水泥掺量对含红粘土塑性混凝土性能影响试验研究

李利峰，韩六平，张晓虎，邓慧琳

(1.贵州工程应用技术学院 a.土木建筑工程学院；b.理学院，贵州 毕节 551700)

塑性混凝土是一种由黏土、膨润土、水泥、砂、石子和水等原材料经过搅拌、浇筑、凝结而形成的介于土与普通刚性混凝土之间的柔性工程材料。[1-3]塑性混凝土较低的渗透系数使其具有良好的防渗性能，变形能力大造就其优良的耐久性能。[4]自20世纪50年代塑性混凝土问世以来，在水利工程领域，防渗墙加固技术得到广泛应用。[2][5][6]红粘土是分布在我国贵州、广西、云南、湖南和江西等南方区域较常见的粘土[7]，近年来大量应用在塑性混凝土中[8-10]。针对红粘土对塑性混凝土的影响，学者们做了大量的工作。[11-13]吴福飞等为了探究低液限红粘土对混凝土和易性及力学性能的影响，采用低液限红粘土、碎石、机制砂制备塑性混凝土，探讨黏土掺量与水灰比对混凝土和易性、抗压强度、劈裂强度、弹性模量的影响。[5]李续楠等利用ABAQUS有限元模拟软件，对黏土斜墙土石坝进行有限元分析，探究坝基中红粘土塑性混凝土防渗墙对覆盖层影响的变化规律。[11]]李谈谈采用3个系列15组配合比，通过进行塑性混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量及渗透系数试验，对比研究红粘土及水泥掺量对塑性混凝土性能的影响。[13]红粘土的组成成分以及力学性质具有显著的地区差异性，因此本文通过室内实验，研究贵州毕节地区水泥含量对含红粘土塑性混凝土基本力学性质的影响，这对于贵州毕节地区含红粘土塑性混凝土的利用和发展具有重要意义。

1 试验准备与设计

1.1 原材料准备[14]

(1)水泥

采用毕节赛德水泥厂生产的普通硅酸盐42.5级袋装水泥，其主要力学指标符合中华人民共和国标准（GB175-2007）相关规定要求。

(2)粘土

采用倒天河水库旁边坡粘土，该土为粉质粘土。选用红粘土需经过晒干、粉碎、磨细并用5mm筛孔的筛子筛过。

(3)骨料

细骨料：采用工程所用砂料，含泥量小于3.0%，细度模数为2.8，属中砂；粗骨料：采用5～20mm的连续级配碎石。

(4)膨润土

采用灵寿县玛琳矿产品加工厂生产的钠基膨润土。

1.2 塑性混凝土各项性能指标试验方法

本次塑性混凝土测试的主要指标有坍落度与扩散度、弹性模量、渗透系数、抗压强度（28d）、抗拉强度（28d）。[15]测量方法和试样的制作参照最新的《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T5303-2013)的相关规定。坍落度与扩散度在塑性混凝土拌合结束后即可按照相关要求测定。弹性模量每组制作3个有效试件，试件为直径150mm，高300mm的圆柱体。渗透系数每组制作6个有效试件，试块采用上口直径175mm，下口直径185mm，高150mm的圆台形试块。塑性混凝土立方体抗压强度采用边长为150mm的立方体试件，本次实验仅测定28天抗压强度，每组3块。抗拉强度采用立方体劈裂实验进行测定，试件尺寸同样采用边长为150mm的立方体试件，每组3块。

1.3 配合比设计

塑性混凝土的水胶比通常控制在0.8-1.0，湿密度一般在2000-2200kg/m3，砂率为50%左右，膨润土常用的掺量50-70kg/m3。[16,17]本次实验水胶比为1.0，湿密度2000kg/m3，砂率为50%，膨润土掺量为50kg/m3。由于本次实验是研究水泥含量对含红粘土塑性混凝土性能的影响，参考相关文献，本次试验采用正交试验的方法进行实验设计：红粘土的含量设计6个含量，分别为0kg/m3、40kg/m3、80kg/m3、120kg/m3、160kg/m3和200kg/m3。水泥的含量设计6个含量，分别为100kg/m3、120kg/m3、140kg/m3、160kg/m3、180kg/m3和200kg/m3。试验配比设计36种配合比，其具体方案如下表1所示：

表1 含红粘土的塑性混凝土配合比参数表（单位：kg）

S 1 4 0 8 S 1 6 0 8 S 1 8 0 8 S 2 0 0 8 S 1 0 1 2 S 1 2 1 2 S 1 4 1 2 S 1 6 1 2 S 1 8 1 2 S 2 0 1 2 S 1 0 1 6 S 1 2 1 6 S 1 4 1 6 S 1 6 1 6 S 1 8 1 6 S 2 0 1 6 S 1 0 2 0 S 1 2 2 0 S 1 4 2 0 S 1 6 2 0 S 1 8 2 0 S 2 0 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 8 0 8 0 8 0 8 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 6 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 7 0 2 9 0 3 1 0 3 3 0 2 7 0 2 9 0 3 1 0 3 3 0 3 5 0 3 7 0 3 1 0 3 3 0 3 5 0 3 7 0 3 9 0 4 1 0 3 5 0 3 7 0 3 9 0 4 1 0 4 3 0 4 5 0 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 5 4 5 5 2 5 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 7 0 5 6 8 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 6 6 5 6 4 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 6 2 5 6 0 5 5 8 5 5 6 5 5 4 5 5 2 5

表1中按塑性混凝土的试验方案的编号排序。其编号规则按照水泥和红粘土的含量编号，如S1412中，S表示试样，14表示水泥的含量为140kg/m3，12表示红粘土的含量为120kg/m3，其他类推。

1.4 试验设备的选择以及相关参数的确定

本次试验设备和相关参数的测定方法严格按照《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T5303-2013)的相关规定进行选择。塌落度和扩散度采用如图1所示的塌落度筒并配合钢尺来测定，塌落度筒上口直径100mm，下口直径200mm，高度300mm，竖向塌落度值和扩散后的直径精度不小于1mm。弹性模量采用如图2所示的直径150mm，高300mm的圆柱模具。抗渗模具如图3所示，150mm的立方体模具如图4所示。为防止水分蒸发，试块成型后用塑料薄膜覆盖，在20℃的室温内放置3天后编号，然后放进如图5所示的YH-40B恒湿养护箱进行塑性混凝土养护。

图1 塌落度筒

图2 弹性模量测试模具

图3 抗渗试块模具

图4 立方体模具

图5 YH-40B恒温恒湿养护箱

图6 DYE-1000型电液式压力试验机

图7 HS-4型混凝土渗透仪

塑性混凝土立方体抗压强度、立方体劈裂实验和弹性模量采用图6所示的DYE-1000型电液式压力试验机。为防止试验时水分的丢失，试验前各试块均需用湿布覆盖。试验前要复核试件尺寸，实测尺寸和公称尺寸不得大于1mm，并对不规则处进行适当打磨。参考最新试验规定，立方体抗压强度可按下式计算[15]：

测定塑性混凝土的劈裂抗拉强度时的方法与立方体抗压强度相似，只需在上下板与立方体试块的中间部位垫上垫条，垫条为5mm＊5mm＊200mm的钢制长方体方条，劈裂强度按下式计算[15]：

本次塑形混凝土抗压弹性模量采用圆柱体的试块进行，由于前面进行了立方体抗压强度，本文中没有列出轴心抗压强度。弹性模量根据水工塑性混凝土试验规程，按以下式子计算

抗渗试验采用如图7所示的HS-4型混凝土渗透仪，水压一次性加到0.8MPa，当有试件断面出现渗水时实验停止，此时试件的渗水高度即为试件高度，渗透时间即为自试验开始持续至结束的时间。[15]渗透系数的计算公式如下：

2 试验结果分析

按照本文设计的配合比和养护标准制备塑性混凝土试样并根据《水工塑性混凝土试验规程》(DL/T 5303-2013)的相关规定进行不同配合比塑性混凝土的坍落度与扩散度、弹性模量、渗透系数、抗压强度（28d）和抗拉强度（28d）的性能参数的严格测定，得到如表2所示的实验数据：

表2 不同配合比的含红粘土塑性混凝土性能参数表

S 2 0 1 2 S 1 0 1 6 S 1 2 1 6 S 1 4 1 6 S 1 6 1 6 S 1 8 1 6 S 2 0 1 6 S 1 0 2 0 S 1 2 2 0 S 1 4 2 0 S 1 6 2 0 S 1 8 2 0 S 2 0 2 0 1 6.9 1 9.5 1 8.7 1 8.6 1 8.3 1 7.3 1 6.3 1 8.8 1 8.0 1 8.0 1 7.7 1 6.6 1 5.7 3 0.9 3 3.8 3 2.1 3 2.1 3 1.2 2 9.2 2 9.0 3 3.5 3 2.3 3 1.8 3 0.0 2 8.4 2 8.4 1 6 5 8 1 6 3 4 5 7 1 0 5 6 1 3 0 7 1 5 2 2 1 6 7 1 1 3 8 3 7 4 9 3 7 1 2 1 1 1 4 2 1 1 6 2 4 7.3 2 1.2 1 1.2 6 2.7 7 4.4 5 5.3 2 6.3 8 1.1 1 1.1 0 2.7 4 3.2 1 4.5 0 6.0 7 0.7 4 0.1 4 0.1 3 0.3 0 0.4 5 0.5 4 0.6 5 0.1 3 0.1 1 0.2 9 0.3 4 0.4 6 0.6 2 0.1 2 2 0.5 1 4 0.3 6 3 0.2 6 5 0.2 0 9 0.1 4 4 0.1 0 9 0.4 3 1 0.3 4 6 0.2 5 5 0.1 5 4 0.0 9 1 0.0 2 1

2.1 水泥掺量对塑性混凝土施工性能的影响

流动性和粘聚性是塑性混凝土工作性能中最重要的两个方面，流动性和粘聚性的测定方法目前采用的为坍落度和扩散度。根据表2中的测定的坍落度和扩散度的实验数据，6种红粘土含量的含红粘土塑性混凝土坍落度和扩散度随红粘土水泥含量变化曲线如图8和图9所示。从图8和图9中可以看出，随着水泥含量以每次20kg/m3分六级从100kg/m3到200kg/m3的变化，含不同数量红粘土的塑性混凝土的塌落度和扩散度均逐渐降低，其变化趋势相同，基本上随着水泥含量的增加呈线性关系减少。水泥含量增加100%，塌落度和扩散度减少约15%。与塌落度相比，扩散度数据的离散型比塌落度的数据大。

图8 塌落度随水泥含量变化图

图9 扩散度随水泥含量变化图

2.2 水泥掺量对含红粘土塑性混凝土弹性模量的影响

弹性模量是衡量塑性混凝土变形性能的重要指标，根据立方体静力抗压弹性模量测定试验数据（见表2），弹性模量随水泥红粘土含量变化如图10所示。

图10 弹性模量随水泥含量变化图

从图10中可以看出，不同红粘土含量的塑性混凝土弹性模量受水泥含量影响的趋势基本相同。水泥含量为100 kg/m3，弹性模量最小。水泥含量为200kg/m3，弹性模量最大。塑性混凝土的弹性模量随着水泥含量的增加而增加，水泥含量增加1倍，弹性模量增加3.5倍。由此可见，水泥含量将增加混凝土的弹性模量，降低塑性混凝土的塑性。

2.3 水泥掺量对含红粘土塑性混凝土强度的影响

抗压和抗拉强度是衡量塑性混凝土承载和抗破坏性能的指标。本次测定的是150mm的立方体试块经28天标准养护的抗压强度和劈裂抗拉强度。根据表2测定的实验数据，红粘土含量为0kg/m3、40kg/m3、80kg/m3、120kg/m3、160kg/m3和200kg/m3的塑性混凝土抗压和抗拉强度随水泥含量变化的曲线如图11和图12所示。

图11 抗压强度（28d）随水泥含量变化图

图12 抗拉强度（28d）随水泥含量变化图

从图11和图12变化曲线中可以看出，塑性混凝土的抗压强度（28d）和劈裂抗拉强度（28d）随着水泥含量的增加均增加。在不同红粘土含量的塑性混凝土中表现的趋势基本相同。抗压强度（28d）和劈裂抗拉强度（28d）从水泥含量100g/m3增加到120g/m3时变化幅度较小，后期从120g/m3到200 g/m3变化幅度较大。结合表2中的具体实验数据的大小从整体分析来看，水泥含量对强度的影响大概为水泥含量增加1倍，塑性混凝土的强度（含抗压强度和抗拉强度）增加1倍。6种红粘土含量的塑性混凝土（0g/m3、40g/m3、80g/m3、120g/m3、160g/m3、和200g/m3）表现趋势基本相同。对比图11和图12可以看出，两者数据离散具有相同的趋势，离散方向相同。对比表2中抗压和抗拉强度数值可以看出，抗拉强度的数值为抗压强度0.09～0.11倍，数据相对稳定。

2.4 红粘土掺量对塑性混凝土渗透系数的影响

渗透系数是塑性混凝土应用在水利工程中的关键参数，水利工程要求塑性混凝土具有较低的渗透系数。水泥含量对6种含红粘土塑性混凝土渗透系数影响趋势如图13所示。

图13 渗透系数随水泥含量变化图

从图13所示曲线变化趋势中可知，水泥含量从100 kg/m3增加到200 kg/m3，含红粘土塑性混凝土的渗透系数逐渐降低。6种红粘土含量的塑性混凝土中，红粘土含量越大，渗透系数增加幅度越大。因此塑性混凝土的渗透系数随着水泥含量的增加呈线性关系减少。在研究范围内水泥含量增加1倍，渗透系数减少50%。由此可见，相同的红粘土含量的塑性混凝土中掺入水泥能够减少塑性混凝土的渗透性，改善塑性混凝土的抗渗性。

3 结论

本文通过对比在不同水泥含量下6种含红粘土塑性混凝土的坍落度、扩散度、抗压强度、抗拉强度、渗透系数以及弹性模量的实验数据可知，同种含红粘土塑性混凝土中随着水泥含量的增加，塑性混凝土坍落度与扩散度均呈线性关系逐渐减少，而弹性模量随着水泥含量的增加而线性增加。抗压强度和抗拉强度随着水泥含量的增加而增加，前期水泥含量从100g/m3增加到120g/m3时变化幅度较小，后期从120g/m3增加到200g/m3时变化幅度较大。同种含红粘土塑性混凝土的渗透系数随着水泥含量的增加呈线性关系减少。在本文的研究范围内，从量化方面考虑，水泥含量增加100%，塌落度和扩散度减少约15%，弹性模量余额增加3.5倍，抗压强度和抗拉强度均增加1倍，而渗透系数减少50%。