李桂宝

（绥中水利电力建设有限公司，辽宁 绥中 125200）

塑性混凝土是一种具有抗渗性能好、极限变形大、弹性模量小等特性的新型防渗材料，一般适用于基础、大坝、围堰等工程[1-3]。在防渗墙工程中使用塑性混凝土时，必须遵循抗渗强度良好、强度足够和强度模量较低等原则，而随着防渗墙对可靠度要求及设计标准的提升，当前亟需采取有效手段进一步增强塑性混凝土的整体性能。

硅粉是一种具有表面吸水效应和颗粒填充效应的球状火山灰质高活性矿物掺合料，硅粉的掺入能够有效减少混凝土泌水和离析，明显改善拌合物保水性及黏聚性，且硅粉的火山灰效应可以增强混凝土耐化学侵蚀性能、抗渗性能、密实度和强度，有利于减少或抑制碱骨料反应[4-6]。结合现有文献资料，关于塑性混凝土性能受硅粉掺量的影响研究还较少。鉴于此，文章通过室内试验探讨了不同硅粉掺量对塑性混凝土性能的影响，并进一步揭示硅粉的作用机理和影响规律，对改善塑性混凝土性能以及防渗墙工程质量提供技术支持。

1 试验方法

1.1 原材料性能

本试验选用渤海水泥（葫芦岛）有限公司生产的P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，大连亚泰科技新材料股份有限公司生产的S95 级硅粉，钙基膨润土和粉质黏土(200 目)，其中硅粉中SiO2含量95%。粗细骨料选用连续级配石灰岩碎石和Ⅱ区河砂，碎石粒径5～25mm，河砂细度模数2.7，相关参数符合《建筑用砂》、《建筑用卵石、碎石》标准要求。

1.2 配合比设计

采用硅粉等量替代水泥的方式设计5 种配合比，试验配合比设计，见表1，硅粉掺量为0%、10%、20%、30%、40%，其中胶凝材料有硅粉、水泥、黏土和膨润土。

表1 试验配合比设计

1.3 试验与测试

考虑到现阶段尚未形成统一的塑性混凝土试验方法标准，故参照《水工混凝土试验规程》开展相关测试。首先，精准称量试验所用的各项原材料，倒入适量的水预先湿润强制搅拌机；然后依次倒入碎石、河砂、膨润土、黏土、水泥干拌60s，拌和均匀后再加水湿拌60s 出料；为确保试件密实性利用人工插捣的方式成型，表面覆盖薄膜以防水分蒸散发，室内静置24h 后拆模，将各组试件标养28d后依次进行相应的测试。其中，测试劈拉和抗压强度试件尺寸均为150mm 立方体，测试抗折强度试件为400mm×100mm×100mm。试验过程中，由于塑性混凝土强度较低应适当减小其加载速率，控制劈拉、抗压和抗折强度加载速率为0.04MPa/s、0.1MPa/s、20N/s。测试弹性模量、相对渗透系数试件为300mm×150mm×150m 和高150mm×上口径175mm×下口径185mm 的圆台形体，利用一次加压法测定相对渗透系数，设定恒压时间6h，渗透水压0.5MPa，参考文献[6]中的方法计算弹性模量。

2 试验结果分析

2.1 硅粉对强度的影响

塑性混凝土掺不同硅粉时的劈拉、抗压和抗折强度测试结果，塑性混凝土强度测试结果，见表2。为了更加直观地反映硅粉掺量对强度的影响，定义绝对增长率和强度增长率为B～E 组试件强度较基准组A 组及其前一组试件的强度增幅。

表2 塑性混凝土强度测试结果

通过对硅粉掺量与塑性混凝土劈拉、抗压及抗折强度比之间的关系进行分析，硅粉掺量与强度比之间的关系图，见图1。从图1 可以看出，硅粉掺量≤30%时，随硅粉掺量增加塑性混凝土的抗压强度呈逐渐上升趋势，而掺量＞30%时抗压强度略有下降，但依然大于基准组A 组。塑性混凝土掺10%硅粉时具有最大的抗压强度相对增长率，其抗压强度相对增长率为20%、30%、40%硅粉掺量组的10.61 倍、3.60 倍和2.85 倍，表明塑性混凝土抗压强度受较低掺量硅粉的影响更加显著。

图1 硅粉掺量与强度比之间的关系图

随硅粉掺量增加塑性混凝土的劈拉强度呈先上升后下降的变化规律，掺30%时硅粉的劈拉强度达到最高，掺10%硅粉时塑性混凝土劈拉强度增幅较缓，而＞10%时劈拉强度增幅明显，掺量达到30%时增幅最高为44.6%；掺10%硅粉时塑性混凝土劈拉强度相对增长率最高达到21.4%，其劈拉强度相对增长率为20%、30%、40%硅粉掺量组的2.43 倍、2.25 倍、1.16 倍，表明塑性混凝土劈拉强度受较低掺量硅粉的影响更加显著。

随硅粉掺量增加塑性混凝土的抗折强度表现出先上升后下降的变化趋势，掺20%时硅粉的抗折强度达到最高，硅粉掺量达到40%时，塑性混凝土的抗折强度不增反降，其相对和绝对增长率为负值，其抗折强度相对增长率为20%、30%、40%硅粉掺量组的4.53 倍、3.17 倍、10.10 倍，表明塑性混凝土抗折强度受较高掺量硅粉的影响更加显著。

综上分析，掺入适量的硅粉能够明显提高塑性混凝土的强度，其中硅粉的火山灰效应是增强试件强度的主要原因。水化生成的Ca(OH)2与硅粉中的活性SiO2颗粒化合，从而加快水化速度，形成含大量C-S-H 凝胶、结构致密的水泥石，有效增强了试件强度[7-8]。另外，硅粉的微粒填充效应也可在一定程度上增大混凝土强度，这是由于水泥颗粒间的空隙被硅粉颗粒填充，大大提高了水泥石的密实度。因此，在适量范围内硅粉掺量越高其颗粒填充效应和火山灰效应就越明显，对混凝土强度的提升作用越显著，但是掺量过高则无法生成足够的Ca(OH)2，也就抑制了与SiO2的反应，混凝土强度反而降低[9]。硅粉对提高塑性混凝土强度的积极作用具有一定掺量范围，结合试验数据掺30%时硅粉时塑性混凝土的劈拉和抗压强度较高，而掺20%时硅粉时塑性混凝土的抗折强度最高，且掺30%硅粉时试件的抗折强度未明显下降，所以塑性混凝土中的最佳硅粉掺量为30%。由图1 可知，不同掺量的硅粉对各组试件的强度影响存在较大差异，在掺量相同情况下，硅粉对塑性混凝土强度的增强作用排序为抗折＜抗压＜劈拉强度。

2.2 硅粉对弹性模量的影响

弹性模量是反映力学性能和变形特性的重要参数，塑性混凝土防渗墙与周围土体的协调变形是保证其抗渗性能的基本条件，所以必须满足一定的弹性模量要求。本研究借鉴文献[10]推荐的方法测试塑性混凝土弹性模量，硅粉掺量与弹性模量之间的关系图，见图2。结果显示，塑性混凝土弹性模量随着硅粉掺量的增加表现出先上升后下降的变化趋势，该变化规律与抗压强度相同。在掺量相同条件下，抗压强度与弹性模量的变化关系如下：掺10%、20%、30%、40%硅粉时的试件弹性模量较基准组A 组依次增加11.7%、60.1%、22.1%、3.6%，抗压强度增幅与弹性模量增幅之比依次为1.63、0.35、1.25、5.35，可见除掺20%硅粉的C 组外其它各组比值均＞1。因此，硅粉的掺入对塑性混凝土的抗压强度增幅整体上要高于弹性模量，这有利于降低试件的弹强比；掺40%硅粉的增幅之比为掺10%、20%、30%硅粉组的3.3 倍、15.1 倍和4.3倍，说明硅粉掺量越高其降低塑性混凝土弹强比的效果越明显。

图2 硅粉掺量与弹性模量之间的关系图

2.3 硅粉对相对渗透系数的影响

塑性混凝土掺不同硅粉时的相对渗透系数测试值，硅粉掺量与弹性模量之间的关系图，如图3 所示，结果显示硅粉的掺入大大降低了混凝土的相对渗透系数，并且掺量越高则减小趋势越明显。掺0%、10%、20%、30%、40%硅粉组的相对渗透系数依次为4.0×10-8cm/s、2.5×10-8cm/s、1.6×10-8cm/s、1.3×10-8cm/s、0.8×10-8cm/s，相对于基准组A 组的相对渗透系数，10%、20%、30%、40%硅粉组依次下降37.5%、60.0%、67.5%、80.0%。因此，掺入一定范围内的硅粉能够显著降低塑性混凝土的相对渗透系数。究其原因，相对渗透系数的减小是硅粉的表面吸水效应、火山灰效应以及颗粒填充效应综合作用的结果。塑性混凝土内部的水化产物随着硅粉掺量的增大而增加，基体内部的胶凝材料逐渐形成完整骨架的网状结构，降低渗水对细小颗粒的冲刷带走概率；另外，水化产物以及硅粉颗粒发挥着良好的填充作用，使得水泥石孔隙结构得以明显改善。胶凝材料参与水化的需水量随着硅粉掺量的增加而增大，在一定程度上降低了水分蒸发产生的泌水通道，有效改善了内部毛细多孔体系。掺量较低时，硅粉的火山灰效应发挥着决定作用；掺量较高时，硅粉的表面吸水效应以及颗粒填充效应发挥着主导作用，这也是导致掺量＞20%时塑性混凝土的抗渗性能继续增强，而弹性模量和强度下降的主要原因[11-14]。

图3 硅粉掺量与弹性模量之间的关系图

3 结 论

文章通过室内试验探讨了硅粉掺量对塑性混凝土抗渗性、弹性模量和强度的影响作用，主要结论如下：

1）掺入适量的硅粉能够有效提升塑性混凝土强度，掺30%时的强度最优，掺量相同情况下，硅粉对塑性混凝土强度的增强作用排序为抗折＜抗压＜劈拉强度。

2）塑性混凝土的弹性考量和强度均随着硅粉掺量的增加表现出先上升后下降的变化趋势，抗压强度增幅高于弹性模量，对降低其弹强比具有积极作用。另外，硅粉的掺入大大降低了混凝土的相对渗透系数，并且掺量越高则减小趋势越明显。