系数（t） 0.84 1.04 1.28 1.5 表7混凝土抗压强度离差系数Cv参考值
设计强度标准值（MPa） 15～10 9 ～6 5 ～3 2 ～1 Cv参考值 0.23 0.26 0.29 0.33
根据《水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》DL/T5199-2004对塑性混凝土强度的规定，塑性混凝土强度保证率取80%，概率度系数t为0.84，Cv值取0.26，塑性混凝土施工配置强度见表8。
表8塑性混凝土施工配置强度
砼设计强度 保证率（%） 概率度系数（t） Cv值 配置强度（MPa） ≤5MPa 80 0.84 0.29 ≤6.51 （2）水灰比的确定
混凝土的水灰比应以骨料在干燥状态下的混凝土单位用水量对单位胶凝材料用量的比值为准。按规定的坍落度，用委托单位提供的材料，计算满足配制强度要求的水灰比，根据以往经验拌和不同水灰比的混凝土拌和物，进行7d、28d抗压试验。根据强度值以及实际情况确定水灰比。
（3）选择用水量和最优砂率
根据所用的砂石情况和要求的坍落度，经试拌并结合经验选择用水量。在根据选定的水灰比和用水量计算相应的水泥用量，选择几种不同的砂率，进行混凝土的试拌，测其坍落度，观察其和易性，选择坍落度合适和和易性较好的砂率为最佳砂率。 （4）确定胶凝材料的用量
根据水灰比和用水量，选择胶凝材料用量，并根据以往经验确定膨润土代替水泥用量，成型7d、28d试件进行抗压强度试验。 （5）确定砂石用量
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根据确定的最佳砂率，采用重量法进行计算，即每方混凝土拌合物的假定重量等于各组成材料重量之和，确定砂石用量。 （6）确定配合比
按以上确定的配合比，经试拌调整得出经济合理的配合比，该配合比应该满足：混凝土表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2％；当二者之差超过2％时，应进行调整。
（7）校核配合比设计
按确定的配合比制作试件，根据要求，对混凝土强度、渗透性、弹性模量进行试验验证。 2.混凝土试验要求
根据要求计算得出的配合比，按《水工混凝土试验规程》SL352-2006进行。 (1)混凝土拌合物的试验要求
混凝土拌合物的拌制及各项性能试验按《水工混凝土试验规程》SL352-2006进行。试验室采用搅拌机拌合，按顺序投料后，持续搅拌2min～3min，拌和物拌合均匀后，出料人工拌和2～3次，使得混凝土拌和物均匀一致。测坍落度，观察和易性。 (2)混凝土试件的成型和养护要求
混凝土试件的制作，以混凝土拌合物振实而不产生分层为宜，根据此混凝土设计要求，混凝土拌合物采用人工捣实；成型后将试件带模放到20℃±5℃的室内静置24h后编号拆模，放入温度20℃±2℃和相对湿度为95％以上的标准养护室中养护。 混凝土配合比及试验结果
按该配合比成型试件，进行拌和物的抗压、渗透性和弹性模量等性能试验，试验结果见表9。
（1）抗压强度成型100×100×100mm试件达到28d 龄期以后，从养护室中取出，按《水工混凝土试验规程》进行试验。
（2）弹性模量成型ф150mm×300mm试件达到28d 龄期以后，从养护室中取出并立即进行试验，按《水工混凝土试验规程》，先测定其轴心抗压强度。将试件安放在试验机的下压板上，试件上下两端分别加盖板，使试件中心与试验机的下压板中心对准。用电子万能试验机或液压万能试验机，通过位移分别测量整个试件两侧的变形值，在试验时每增加4kN荷载，分
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别记下位移相应的读数。应力从0.5MPa增加到40%破坏应力时的“应力+变形”曲线接近直线，据此来计算试件的弹性模量值。
（3）渗透系数成型ф100mm×60mm试件达到28d 龄期以后，通过利用塑性混凝土渗透仪进行实际试验操作，总结出以下试验步骤：
①用小刀将试样上下表面打毛，以消除可能影响试样透水性的水泥浆膜。 ②在圆柱体试样的侧表面均匀涂上密封材料——硅橡胶。
③将处理好的试样在清水中浸泡24小时以上，或用饱和罐进行真空饱和。
④首先将顶帽部分通过活动上盖把手旋转紧固于上盖，将准备好的试样装入塑性混凝土渗透仪的压力室内顶帽和底帽之间，上下两端放置透水石，外包裹以乳胶膜，乳胶膜扎紧在试样顶帽和底帽的凹槽内，试件安装完成。
⑤将压力室外罩放置于底座上，通过把手旋紧压力室，并检查压力室是否有漏气现象。 ⑥打开渗透压力接管的阀门，通过控制面板施加少许渗透压力与周围压力，将装试样过程中带入乳胶膜与试样之间的空气通过上排气管排出，也可用橡胶囊把气体抽出。 ⑦当试样内部排气完成后，关闭渗透压力接管阀门，撤去水头压力。在压力室内施加0.05MPa-0.10MPa的周围压力，将试样内部多余水排出，当确定无多余水和气体后，方可进行渗透试验。
⑧在压力室内施加设定好的围压和渗透水压进行渗透试验，为确保试验结果的准确性，试验时渗透压力要小于压力室内围压，确保乳胶膜贴紧试样，防止绕渗。
⑨持续观测量管读数，直至渗流稳定，开始读数记录。连续记录5-10次渗流量读数，得到第一次与最后一次读数时间间隔内的稳定渗流量，按达西定律计算渗透系数及渗透比降： k=
式中，k—渗透系数，cm/s；
Q—t时间内渗透过试件的水量，cm3； A—试件截面积，cm2； L—试件高度，cm； H—作用水头，cm；
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t—渗透时间，s。 式中，J—渗透比降； H—作用水头，cm； L—试件高度，cm。 至此，渗透试验完成。
按照计算和试配，最后得出推荐施工配合比。 表9 推荐施工砼配合比及试验结果 编号 材料用量（kg/m3） 水胶比 水泥 粉煤灰 膨润土 砂子 石子 水 外加剂 3 140 80 90 826 733 280 4 0.90 试验结果 坍落 度
（mm） 扩散 度
（mm） 抗压强度（MPa） 弹性模量 (MPa) 渗透系数 (cm/s) 7d 28d
210 400 2.8 4.7 860 5.6×10﹣8cm/s 结 论
1.混凝土试验原材料使用潍坊山水水泥厂生产的普通硅酸盐水泥42.5级，所检水泥物理力学性能指标符合《通用硅酸盐水泥》GB175－2007质量指标；砂石骨料物理性能均能指标满足《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2001中对粗细骨料的品质要求。膨润土为潍坊安丘膨润土
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厂生产。如采用其他品种膨润土，须进行配合比验证等试验。粉煤灰为潍坊电厂产Ⅱ级粉煤灰。外加剂采用青州永明产引气减水剂，如采用其他品种外加剂，须进行配合比验证等试验。 2.通过试验成果而确定的混凝土配合比设计可以满足工程设计提供的各项技术性能指标要求。
3.本配合比推荐的混凝土配合比性能满足设计及施工要求，可作为混凝土施工配合比选择的依据，但当原材料质量、施工条件和设计要求有所变化时，应及时通过试验进行调整。
