硅灰改性水泥基阻截墻的防滲及力學性能試驗研究

何逵 鄧英爾

摘要： 為了獲得防滲效果、力學性能更好的塑性混凝土阻截墻體系，通過一系列坍落度、滲透性、抗壓強度、彈性模量、XRD測試試驗，研究了添加硅灰對土壤-水泥-膨潤土阻截墻的滲透性及力學性能的影響。 研究結果表明：隨著硅灰含量的逐漸增加，改性阻截墻的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增加，抗壓強度先急劇增大后緩慢增加的趨勢，當干物質質量含量為5.10%硅灰、76.55%黏土、8.35%膨潤土和10.00%水泥時，改性阻截墻能夠獲得較低的滲透系數(shù)（1.02×10-9 m/s）、合適的抗壓強度（0.951 MPa）和較低的彈性模量（1 244.5 MPa），含水率為66.76%時能夠達到標準的施工和易性;XRD圖譜顯示硅灰與水泥水化產物生成了水化硅酸鈣，該物質能夠有效填充墻體內部孔隙并增加巖土基質密度。硅灰在提高混凝土阻截墻機械強度、降低滲透系數(shù)方面具有潛在的應用價值，同時能達到固廢綜合利用的目的，基于硅灰改性的阻截墻有望應用于水利工程地基的防滲。

關 鍵 詞： 水泥基阻截墻; 硅灰; 滲透性能; XRD

中圖法分類號： ?TQ177

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.031

0 引 言

中國是世界上水庫存量最多的國家之一，絕大多數(shù)水庫建設于20世紀70～80年代，多采用土石等材料修筑大壩。這種類型的大壩存在一系列問題，如滲漏、管涌、底部侵蝕等，嚴重威脅大壩的安全。豎向阻截墻由于其施工簡單、成本低、防滲性能好而被廣泛應用于水庫大壩、水電站大壩等的防滲[1-2]。傳統(tǒng)的阻截墻材料主要包括水泥和黏土[3-4]，然而水泥基阻截墻成本高昂且防滲性能欠佳，黏土阻截墻的力學性能較差。而土壤-水泥-膨潤土阻截墻綜合了上述兩種材料的特性，具有良好的防滲性能而被廣泛使用。近年來，眾多學者與機構致力于開發(fā)一系列成本更低的添加劑，用來提高土壤-水泥-膨潤土阻截墻的力學性能并進一步降低其滲透性，目前已有的成熟添加劑包括高爐礦渣、粉煤灰、沸石、木屑等[5-8]。硅灰作為一種工業(yè)固廢，顆粒細小、比表面積大，相比沸石、高爐礦渣、粉煤灰等，它具備化學活性低、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。硅灰可與水泥的水化產物氫氧化鈣發(fā)生火山灰效應而生成水化硅酸鈣、鋁硅酸鈣等物質，這些物質能夠充填多孔介質的內部孔隙并增加基質密度，從而提高混凝土和黏土的強度并降低基質的滲透性。Bagheri等[9]研究了添加硅灰對混凝土阻截墻的滲透性的影響，研究結果表明添加硅灰能夠顯著降低混凝土阻截墻的滲透系數(shù)，增加抗壓強度與彈性模量值。Lu等[10]研究了添加硅灰對混凝土坍落度與流變特性的影響，研究結果表明硅灰能夠影響混凝土的流變參數(shù)，混凝土的屈服應力隨著硅灰含量的增加而增加，塑性黏度值先減少后增加，同時滲透系數(shù)顯著降低。而目前國內外關于硅灰改性土壤-水泥-膨潤土阻截墻相關的研究甚少，因此很有必要開展此類阻截墻的滲透性能、力學性能的影響研究，以此合成最佳材料比例的優(yōu)良防滲阻截墻體系。

本文試驗以傳統(tǒng)的土壤-水泥-膨潤土阻截墻為基礎，通過添加硅灰合成一種新型的豎向阻截墻體系，開展一系列的坍落度試驗、變水頭滲透試驗、抗壓試驗、彈性模量測試試驗獲得最低滲透系數(shù)、較高抗壓強度和較低彈性模量的阻截墻材料體系配比，并采用XRD圖譜分析改性前后阻截墻材料礦物成分。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及制備

硅灰（-0.012 mm）、普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）由成都蜀通巖土工程檢測監(jiān)測中心提供，黏土取自于成都成華區(qū)某野外場地，鈉基膨潤土（-0.054 mm）從四川仁壽工業(yè)公司購買。相關材料的成分分析見表1～3。按照質量比1 ∶8配比膨潤土與自來水[8]，采用電動攪拌器（SHZ-82）充分攪拌24 h，得到膨潤土水化漿。剔除黏土中的大塊顆粒并置于電熱鼓風干燥箱中，調節(jié)溫度105～110 ℃烘6～8 h，然后再次調節(jié)溫度至65～70 ℃保持黏土恒重，干燥過后的黏土經過萬能粉碎機粉碎，使用2 mm的篩子篩分得到篩下產物。按質量比0 ∶1，1 ∶3，1 ∶5，1 ∶7，1 ∶9，1 ∶11，1 ∶13，1 ∶15，1 ∶17，1 ∶19，1 ∶21，1 ∶23配比硅灰與黏土，分別往上述12組混合物中添加10%（總物質質量分數(shù)）的硅酸鹽水泥充分攪拌混合。

1.2 坍落度測試

為了提高試驗效率，節(jié)約試驗材料，選取具有代表性的4組配比（1 ∶3，1 ∶9，1 ∶15，1 ∶21）混合物料按照ASTM C143標準開展坍落度試驗。試驗之前在標準坍落度筒內壁涂抹一層機油，試驗環(huán)境溫度控制在21 ℃，往4組混合物料中添加水化膨潤土泥漿，控制初始含水率為55%左右，分3次將混合泥漿加入標準坍落度筒中，使用攪拌棒插搗以消除氣泡，裝填完整后刮平并快速提起坍落度筒，用標準鋼尺記錄樣品坍落度，精確到mm。按照上述步驟逐漸添加水化膨潤土泥漿，依次測量坍落度，直到坍落度值（ΔH）達到100～150 mm[9]，取樣品中間的物料進行含水率（w）測試，每組開展3次平行試驗，記錄平均值。

1.3 滲透系數(shù)，抗壓強度及彈性模量測試

根據(jù)坍落度試驗測定的最佳含水率以及膨潤土含量配置12組改性阻截墻混合物料，使用65 mm×35 mm滲透儀環(huán)刀制取測試樣品，測試之前，將樣品放入溫度21 ℃、濕度98%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d。樣品上下配置透水石并抽氣24 h至水飽和狀態(tài)，隨后采用變水頭滲透儀測定相應的滲透系數(shù)，待出水穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式（1）計算出相應的滲透系數(shù)：

KT=2.3× aL A t1-t2? lg h1 h2? （1）

式中：KT為變水頭滲透系數(shù)，m/s;L為樣品高度，m;a為測壓管斷面積，m2;A為試樣截面面積，m2;t1，t2分別為測壓管水頭的測定前后時間，s;h1，h2為測定前后水頭，m。

按配比制備好的阻截墻在養(yǎng)護7 d之后，進行最大抗壓強度測試。采用微型控制壓力試驗機得到最大壓應力，并根據(jù)公式（2）計算得到抗壓強度：

au= p A? （2）

式中：au為抗壓強度，MPa;P為單軸應變力，N;A為垂直方向上試樣面積，m2。

選取滲透系數(shù)最低、抗壓強度適中的樣品開展彈性模量的測試。制備直徑15 cm、高30 cm的圓柱樣品于恒溫箱中養(yǎng)護28 d，采用遞減壓力負荷進行測量，每個樣品測量3次取平均值作為最終的結果。

2 試驗結果與討論

2.1 坍落度（施工和易性）

4組樣品的坍落度值與含水量關系如圖1所示，從圖1中可以看出：4組樣品（硅灰與黏土比分別為1 ∶3，1 ∶9，1 ∶15，1 ∶21）在要求的目標坍落度（115±5 mm）下相對應的含水率分別為64.59%，66.05%，67.49%和68.92%。由此可以推斷：12組不同配比下，目標坍落度值對應的含水量約為66.76%，膨潤土含量為8.35%（膨潤土與水的質量比為1 ∶8）。

2.2 滲透系數(shù)、抗壓強度與彈性模量

12組阻截墻樣品的滲透系數(shù)、抗壓強度、彈性模量值如表4所列。其中11組樣品的滲透系數(shù)都達到了1×10-9 m/s，依據(jù)相關標準，傳統(tǒng)的土壤-水泥-膨潤土豎向阻截墻的滲透系數(shù)為（1～100）×10-10 m/s。相關滲透系數(shù)隨著硅灰含量的逐漸增加出現(xiàn)了先減小后緩慢增加的現(xiàn)象，滲透系數(shù)最低值出現(xiàn)在S1C15組別中;12組樣品的抗壓強度值均遠大于0.1 MPa，達到了豎向隔離墻的基本要求[11]，抗壓強度值與硅灰含量成正比例，當硅灰與黏土質量比小于1 ∶15時，抗壓強度值急劇增大，之后緩慢增加，滲透系數(shù)與抗壓強度呈反比;彈性模量值隨著硅灰含量的增加而增加，改性后樣品的彈性模量值約為改性前的1～4倍，能夠達到Icold提出的塑性混凝土的標準彈性模量值范圍[12]，說明硅灰能夠降低傳統(tǒng)土-膨潤土阻截墻的滲透性并提高其力學性能。因此，當硅灰與黏土的配比為1 ∶15時，能夠獲得最低滲透系數(shù)和較高抗壓強度性能的改性阻截墻。

2.3 XRD

改性前后的塑性混凝土阻截墻材料XRD圖譜如圖2所示。從圖2中可以看出：塑性混凝土阻截墻材料主要含有石英、鈣長石等礦物質;改性前后阻截墻的物質組成大體一致，但是在2θ= 29.00°時出現(xiàn)了碳酸鈣特征峰，2θ= 31.02°時出現(xiàn)了水化硅酸鈣特征峰，與相關文獻結果一致[9-10]。添加的硅灰與水泥產物發(fā)生了火山灰反應，生成的水化硅酸鈣能夠有效填充改性阻截墻內部的空隙，同時增加墻體基質的密度，明顯降低了阻截墻的滲透系數(shù)并提高了抗壓強度。

3 結 語

本文通過一系列的坍落度、滲透性及力學性能測試試驗，研究硅灰對傳統(tǒng)土-水泥-膨潤土阻截墻改性后的滲透率、抗壓強度、施工和易性的影響。試驗結果表明：當干物質成分為5.10%硅灰、76.55%黏土、8.35%膨潤土和10.00%水泥時，可以獲得滲透系數(shù)為1.02×10-9 m/s、抗壓強度為0.951 MPa、彈性模量為1 244.5 MPa的合格阻截墻;坍落度試驗表明當含水率為66.76%時，可以獲得目標坍落度值（115±5 mm）;XRD結果證實了添加的硅灰與水泥發(fā)生了火山灰效應，生成的水化硅酸鈣填充了內部孔隙并增加了基質密度，從而降低了阻截墻的滲透性并提高了力學性能。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

何逵，鄧英爾.硅灰改性水泥基阻截墻的防滲及力學性能試驗研究

[J].人民長江，2021，52（8）：204-207.

Study on anti-permeability and mechanical behavior of soil-cement-bentonite cutoff

wall improved by silica fume

HE Kui1，2 DENG Yinger1

（ 1.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China; 2.College of Vanadium and Titanium，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China ）

Abstract：

In order to develop a plastic concrete cutoff wall system with better anti-seepage effect and mechanical properties，a series of slump，permeability，mechanical strength，elastic modulus and XRD tests were carried out to study the effect of silica fume on the permeability and mechanical properties of soil-cement-bentonite cutoff wall.The test results showed that with the gradual increasing of silica fume content，the permeability coefficient of the modified cutoff wall decreased first and then increased，and the compressive strength increased sharply first and then increased slowly.When the dry matter content was 5.1% silica fume，76.55% clay，8.35% bentonite and 10% cement，the modified cutoff wall can obtain lower permeability coefficient（ 1.02×10-9 m/s），appropriate compressive strength（ 0.951 MPa），and lower elastic modulus（ 1 244.5 MPa）.When the moisture content was 66.76%，it could meet the workability standard.The XRD analysis results showed that the hydrated calcium silicate was generated by the hydration products of silica fume and cement，which could effectively fill the pores of the wall and increase the density of rock and soil matrix.Silica fume has potential application value in improving the mechanical strength and reducing the permeability coefficient of concrete cutoff wall.At the same time，it realizes comprehensive utilization of solid waste.The modified cutoff wall is expected to be applied in the seepage prevention of water conservancy project foundation.

Key words：

soil-cement-bentonite cutoff wall;silica fume;permeability;XRD