CN107640941B - 具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土及制备方法，属于防渗混凝土工程技术领域。所述塑性混凝土由普通硅酸盐水泥、低液限粘土、丙乳、砂、石、水和减水剂按如下重量份配比混合而成：普通硅酸盐水泥70份，低液限粘土30份，丙乳7～20份，砂450～470份，石20份，水100～108份，减水剂0.7～0.8份。本发明配制的塑性混凝土具有原材料易得、具有足够的抗压强度、弹性模量/强度比低、适应变形能力强、抗渗性能优、易于施工且环保无污染等技术优势，可用于防渗墙等建筑物。

Description

具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及防渗混凝土工程技术领域，具体是一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土及制备方法。

背景技术

塑性混凝土是指一种由水泥、水、粘土、膨润土、砂、石等原材料经搅拌、浆体浇筑、凝结而成的混合材料。

从材料组成与来源看，与普通混凝土相比，塑性混凝土的水泥用量很低，一般不超过200kg/m³，与刚性混凝土相比可节约水泥200kg/m³～300kg/m³，经济性十分显著；塑性混凝土的胶凝材料中除水泥之外还掺有膨润土、粘土等增进塑性的材料，有时这两种材料也可以同时使用，其中粘土与膨润土的价格相比水泥更低，分布也较为广泛，能就地取材，便于施工。

从性能方面看，与普通混凝土相比，塑性混凝土具有一定的抗压强度，其抗压强度可以达到1～4MPa，完全能满足防渗墙工程必须的强度，且塑性混凝土的后期强度增长也较快；塑性混凝土的弹性模量低、极限应变大，能适应较大变形而不至于在墙体内部产生很大的应力，有利于改善防渗墙体的应力状态；塑性混凝土还具有良好的抗渗性能，塑性混凝土的相对渗透系数较低，一般在10-7～10-9cm/s之间，和刚性混凝土的抗渗性能相接近，甚至优于刚性混凝土的抗渗性能，能够满足各种规模土石坝工程基础防渗墙的要求。

目前我国有关塑性混凝土的研制基本都是采取降低水泥用量，复掺粘土或膨润土、部分还掺有粉煤灰，加入一定量的砂、石骨料的技术路线。公开号为CN102617073A的中国发明专利公开了一种防渗墙用塑性混凝土，其胶凝材料由水泥、膨润土、粘土、粉煤灰组成，由于还另外掺入了一定量的砂、石骨料且砂率为47％，配制得到的塑性混凝土的强度较高，但同时弹性模量也较高，作为塑性混凝土重要指标之一的弹性模量/强度比较高，降低了塑性混凝土的适应变形能力。公开号为CN1834054A的中国发明专利公开了一种高强低弹抗渗防渗墙材料，包括塑性混凝土和风化砂柔性材料，其中塑性混凝土胶凝材料由水泥、粉煤灰、膨润土组成，风化砂柔性材料的胶凝材料由水泥和膨润土组成，由于塑性混凝土的胶凝材料总量达到了350kg/m³～370kg/m³，风化砂柔性材料的胶凝材料总量也达到了330kg/m³，胶凝材料总量与水泥用量都较高，导致塑性混凝土经济性下降且刚度增加。公开号为CN104386977A的中国发明专利公开了一种高铁路基破损区回填用微收缩塑性混凝土及制备方法，由一定比例的水泥、骨料、粉煤灰、膨润土、膨胀剂、减水剂、早强剂组成，主要用于路基破损区回填修补，早强剂与膨胀剂的使用使得该塑性混凝土的强度较高且呈微收缩性状，这会也导致该塑性混凝土刚度增加，加之粉煤灰的使用，该塑性混凝土的后期强度增幅较大，会进一步降低其适应变形的能力。

塑性混凝土的重要特性之一在于其具有一定的柔性能较好地适应周围材料的变形，粘土、膨润土等柔性材料的使用可以降低水泥用量，进而降低混凝土的弹性模量改善混凝土的塑性。当前配制塑性混凝土采用的胶凝材料主要是水泥与膨润土，部分采用粘土，且膨润土和粘土大多采用的是高液限粘土类，基本都需要从厂家购买加工成品。对于地处西藏、新疆等边远地区防渗墙等工程，与从外地购置粘土、膨润土等柔性材料运距远、成本高，若能就地取材充分利用当地开挖低液限粘土等原料，经过晾晒、筛分等简单工序即可获得高品质粘土直接用于配制塑性混凝土，这样不仅拓宽了柔性材料的渠道来源，还节约了工程成本，技术、经济效益十分显著。

本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：丙乳是一种高分子聚合物的水分散体，加入水泥基材料可增加抗折与抗拉强度，增大极限拉伸变形，大幅降低其弹性模量以及一定水压下的渗水高度与氯离子渗透深度，增韧防渗效果显著。目前，丙乳主要用于制备丙乳砂浆，用作防渗、防腐和修补材料。鉴于当前膨润土、粘土等材料制备塑性混凝土的弹性模量仍然较高，难以与深厚覆盖层、岩基等高水头、大变形部位相适应，若能利用丙乳的增韧增塑效果，预期可明显改善塑性混凝土的韧性与变形适应能力。

目前有关利用工程开挖低液限粘土和丙乳配制塑性混凝土的相关研究尚未见诸报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土及制备方法，其可就地取材充分利用当地开挖粘土，通过简单的晾晒、筛分即可获得高品质的低液限粘土，辅以丙乳配制的塑性混凝土不仅具有足够的强度，而且弹性模量/强度比低、适应变形能力强、抗渗性能优且易于施工。

本发明采用如下技术方案实现：

一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土，由普通硅酸盐水泥、低液限粘土、丙乳、砂、石、水和减水剂按如下重量份配比混合而成：普通硅酸盐水泥70份，低液限粘土30份，丙乳7～20份，砂450～470份，石20份，水100～108份，减水剂0.7～0.8份。

进一步的，所述普通硅酸盐水泥为满足GB175-2007的42.5普通硅酸盐水泥。

进一步的，所述低液限粘土的液限为32.6％、塑限为17.8％，塑性指数为14.8，粉粒(0.075mm～0.005mm)含量为64％，粘粒(0.005mm～0.002mm)含量为26％。

进一步的，所述丙乳为丙烯酸酯共聚乳液，其不挥发物质量分数为47％，pH值为9.6，黏度为1200mPa·s。

进一步的，所述砂为满足DL/T 5144-2015的连续级配人工砂，其粒径小于0.16mm的石粉含量为20.7％，细度模数为2.4，表观密度为2680kg/m³。

进一步的，所述石为满足DL/T 5144-2015技术要求粒径范围5mm～15mm的人工碎石，表观密度为2710kg/m³。

进一步的，所述减水剂为满足GB 8076-2008的PCA聚羧酸高性能减水剂。

一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.配合比参数的计算：采用质量法计算塑性混凝土的材料用量，初步推荐水泥质量和粘土掺量，根据砂率计算砂、石总质量，以及砂和石的各自质量；通过室内试拌，控制混凝土坍落度，调整并确定单位用水量，从而得到塑性混凝土中各原材料的用量；

步骤2.根据步骤1的计算结果准备原材料，按照重量份分别称量普通硅酸盐水泥70份，低液限粘土30份，丙乳7～20份，砂450～470份，石20份，减水剂0.7～0.8份，水100～108份，并将减水剂溶于水；

步骤3.将按步骤2称量好的原材料先按砂、水泥、粘土、石的顺序依次加入强制式搅拌机，开动搅拌机搅拌30s，然后加入丙乳和溶于水的减水剂，再开动搅拌机搅拌2min；

步骤4.将步骤3中拌和好的混凝土拌和物卸在钢板上，刮出黏结在搅拌机上的拌和物，用人工翻拌2～3次，即可制得塑性混凝土。

进一步的，步骤1具体为：

步骤1-1：假定塑性混凝土的表观密度m_c,e，选取普通硅酸盐水泥用量m_c，低液限粘土用量m_n，丙乳用量m_b，体积砂率S_v；初步选定单位用水量m_w；

步骤1-2：确定砂石总质量m_s,g＝m_c,e-(m_c+m_n+m_b+m_w)；

步骤1-3：确定砂的用量m_s＝m_s,gS_v，石的用量m_g＝m_s,g(1-S_v)；

步骤1-4：确定根据试验控制坍落度范围调整并确定最终单位用水量m_w’。

进一步的，所述低液限粘土的液限为32.6％、塑限为17.8％，塑性指数为14.8，粉粒(0.075mm～0.005mm)含量为64％，粘粒(0.005mm～0.002mm)含量为26％；所述丙乳为丙烯酸酯共聚乳液，其不挥发物质量分数为47％，pH值为9.6，黏度为1200mPa·s；所述砂为满足DL/T 5144-2015的连续级配人工砂，其粒径小于0.16mm的石粉含量为20.7％，细度模数为2.4，表观密度为2680kg/m³；所述石为满足DL/T 5144-2015技术要求粒径范围5mm～15mm的人工碎石，表观密度为2710kg/m³；所述减水剂为满足GB 8076-2008的PCA聚羧酸高性能减水剂。

进一步的，所述步骤3中，强制式搅拌机为容量100L、转速22r/min的SJD100强制式混凝土搅拌机。

本发明采用的低液限粘土与丙乳掺入水泥基材料保证混凝土具有足够强度和良好变形适应能力的具体作用机理为：粘土中含有大量的蒙脱石和高岭石类矿物，塑性混凝土的单位用水量较大，在大量自由水环境下粘土-水***中蒙脱土和高岭石层状结构与水作用产生膨胀和粘性，使各组分相互挤压与粘接，粘土中的硅、铝氧化物在水泥水化环境下也会生成新的水化产物C-S-H和C-A-H(如图1所示)，进一步填充水泥颗粒及胶凝体系-砂-石间隙，使其具有足够的强度。

低液限粘土的塑性指数为14.8，粘粒(0.005mm～0.002mm)含量为26％，粘土掺入胶凝体系取代30％水泥，混凝土中粘性组成增加且弹性模量减小，混凝土刚度下降，在承受一定荷载作用下混凝土具有良好的适应变形的能力。丙乳是一种高分子聚合物的水分散体，掺入拌和形成高分子聚合物乳液改性水泥基材料，利用丙乳自身的良好分散性和增韧防渗特性，进一步增加塑性混凝土的韧性，提高塑性混凝土适应变形的能力。

本发明具备以下有益效果：

(1)原材料易得好

本发明提供的低液限粘土依据的是就地取材原则，利用工程直接开挖的粘土经晾晒、筛分即可使用，无需从外地购置成品粘土、膨润土等材料，既拓展了柔性材料来源渠道，又节约了工程成本。

(2)水泥用量少

本发明提供丙乳增韧塑性混凝土的水泥用量为200kg/m³，比三峡工程二期围堰防渗墙用塑性混凝土的水泥用量(260kg/m³)降低60kg/m³，经济效益十分明显。

(3)足够的抗压强度

本发明提供的丙乳增韧塑性混凝土的7天与28天立方体抗压强度分别达到1.01MPa～2.67MPa和1.93MPa～3.98MPa，而防渗墙墙体材料通常要求其28天立方体抗压强度达到1MPa～4MPa即可，即本发明提供的丙乳增韧塑性混凝土的强度完全能满足设计要求。

(4)弹性模量/强度比低(模/强比)

本发明提供的丙乳增韧塑性混凝土的28天抗压弹性模量为485～898MPa，远小于普通混凝土弹性模量(一般大于10GPa)，且28天模/强比在214～250范围内，平均值为232，也远小于通常要求塑性混凝土模/强比低于500的要求，即本发明提供的塑性混凝土的柔性好，能很好地适应周围结构的变形。

(5)抗渗性能优

本发明提供的丙乳增韧塑性混凝土28天相对渗透系数为1.45×10^-7cm/s～9.81×10^-7cm/s，当丙乳的重量份比例为7～10时，其抗渗等级接近了三峡工程二期围堰塑性混凝土的抗渗等级，能保证防渗墙的整体防渗效果。

(6)施工性能好

本发明提供的塑性混凝土拌和物的坍落度达到180～200mm，无需掺入引气剂，该塑性混凝土拌和物的含气量即可达到4.5％～5.5％，拌和物性能良好，无泌水及离析现象，易于泵送施工。丙乳增韧塑性混凝土的施工工艺与普通混凝土相同，拌和时丙乳与其他原材料一起加入搅拌机拌和均匀即可，且丙乳与其他原材料的适应性良好。

(7)环保无污染

本发明采用的低液限粘土充分利用工程开挖料，且粘土开挖时只需进行简单的晾晒和筛分即可，对环境无污染。丙乳无毒、无害、对环境无污染，属于绿色环保型产品。

附图说明

图1为本发明采用的低液限粘土与丙乳组合使用时28天水化产物放大5000倍的图谱；

图2为本发明各实施例选用不同丙乳用量所制得混凝土的不同龄期立方体抗压强度示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本发明实施例采用质量法设计塑性混凝土的配合比，假定混凝土表观密度m_c,e为2100kg/m³，要求坍落度达到180mm～220mm，含气量3.5％～5.0％，28天立方体抗压强度1MPa～4MPa。

本发明提供的一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.配合比参数的计算：采用质量法计算塑性混凝土的材料用量，初步推荐水泥质量和粘土掺量，根据砂率计算砂、石总质量，以及砂和石的各自质量；通过室内试拌，控制混凝土坍落度，调整并确定单位用水量，从而得到塑性混凝土中各原材料的用量；

具体的，假定塑性混凝土的表观密度m_c,e为2100kg/m³，普通硅酸盐水泥用量m_c为200kg/m³，低液限粘土用量m_n为100kg/m³，丙乳用量m_b为20kg/m³，体积砂率S_v为95％；初步选定单位用水量m_w为300kg/m³；

确定砂石总质量m_s,g＝m_c,e-(m_c+m_n+m_b+m_w)＝1480kg/m³；

确定砂的用量m_s＝m_s,gS_v＝1406kg/m³，石的用量m_g＝m_s,g(1-S_v)＝74kg/m³；

根据试验控制坍落度范围调整并确定最终单位用水量m_w’＝300kg/m³。

步骤2.根据步骤1的计算结果准备原材料，分别称量普通硅酸盐水泥70份，低液限粘土30份，丙乳7份，砂480份，石30份，减水剂0.7份，水100份，并将减水剂溶于水。

步骤3.将按步骤2称量好的原材料先按砂、水泥、粘土、石的顺序依次加入强制式搅拌机，开动搅拌机搅拌30s，然后加入水(溶入减水剂)和丙乳，再开动搅拌机搅拌2min；

步骤4.将步骤3中拌和好的混凝土拌和物卸在钢板上，刮出黏结在搅拌机上的拌和物，用人工翻拌2～3次，即可得制备的塑性混凝土。

根据试验结果，计算得到实施例1塑性混凝土的配合比参数为m_w:m_c:m_n:m_b:m_s:m_g＝1:0.7:0.3:0.07:4.7:0.2。采用标准方法进行检测，实验数据如下：坍落度180mm，含气量5.5％，和易性优异，7天和28天的抗压强度分别为2.67MPa和3.76MPa，28天的弹性模量为898MPa，28天的弹性模量/抗压强度比为239，28天的相对渗透系数为1.45×10^-7cm/s(见图2)。

其他步骤参考实施例1，调整相关参数，获得配合比参数如下：

实施例2各组分的重量份配比为：水102份、水泥70份、粘土30份、丙乳10份、砂460份、石20份。采用标准方法进行检测，实验数据如下：坍落度182mm，含气量5.0％，和易性优异，7天和28天的抗压强度分别为3.02MPa和3.98MPa，28天的弹性模量为854MPa，28天的弹性模量/抗压强度比为214，28天的相对渗透系数为2.01×10^-7cm/s。

实施例3各组分的重量份配比为：水104份、水泥70份、粘土30份、丙乳13份、砂460份、石20份。采用标准方法进行检测，实验数据如下：坍落度181mm，含气量5.1％，和易性优异，7天和28天的抗压强度分别为1.99MPa和2.62MPa，28天的弹性模量为583MPa，28天的弹性模量/抗压强度比为223，，28天的相对渗透系数为4.75×10^-7cm/s。

实施例4各组分的重量份配比为：水106份、水泥70份、粘土30份、丙乳17份、砂450份、石20份。采用标准方法进行检测，实验数据如下：坍落度180mm，含气量5.1％，和易性良好，7天和28天的抗压强度分别为1.45MPa和2.26MPa，28天的弹性模量为527MPa，28天的弹性模量/抗压强度比为233，28天的相对渗透系数为6.76×10^-7cm/s。

实施例5各组分的重量份配比为：水108份、水泥70份、粘土30份、丙乳20份、砂450份、石20份。采用标准方法进行检测，实验数据如下：坍落度180mm，含气量5.2％，和易性良好，7天和28天的抗压强度分别为1.01MPa和1.93MPa，28天的弹性模量为483MPa，28天的弹性模量/抗压强度比为250，28天的相对渗透系数为9.81×10^-7cm/s。

上述实施例中，所述普通硅酸盐水泥为以80％～95％的硅酸盐水泥熟料和适量石膏以及5％～20％混合材料制成的水硬性胶凝材料，3天、28天抗压强度分别不低于17.0MPa和42.5MPa，3天、28天抗折强度分别不低于3.5MPa和6.5MPa。

低液限粘土的液限为32.6％、塑限为17.8％，塑性指数为14.8，粉粒(0.075～0.005mm)含量为64％，粘粒(0.005～0.002mm)含量为26％；

丙乳为丙烯酸酯共聚乳液，其不挥发物质量分数为47％，pH值为9.6，黏度为1200mPa·s，具体的是河北瑞达工程橡塑有限公司生产的丙烯酸酯共聚乳液；

砂为满足DL/T 5144-2015的连续级配人工砂，其粒径小于0.16mm的石粉含量为20.7％，细度模数为2.4，表观密度为2680kg/m³；

石为满足DL/T 5144-2015技术要求粒径范围5mm～15mm的人工碎石，表观密度为2710kg/m³；

减水剂减水率为31％，具体的是江苏博特生产的满足GB8076-2008技术要求的PCA聚羧酸高性能减水剂。

对上述实施例配制的塑性混凝土进行力学、变形与抗渗性能测试，得到下表所示测试结果：

表1本发明提供的具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土主要性能参数

本发明提供的具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土在坝基垂直防渗、病险水库加固处理、堤防、围堰等水利水电工程具有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土，其特征在于：由普通硅酸盐水泥、低液限粘土、丙乳、砂、石、水和减水剂按如下重量份配比混合而成：普通硅酸盐水泥70份，低液限粘土30份，丙乳7~20份，砂450~470份，石20份，水100~108份，减水剂0.7~0.8份；所述普通硅酸盐水泥为满足GB175-2007的42.5普通硅酸盐水泥；所述低液限粘土的液限为32.6%、塑限为17.8%，塑性指数为14.8，粉粒0.075mm~0.005mm含量为64%，粘粒0.005mm~0.002mm含量为26%；所述丙乳为丙烯酸酯共聚乳液，其不挥发物质量分数为47%，pH值为9.6，黏度为1200mPa·s。

2.如权利要求1所述的具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土，其特征在于：所述砂为满足DL/T 5144-2015的连续级配人工砂，其粒径小于0.16mm的石粉含量为20.7%，细度模数为2.4，表观密度为2680kg/m³。

3.如权利要求1所述的具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土，其特征在于：所述石为满足DL/T 5144-2015技术要求粒径范围5mm~15mm的人工碎石，表观密度为2710kg/m³。

4.如权利要求1所述的具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土，其特征在于：所述减水剂为满足GB 8076-2008的PCA聚羧酸高性能减水剂。

5.一种具有良好变形适应能力的丙乳增韧塑性混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.配合比参数的计算：采用质量法计算塑性混凝土的材料用量，初步推荐水泥质量和粘土掺量，根据砂率计算砂、石总质量，以及砂和石的各自质量；通过室内试拌，控制混凝土坍落度，调整并确定单位用水量，从而得到塑性混凝土中各原材料的用量；

步骤2.根据步骤1的计算结果准备原材料，按照重量份分别称量普通硅酸盐水泥70份，低液限粘土30份，丙乳7~20份，砂450~470份，石20份，减水剂0.7~0.8份，水100~108份，并将减水剂溶于水；

步骤3.将按步骤2称量好的原材料先按砂、水泥、粘土、石的顺序依次加入强制式搅拌机，开动搅拌机搅拌30s，然后加入丙乳和溶于水的减水剂，再开动搅拌机搅拌2min；

步骤4.将步骤3中拌和好的混凝土拌和物卸在钢板上，刮出黏结在搅拌机上的拌和物，用人工翻拌2~3次，即可制得塑性混凝土；

所述低液限粘土的液限为32.6%、塑限为17.8%，塑性指数为14.8，粉粒0.075mm~0.005mm含量为64%，粘粒0.005mm~0.002mm含量为26%；所述丙乳为丙烯酸酯共聚乳液，其不挥发物质量分数为47%，pH值为9.6，黏度为1200mPa·s；所述砂为满足DL/T 5144-2015的连续级配人工砂，其粒径小于0.16mm的石粉含量为20.7%，细度模数为2.4，表观密度为2680kg/m³；所述石为满足DL/T 5144-2015技术要求粒径范围5mm~15mm的人工碎石，表观密度为2710kg/m³；所述减水剂为满足GB 8076-2008的PCA聚羧酸高性能减水剂。

6.如权利要求5所述的丙乳增韧塑性混凝土的配制方法，其特征在于:步骤1具体为：

步骤1-1：假定塑性混凝土的表观密度m_c,e，选取普通硅酸盐水泥用量m_c，低液限粘土用量m_n，丙乳用量m_b，体积砂率S_v；初步选定单位用水量m_w；

步骤1-2：确定砂石总质量 m_s,g=m_c,e-（m_c+m_n+m_b+m_w）；

步骤1-3：确定砂的用量 m_s= m_s,gS_v，石的用量m_g= m_s,g(1-S_v)；

步骤1-4：确定根据试验控制坍落度范围调整并确定最终单位用水量m_w’。

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