低弹模高抗渗土石坝塑性橡胶混凝土防渗墙技术研究

低弹模高抗渗土石坝塑性橡胶混凝土防渗墙技术研究

胡廷正 1 尹文军 2 王可良 3

1 青州市仁河水库运行维护中心 山东青州 250013 ； 2 山东交通学院 济南 250357；

3山东交通学院 济南 250357

摘要：为实现土石坝塑性混凝土防渗墙耐久性技术要求，研究了不同橡胶粉掺量对混凝土防渗墙弹性模量影响，构建了混凝土28d龄期的弹性模量与橡胶粉掺量之间的关系；研究了协同调控橡胶粉掺量和水胶比对塑性混凝土的弹性模量和渗透系数的变化趋势。结果表明，塑性橡胶混凝土防渗墙28d龄期的弹性模量与橡胶粉掺量之间的关系为y=-846.8e^-0.021x，其中y为弹性模量，x为橡胶粉掺量；橡胶粉掺量为30kg/m³，可配制渗透系数K≤0.10×10^-7cm/s且弹性模量E_28d≤1000MPa的塑性混凝土。运用协同调控橡胶粉掺量和水胶比技术，可制备出低弹性模量、高抗渗的土石坝塑性混凝土防渗墙。

关键词：低弹模；高抗渗；塑性橡胶混凝土；防渗墙；技术

前言

混凝土防渗墙是对闸坝等水工建筑物在松散透水地基中进行垂直防渗处理的主要措施，其耐久性关系着其它水工建筑物功能发挥^[1]。在土石坝除险加固工程中，80%以上采用塑性混凝土防渗墙。塑性混凝土的强度、弹性模量和渗透系数是防渗墙的关键设计参数，但在实际工程应用中，难以实现三个参数的有机统一^[2-4]。在塑性混凝土的设计规程中，要求弹性模量E_28d≤1000MPa，渗透系数K≤1 x 10^-7cm/s，抗压强度3-5Mpa，为实现技术要求，以往主要通过掺加膨润土和粘土来解决，但同时满足防渗墙的三个技术参数，较难实现，试配防渗墙配合比成功率低^[5]。因此解决混凝土强度-弹性模量-渗透系数三者之间关系，是行业亟待解决的关键问题。首先研究了混凝土防渗墙弹性模量与橡胶粉掺量的关系，在此基础上，提出了协同调控橡胶粉掺量和水胶比技术，实现塑性混凝土防渗墙耐久性要求。

1不同橡胶粉掺量对混凝土防渗墙弹性模量影响

塑性混凝土的弹性模量是混凝土防渗墙设计的一个关键参数。选择目数为40~60橡胶粉进行不同橡胶粉掺量对塑性混凝土和普通混凝土弹性模量的试验，结果见表1；对表1中数据进行拟合，结果见图1。

表1 橡胶粉掺量对普通混凝土弹性模量试验结果

图1 塑性混凝土弹性模量与橡胶粉掺量的关系

从表1可以看出，橡胶粉掺量大，28d塑性混凝土的弹性模量低。橡胶粉掺量为10kg/m³，混凝土的弹性模量为基准混凝土的89.4%；掺量为30kg/m³，混凝土的弹性模量为基准混凝土的50.6%。对表1中数据进行拟合，拟合曲线见图1，混凝土28d龄期的弹性模量与橡胶粉掺量之间的关系为y=-846.8e^-0.021x，相关系数R²=0.961，拟合曲线良好。

2低弹性模量高抗渗塑性混凝土防渗墙制备技术

橡胶粉加入混凝土中，混凝土的弹性模量降低，混凝土防渗墙适应周围环境的变形性能增大，但混凝土的渗透系数并没有显著变化。利用橡胶粉降低混凝土弹性模量的性能特点，通过协同调控混凝土的水胶比和橡胶粉的掺量，可配制低弹性模量高抗渗的混凝土。不同水胶比塑性混凝土配合比见表2，塑性混凝土的性能见表3；对表3中数据进行拟合，结果见图2~图4。

表2 不同水胶比塑性混凝土配合比

注：表中单位为kg/m³

表3 不同水胶比塑性混凝土性能试验结果

图2 基准塑性混凝土弹性模量与水胶比的关系

图3 橡胶粉掺量10kg/m³塑性混凝土弹性模量与水胶比的关系

图4 橡胶粉掺量30kg/m³塑性混凝土弹性模量与水胶比的关系

塑性混凝土的许多性能取决于混凝土的水胶比。分析表3试验结果，可以看出，在塑性混凝土中掺加橡胶粉，同时改变水胶比，可使混凝土的弹性模量、渗透系数均发生较大变化。塑性混凝土的水胶比减小，弹性模量增大。从图2~图4可以看出,基准塑性混凝土弹性模量与水胶比的关系为y=-18984x+18089, 相关系数R²=0.988，拟合曲线良好；橡胶粉掺量10kg/m³塑性混凝土弹性模量与水胶比的关系y=-2197x+2705, 相关系数R²=0.961，拟合曲线良好；橡胶粉掺量30kg/m³塑性混凝土弹性模量与水胶比的关系y=-719.2x+1150, 相关系数R²=0.979，拟合曲线良好。水胶比为0.9时，塑性混凝土中未掺橡胶粉时，弹性模量为850 MPa，橡胶粉掺量为10kg/m³、30kg/m³，弹性模量分别为760MPa、430MPa；水胶比为0.51时，橡胶粉掺量为0、10kg/m³、30kg/m³，弹性模量则为8100 MPa、1650 MPa、730 MPa。水胶比降低，渗透系数减少。相同水胶比时，橡胶粉的掺加对渗透系数影响较小。塑性混凝土的水胶比为0.9时，渗透系数在4.7×10^-7cm/s~4.1×10^-7cm/s之间，变化不大。水胶比为0.64、0.51时，渗透系数分别为0.16×10^-7cm/s ~0.14×10^-7cm/s、0.051×10^-7cm/s~0.043×10^-7cm/s。塑性混凝土的弹性模量与渗透性是相互矛盾的，混凝土渗透性小，则弹模高。在塑性混凝土的设计规程中，一般要求弹性模量E₂₈≤1000MPa，渗透系数K≤1 x 10^-7cm·s^-1。为使混凝土具有更低的渗透系数和较小的弹性模量，分析表3的试验结果，在试验9和试验1的弹性模量基本相等时，试验9的渗透系数为0.043×10^-7cm/s，比试验1的渗透系数越低100倍。因此，要配制渗透系数K≤0.10×10^-7cm·s^-1且弹性模量E_28d≤1000MPa的塑性混凝土，可采用表3中试验9的结果，即橡胶粉的掺量为30kg/m³。

3结论

（1）建立了塑性混凝土防渗墙28d龄期的弹性模量与橡胶粉掺量之间的关系为y=-846.8e^-0.021x，其中y为弹性模量，x为橡胶粉掺量。

（2）通过协同改变塑性混凝土水胶比和橡胶粉掺量，可制备出低弹性模量、高抗渗的塑性混凝土防渗墙。

参考文献

[1]王可良,郑灿堂,许尚杰.渗透结晶材料对混凝土裂缝宽度的修复性能 [J].混凝土与水泥制品, 2012,1:21-23.

[2]王可良,许尚 杰,程 素 珍.渗 透 结 晶 材 料 在 大 坝 塑 性 混 凝 土 防 渗 墙 中 的 应 用 [J].水 力 发 电, 2012,38 (2):28-30.

[3]刘刚,丁仕鑫,刘 玲,王可良.塑性橡胶混凝土防渗墙施工技术与应用[J].工程管理前沿,2020（29）:176-177.

[4]刘刚,吕兴友,许 尚杰,王可良.大变形低渗透塑性橡胶混凝土防渗墙配制技术与应用[J].建筑实践,2020,（22）:160-161.

[5]范圣伟,刘刚,孙 向东,王可良.“橡胶粉-渗透结晶材料”双掺技术在大坝塑性混凝土防渗墙中的应用[J].建筑工程技术与设计 2020,（11）:6-7.

作者简介：胡廷正（1971-），男，大学本科，高级工程师，主要从事水利工程建设管理。