海上拋石堤防滲墻塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

◎李志浩 李哲 中建筑港集團(tuán)有限公司 劉建軍 蔣叔強(qiáng) 孫貴平 華能山東石島灣核電廠

1.項(xiàng)目背景

華能山東石島灣核電廠取排水工程中排水暗涵及排水口位于海平面以下，地下水豐富。為了創(chuàng)造干地施工條件，需在施工區(qū)域四周采取防滲措施，因此選用了塑性混凝土防滲墻。由于施工區(qū)域位于開敞式海水環(huán)境中，首先需要將施工區(qū)域四周采用拋石堤結(jié)構(gòu)拋填至海面標(biāo)高以上，然后再在堤身上方打設(shè)塑性混凝土防滲墻進(jìn)行截滲，施工完成后開挖截滲效果良好，塑性混凝土應(yīng)用成功。

眾所周知，為提升塑性混凝土的抗?jié)B能力，通常在混凝土中摻入膨潤(rùn)土或者粘土，也可同時(shí)摻入膨潤(rùn)土及粘土。塑性混凝土配制原材料由水泥、膨潤(rùn)土（粘土）、水、砂、石子和外加劑等組成。由于混凝土中摻如了大量膨潤(rùn)土，因此使得水泥用量相對(duì)減少，使之與普通混凝土相比，具有主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）初始彈性模量低，極限變形大，與周圍土體的變形模量相差不大，因而適應(yīng)變形能力強(qiáng)。（2）水泥用量少，降低工程造價(jià)；抗壓強(qiáng)度低，仍具有較好的抗?jié)B性，另外塑性混凝土防滲墻在海上往往為臨時(shí)截滲結(jié)構(gòu)，因此由于強(qiáng)度低的特點(diǎn)，使其拆除難度大大降低。

塑性混凝土材料性能能否滿足設(shè)計(jì)要求是防滲墻施工質(zhì)量保證的前提，因此在防滲墻施工前對(duì)塑性混凝土的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

2.設(shè)計(jì)參數(shù)

華能山東石島灣核電廠取排水工程中塑性混凝土設(shè)計(jì)控制指標(biāo)如下：

（1）28天抗壓強(qiáng)度≥1.0MPa，且不宜大于2.5MPa；

（2）滲透系數(shù)要求不大于5×10cm/s；

（3）彈性模量E<800MPa；

（4）混凝土容重不小于20KN/m；

（5）泊松比v為0.4；

（6）抗拉強(qiáng)度不小于0.3MPa；

（7）在平均圍壓0.3MPa條件下，極限應(yīng)變不小于3%；

（8）內(nèi)摩擦角?≥32°，凝聚力c≥0.27MPa。

以上指標(biāo)中，在抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、彈性模量為控制性指標(biāo)，在進(jìn)行配合比配制試驗(yàn)和實(shí)際施工時(shí)必須達(dá)到；剩余的五項(xiàng)內(nèi)容均為參考指標(biāo)，雖不做強(qiáng)制性要求但在配合比試驗(yàn)及施工后必須提供。

由此可見塑性混凝土在抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、彈性模量、容重等指標(biāo)參數(shù)都有特定的要求，要滿足上述性能指標(biāo)要求，關(guān)鍵是要選定合適的材料及配合比。好的配合比不僅與提升結(jié)構(gòu)的安全及耐久性相關(guān)，也可以降低施工難度和降低工程造價(jià)。

3.塑性混凝土配制原材料的選擇

由于施工在海水環(huán)境中，因此原材料選擇應(yīng)符合《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTS202-2011）的要求，下面以華能山東石島灣核電廠取排水工程塑性混凝土防滲墻原材料的選擇為例。

3.1 水泥

根據(jù)設(shè)計(jì)要求水泥選擇普通硅酸鹽水泥，按照規(guī)范要求水泥熟料中的鋁酸三鈣含量應(yīng)在6%～12%之間，水泥的強(qiáng)度等級(jí)不得低于42.5MPa。由于塑性混凝土施工時(shí)要求凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，所使用水泥必須經(jīng)過檢驗(yàn)合格后方能使用，不得使用過期產(chǎn)品。水泥對(duì)塑性混凝土性能的影響主要體現(xiàn)在：

1）抗壓強(qiáng)度。水泥是決定塑性混凝土強(qiáng)度的最主要材料。一般來說，水泥用量越高，強(qiáng)度越高。

2）彈性模量。塑性混凝土要求的彈性模量往往較低，其中水泥對(duì)塑性混凝土的彈模影響非常大，因此要想降低彈模，最重要的措施就是減少水泥用量。

3）滲透系數(shù)。水泥用量的多少對(duì)塑性混凝土的抗?jié)B透性能影響非常大，水泥用量越多將會(huì)導(dǎo)致塑性混凝土滲透系數(shù)越小。

4）和易性。水泥屬于膠凝材料，用量的多少影響混凝土的和易性。水泥的用量越多，塑性混凝土的和易性也會(huì)越好。

因此水泥用量對(duì)塑性混凝土性能的影響顯而易見，但往往實(shí)際施工中還要考慮工程造價(jià)等客觀因素，因此在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，選擇合適的水泥用量對(duì)于混凝土用量較大的工程來說非常關(guān)鍵。

3.2 塑性混凝土的細(xì)骨料要求

1）細(xì)骨料主要指砂，應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)硬，粒徑在5 mm以下的中粗砂。由于目前市場(chǎng)河砂資源匱乏，且采購(gòu)成本較高，因此大多數(shù)選用機(jī)制砂即可滿足施工需求，但嚴(yán)禁采用活性細(xì)骨料；

2）塑性混凝土中雖摻有膨潤(rùn)土、黏土等材料但為避免細(xì)骨料含泥量偏高對(duì)混凝土性能造成影響，還應(yīng)嚴(yán)格控制細(xì)骨料的含泥量，可適當(dāng)放寬，但盡量控制在5%以下，水溶性硫酸鹽及硫化物（以SO3重量%計(jì)）≤1；

3）由于處于海水環(huán)境中，有機(jī)物、蛋白石及其它無(wú)定形二氧化硅含量應(yīng)符合《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTS202-2011）中有關(guān)規(guī)定。

華能山東石島灣核電廠取排水工程中選用細(xì)度模數(shù)為2.6～3.2的機(jī)制砂配制。

3.3 塑性混凝土的粗骨料要求

粗骨料宜選用質(zhì)地堅(jiān)硬的碎石，碎石需滿足針片狀少、級(jí)配良好并且空隙率小，選用的巖石抗壓度宜應(yīng)大于100MPa，或碎石壓碎指標(biāo)≤10%。不得采用活性粗骨料。同機(jī)制砂一樣，嚴(yán)格控制骨料含泥量，可適當(dāng)放寬，但盡量控制在5%以下。由于碎石的粒徑對(duì)塑性混凝土的強(qiáng)度影響較大，骨料粒徑大的塑性混凝土所承受的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于骨料粒徑小的，但變形能力卻要小得多，所以塑性混凝土應(yīng)使用較小粒徑的骨粒。一般塑性混凝土宜采用一級(jí)配骨料，但也可結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

華能山東石島灣核電廠取排水工程由于需生產(chǎn)多種型號(hào)混凝土，因此利用場(chǎng)地內(nèi)已有粗骨料進(jìn)行配制，采用的是5-10mm的碎石。

3.4 塑性混凝土的拌合用水

拌合用水選用不含有影響水泥正常凝結(jié)、硬化或促使鋼筋銹蝕的自來水或飲用水。水中氯離子含量應(yīng)小于200mg/L。不得使用工業(yè)廢水、含有害雜質(zhì)的水或沼澤水，嚴(yán)禁使用海水拌合。

3.5 塑性混凝土的摻合料

配制塑性混凝土的摻合料為Ⅱ級(jí)以上粉煤灰，粉煤灰品質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）和現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，粉煤灰的摻入量宜為25～40%（摻入量以膠凝材料質(zhì)量百分比計(jì)），并應(yīng)通過試驗(yàn)確定，混凝土90d齡期后，電通量庫(kù)侖值不大于2000，擴(kuò)散系數(shù)不大于6×10cm/s。

3.6 膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土是決定塑性混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量及滲透系數(shù)的重要因素，是塑性混凝土的最關(guān)鍵材料。因此要求膨潤(rùn)土必須含有足夠的膠粒和粘粒，含粘量一般不應(yīng)小于50%。膨潤(rùn)土的加入對(duì)塑性混凝土的性能影響有：

1）影響強(qiáng)度。膨潤(rùn)土的粒度愈小，其膨脹性、分散性以及親水性愈好，對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的提高越為顯著。但由于膨潤(rùn)土本身的膠凝強(qiáng)度低，因此用量增加將導(dǎo)致塑性混凝土的強(qiáng)度下降。

2）對(duì)彈性模量的影響。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及以往工程得出膨潤(rùn)土用量增加將導(dǎo)致塑性混凝土彈性模量下降。

3）對(duì)和易性的影響。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及以往工程得出膨潤(rùn)土的摻加，提高了塑性混凝土的和易性。

4.塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

4.1 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

水泥、膨潤(rùn)土、砂、石子等原材料的性能及用量都是影響塑性混凝土物理力學(xué)指標(biāo)的重要因素，在塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)中這些因素相互制約、相互影響。因此，塑性混凝土設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，同時(shí)配制過程中還應(yīng)結(jié)合實(shí)際施工工況，考慮工程造價(jià)等因素。為了配制出的塑性混凝土滿足相關(guān)參數(shù)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循下述原則。

1）選擇正確的膠凝材料用量及水膠比。膠凝材料包括水泥、膨潤(rùn)土（黏土）、粉煤灰等有凝結(jié)作用的材料。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，塑性混凝土膠凝材料總量不宜少于240kg/m。每立方米塑性混凝土中用水量與所有膠凝材料用量之和的比值即為水膠比。水膠比對(duì)塑性混凝土的性能影響較大，水膠比越大，其強(qiáng)度和彈模降低，滲透系數(shù)越大，流動(dòng)性越好。因此在滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求的前提下，應(yīng)盡量選擇較小的水膠比。

2）確定合理的水泥用量。水泥用量的多少不僅影響塑性混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)等物理力學(xué)指標(biāo)，還直接影響到工程施工成本。減少水泥用量，對(duì)節(jié)約工程造價(jià)起著關(guān)鍵性因素，因此水泥用量必須通過配合比試驗(yàn)綜合分析研究確定。在塑性混凝土各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的前提下，應(yīng)盡量減少塑性混凝土中水泥用量。但規(guī)范中對(duì)水泥的最低用量有建議值，要求不宜少于80kg/m，一般每立方米塑性混凝土水泥用量為90-120千克。

3）確定合理的膨潤(rùn)土用量。為使塑性混凝土中具有彈性模量低，變形大的特點(diǎn)，需摻入適量的膨潤(rùn)土，在有條件的前提下，可同時(shí)摻入適量的粘土和膨潤(rùn)土。單純加入其中一種土料的塑性混凝土的性能不如兩種都加入的好。按照相關(guān)規(guī)范要求，膨潤(rùn)土用量不宜少于40kg/m。水泥與膨潤(rùn)土的合計(jì)用量不少于160kg/m。

4）確定合理的塑性混凝土配制砂率。砂率是混凝土中砂的質(zhì)量占砂、石總質(zhì)量的百分率。砂率的變動(dòng)，會(huì)影響塑性混凝土中集料的級(jí)配，使集料的空隙率和總表面積有很大變化，對(duì)塑性混凝土的和易性產(chǎn)生顯著影響。在水泥漿數(shù)量不變時(shí)，砂率過大將會(huì)導(dǎo)致集料的總表面積及空隙率也增大，進(jìn)而需要較多的水泥漿填充和包裹集料，這將導(dǎo)致起潤(rùn)滑作用的水泥漿變少，使塑性混凝土的流動(dòng)性降低。另外砂率過小同樣會(huì)使集料的空隙率顯著增加，導(dǎo)致粗集料之間的砂漿層不足，也會(huì)降低塑性混凝土的流動(dòng)性，并會(huì)嚴(yán)重影響保水性和粘聚性，造成流漿、離析等現(xiàn)象。

一般塑性混凝土設(shè)計(jì)要求的彈性模量都較小，增加砂率可有效地降低彈模。因些，塑性混凝土的砂率一般較高，規(guī)范要求不宜小于45%，因此一般采用約為45%-55%之間。

5）合理?yè)郊油饧觿?。為減少水膠比，在混凝土滿足流動(dòng)性要求的前提下，往往會(huì)在混凝土中摻加減水劑，以減少水用量。另外塑性混凝土不但要求有較高的抗?jié)B功能，還需要有較大的流動(dòng)性等其它力學(xué)指標(biāo)，因此實(shí)際配合過程中會(huì)在塑性混凝土中摻加引氣劑，來降低滲透系數(shù)。

4.2 配合比設(shè)計(jì)其他參數(shù)及確定過程

1）按照規(guī)范要求，塑性混凝土的入孔坍落度應(yīng)在180～220mm之間，坍落度保持在150mm以上的時(shí)間應(yīng)不小1小時(shí)，混凝土擴(kuò)散度應(yīng)為340—400mm；混凝土凝結(jié)時(shí)間要求為：初凝時(shí)間應(yīng)不小于6h，終凝時(shí)間不宜大于24h；混凝土的密度應(yīng)大于2100kg/m。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)等參數(shù)，選用合適的原材料，按照上述設(shè)計(jì)原則，以水泥等膠凝材料用量、膨潤(rùn)土用量、砂率和水膠比進(jìn)行正交設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，最終配制出經(jīng)濟(jì)適用的混凝土配合比。

5.塑性混凝土配合比的應(yīng)用

按照上述配制原則對(duì)華能山東石島灣核電廠取排水工程塑性混凝土進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終配合比主要參數(shù)如下：配制強(qiáng)度1.5MPa；水膠比1.4；砂率50%；水泥與膨潤(rùn)土的合計(jì)用量200kg/m；坍落度195mm。

根據(jù)本工程最終防滲墻檢測(cè)效果及開挖后截滲效果來看，配合比配制較為成功。

6.結(jié)束語(yǔ)

混凝土配合比設(shè)計(jì)選用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際原材料，確保原材料合格的前提下，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，需綜合考慮安全性、耐久性、施工便利性和工程造價(jià)等因素，配制完成后分析試驗(yàn)成果，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最后選定合理的經(jīng)濟(jì)的配合比。