浅谈土石坝粘土混凝土的选用与研究

浅谈土石坝粘土混凝土的选用与研究

摘要对土石坝防渗墙粘土混凝土新材料及其墙体应力特性进行系统研究,包括粘土混凝土的原材料选用、配合比设计方法、物理力学性能、试验方法、耐久性、墙体计算模型建立、墙体应力特性、防渗墙施工工艺、工程应用等,为水利水电工程建设提供一种新材料和新技术。所研制的粘土混凝土性能介于塑性混凝土和刚性(高强)混凝土之间,作为防渗墙材料具有明显优势,如成本较低,而且具有相对较高的强度、相对较低的弹模和相对较高的抗渗性能,使墙体能有效截断渗流并适应较大的变形而不开裂,不失为一种理想的防渗墙材料。

关键词土石坝;粘土混凝土;防渗墙

土石坝除险加固的重点一般是防渗问题和渗流稳定问题,而粘土混凝土作为土石坝坝体和坝基防渗墙材料具有明显优势,如相对较低的弹模和相对较高的抗渗性能,使墙体能有效截断渗流并适应较大的变形而不开裂,粘土混凝土在土坝除险加固工程中有着广阔应用前景。国内以对防渗墙塑性混凝土的研究开展较多,但对粘土混凝土的研究较少,尤其在抗压强度和弹模明显高于塑性混凝土的限定条件下的研究更少,因此对粘土混凝土进行试验研究势在必行。

1粘土混凝土的原材料构成

粘土混凝土是用粘土取代普通混凝土中的部分水泥而形成的墙体材料。水泥用量及混凝土性能均介于普通混凝土与塑性混凝土之间,抗压强度适中,但抗渗性能及耐久性比塑性混凝土有很大提高。弹模一般高于塑性混凝土但比普通混凝土有很大降低,且强度、弹模和渗透系数可在较大范围内选定。一般强度在3～15MPa;弹模在2000MPa～20000MPa;渗透系数一般在10-7～10-9cm/s。

粘土混凝土仍属于混凝土的范畴,其原材料主要包括水、水泥、粘土、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂等。因此,粘土混凝土原材料与普通混凝土相比只是增加了粘土。但由于混凝土使用目的的不同,在原材料选用原则上有极大不同。又因为原材料往往对混凝土的性能有决定性作用,因此配制优质的粘土混凝土须从原材料选用开始,对粘土混凝土原材料选用进行研究是必须的。

2粘土混凝土优化设计思路

根据高性能混凝土理论,防渗墙所采用的混凝土材料不同,其硬化混凝土性能有明显差异。防渗墙混凝土的主要性能指标一般包括抗压强度、弹性模量、抗渗标号或渗透系数、抗拉强度,要实现防渗墙混凝土的高性能化还必须增加耐久性和经济性的要求。要实现以上的单个性能是比较容易的,但要实现防渗墙混凝土的全面性能则是一件非常复杂的技术任务,必须按照高性能混凝土理论进行试验研究。同时与高性能混凝土理论所定义的优质混凝土相比,粘土混凝土所追求的基本性能增多,如除强度外又增加了低弹模和高抗渗性能的要求,因此所采取的技术措施增加且有显著不同。

2.1粘土混凝土与塑性混凝土的材料性能对比

混凝±防渗墙的材料性能包括拌合物性能和硬化混凝土性能两部分。拌合物性能包括坍落度、扩散度、l小时后坍落度、初凝时间、终凝时间等,硬化混凝土性能则包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、渗透系数、耐久性等。无论工程选择何种混凝土材料,从施工角度出发,对其拌合物性能的要求是一致的,但硬化混凝土性能却相差甚远。比如塑性混凝土一般抗压强度lMPa～3MPa,弹性模量小于2000MPa,渗透系数10-6～10-7cm/s;高强混凝土一般强度大于30MPa,弹性模量大于2500MPa,渗透系数l0-10～10-11cm/s。塑性混凝土抗渗能力很高,并能承受较大的应力,适用于高坝深基防渗墙,但抗变形能力较差。一般采用钢筋混凝土提高其抗裂能力。塑性混凝土能最大限度地适应坝体和坝基变形,而不造成墙体破坏,使墙体应力状况明显改善,但抗渗能力有限,且存在耐久性不足及应力破坏风险,一般适用于中低水头闸坝和围堰。以上两种混凝土分别追求了材料力学性能的两个极限,也因此造成了高成本问题和耐久性问题。作为一种新型墙体材料,粘土混凝土能被工程采用的关键在于,抗压强度、抗渗性和耐久性要比塑性混凝土有较大提高,而要实现此目标则需对原材料选用、配合比设计、物理力学性能进行全面研究。

2.2粘土混凝土防渗墙性能指标的设计

土石坝除险加固的重点一般是防渗问题和渗流稳定问题,而粘土混凝土作为土石坝坝体和坝基防渗墙材料具有明显优势,如相对较低的弹模和相对较高的抗渗性能,使墙体能有效截断渗流并适应较大的变形而不开裂,粘土混凝土在土坝除险加固工程中有着广阔应用前景。国内以对防渗墙塑性混凝土的研究开展较多,但对粘土混凝土的研究较少,尤其在抗压强度和弹模明显高于塑性混凝土的限定条件下的研究更少,因此对粘土混凝土防渗墙进行试验研究势在必行。

3粘土混凝土作用机理

粘土混凝土作用机理同塑性混凝土基本相同,但为改善性能水泥用量应增加,但比普通混凝土水泥用量仍有大幅减少,同时掺加大量粘土。虽然粘土混凝土的水泥用量大幅度减少,密度降低,但其仍然具有良好的抗渗性能。其机理可作如下定性的解释:

1)水泥用量减少以后,水泥水化产物减少,其网状结构比普通混凝土要单薄,但仍能够连接成完整的骨架,并粘结绝大部分的土料颗粒,使之不被渗水带走,足以抵抗一定的渗水压力;2)适量的骨料和土料在满足混凝土和易性和流动性要求的前提下,使单位体积内的空隙最少;3)水泥颗粒及其水化产物间的空隙大部分被糙土颗粒堵塞;4)极细的粘土颗粒通过正负电荷作用能够吸附大量的水分子,使混凝士中的大部分自由水分子变为化合水分子、减小了渗水的过水面积;5)随着水泥和粘土水化过程的发展,水化产物的密度和强度不断增加,自由水分子不断减少、混凝土的密实性和抗渗性随龄期发展而增强。

4结论

综上所述,能否兼顾粘土混凝土的力学性能和抗渗性能,关键在于水泥和土料的性质和用量以及搅拌的均匀性。水泥的用量应足够形成完整而坚韧的网状骨架结构,以满足混凝±对强度和抗渗性能的要求。均匀分散的土料颗粒起着阻水和增加柔性的双重作用,这种作用随土料的矿物成分、细度、粒径及含量的不同有很大的差别。因此粘土混凝土应根据具体工程要求进行选取,以粘土的粘粒含量为主要控制指标,并通过试验确定其可行性和掺量。

参考文献

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