理论教育 塑性混凝土的独特性能和优势

塑性混凝土的独特性能和优势

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:这表明塑性墙的抗震性能大大优于刚性墙,显示出塑性混凝土防渗墙在地震区土石坝中更具有其独特的优越性。同时,塑性混凝土防渗墙具有随运行时间增长,其安全性增大的优点。

塑性混凝土的独特性能和优势

国内外专家学者、工程技术人员经过长期大量的科学试验与研究,发现塑性混凝土具有许多优良的特性,归纳起来主要有以下几个方面。

1.塑性混凝土具有较低的弹性模量和较低的模强比,且可人为控制

塑性混凝土的弹性模量被定义在2000MPa以下,比刚性混凝土的弹性模量要小10倍以上。塑性混凝土可以通过调整配合比人为地在较大范围内改变它的大小,模强比(即初始弹性模量与单轴抗压强度的比值,是混凝土一项结构特性指数,模强比越小越好)一般变化范围在几十至几百,而刚性混凝土的弹强比为1000~3000左右。

人为改变弹性模量使我们能够设计出弹性模量与防渗墙周围土层变形模量极为接近的塑性混凝土。据国外经验,防渗墙弹性模量为周围土层变形模量的4~5倍是合适的,最好不要超过20~30倍(如柯巴姆坝防渗墙初始弹模为640MPa,破坏应变4.15%,其周围土层初始弹模为350MPa,破坏应变为4.17%),而且可以事先通过有限元计算确定出塑性混凝土的最优弹性模量,然后通过配合比试验找出符合最优弹性模量要求的塑性混凝土配合比,这是因为荷载的分配与刚度密切相关。

2.塑性混凝土的初始模量不随围压的加大而增大

经过不同试样、不同围压、不同龄期的试验,发现塑性混凝土具有初始模量不随围压的加大而增大,强度随着围压的加大而增大的特性。这与一般土料的初始弹模随四围压力增加而明显加大的性质完全不同。这一特性对塑性混凝土在土石坝尤其是在中高土石坝中的应用合理性提供了一个新的重要依据。当防渗墙周围的土体由于坝身填土的加高四围压力的加大初始模量增加时,塑性混凝土防渗墙的初始模量却并不增大,这必将使作用在防渗墙上的荷载向周围土体转移,从而有助于消除在刚性墙中由于墙体变形与围土变形不同而产生的高应力状态,且塑性混凝土的极限应变又由于四围压力的作用而显著提高,这些均将大大改善墙体的工作条件,增加其安全性。

3.塑性混凝土具有较大的极限应变

塑性混凝土的极限应变值比刚性混凝土大得多。一般刚性混凝土的受压极限应变值为εmax=0.08%~0.3%左右,而塑性混凝土在无侧限条件下,受压极限应变大都超过1%,尤其在侧限条件下极限应变超过12%,比刚性混凝土大数倍至十几倍。极限应变大,说明材料适应变形的能力大。因此,塑性混凝土防渗墙能够承受比刚性混凝土大得多的变形。而且塑性混凝土的极限应变随着加荷速度减慢而逐步增大,这点对水利水电工程也是很有意义的,因为在一般情况下,土石坝的防渗墙受荷速度都是比较慢的。

4.塑性混凝土具有与土料相似的应力应变关系和破坏型式

通过塑性混凝土三轴试验曲线发现,塑性混凝土明显存在一个类似比例极限的折点,其数值相当于无侧限条件下试件脆性破坏的峰值强度,其峰值应变一般在0.4%~0.7%范围内变化。在该折点以下,材料的应力应变关系近似于直线,其斜率为初始弹模。随着四围压力的加大,应力—应变关系逐渐变为加工硬化曲线,体变由剪胀变为剪缩,表现出明显的非线性性质,并接近于土的性质。表明它是遵循摩尔、库伦强度理论的。因此用强度指标内摩擦角和黏聚力来描述塑性混凝土的强度特性是合适的。

塑性混凝土试样在三轴条件下的破坏型式与无侧限条件下的破坏型式不同。在无侧限条件下试件主要破坏型式为压碎型,也有剪切破坏和压碎剪切混合型破坏;在三轴条件下试件属典型的剪切破坏,试件有明显的带状剪切面。这一破坏型式也与土料近似。

塑性混凝土与土石坝及其地基覆盖层具有相似的本构关系,使得塑性墙受力后与周围土体变形相容。

5.塑性混凝土的强度在三向受力条件下有很大提高,且强度增长系数大(www.daowen.com)

在三向受力条件下,塑性混凝土的强度几乎与围压成直线增大,这就意味着随着围压的增加,塑性混凝土的强度在增大,从而提高了防渗墙的安全度。

塑性混凝土的强度(随龄期)增长系数比刚性混凝土大得多。根据国外资料和我们的研究,塑性混凝土90d龄期的强度增长系数为1.8~2.5,而刚性混凝土为1.09~1.16。塑性混凝土1a龄期强度增长系数为2.1~2.8,3a龄期强度增长系数为6。工程中一般采用28d龄期的强度作为设计强度,这就说明塑性混凝土实际运行中有较大安全储备。

6.塑性混凝土具有良好的抗渗性

由于塑性混凝土掺有较多的地透水性小的黏土和膨润土,尤其是后者对提高塑性混凝土的抗渗性起着极其重要的作用,使其渗透系数接近甚至小于刚性混凝土的渗透系数,一般为10-9~10-6cm/s。而且塑性混凝土的渗透系数随着龄期延长而变小,法国几座塑性混凝土防渗墙的原型观测资料证明了这一点。其中有一座塑性墙经过2a多运行,渗透系数减小了近20倍。

7.塑性混凝土具有良好的抗震性能

山西册田水库南副坝塑性混凝土防渗墙与刚性混凝土防渗墙在地震荷载作用下的动力对比计算分析结果为:在7度地震作用下,刚性防渗墙的拉应力增加了17%,最大压应力增加了12%,而塑性墙压应力仅增加0.5%,不产生拉应力。这表明塑性墙的抗震性能大大优于刚性墙,显示出塑性混凝土防渗墙在地震区土石坝中更具有其独特的优越性。

8.塑性混凝土具有良好的耐久性

国内外一些室内试验研究证实了塑性混凝土具有良好的耐久性。按照混凝土防渗墙抗侵蚀机理计算得山西册田水库南副坝塑性混凝土防渗墙的寿命为330年。最早建设的英国巴尔德赫堆石坝塑性墙是1968年建成的,墙体承受水力比降为92的智利柯巴姆大坝塑性墙,墙体深度达70m的尼日利亚吉巴塑性墙,它们的水泥用量均小于100kg/m3,至今都在正常运行,足以证明塑性混凝土具有良好的耐久性。同时,塑性混凝土防渗墙具有随运行时间增长,其安全性增大的优点。由于塑性混凝土随龄期的增加,其强度有较大程度的提高,渗透性有较大程度的降低,使其后期的安全性提高。

另外,塑性混凝土水泥用量小、造价低且利于环境保护。国内外塑性混凝土的水泥用量一般不超过200kg/m3,国外最低的为30kg/m3,国内最低的为80kg/m3。而刚性混凝土防渗墙水泥用量都在300kg/m3左右,有的甚至超过400kg/m3。这就是说塑性混凝土防渗墙可以比刚性混凝土防渗墙每立方米节约100~300kg水泥,可节约投资30~80元/m3。水泥用量小,有利于环境保护,降低能源消耗。因为生产水泥对环境污染严重,而且消耗较多的煤炭电力

塑性混凝土防渗墙施工简便,工效高,工期短。塑性混凝土防渗墙仅在材料配合比与刚性混凝土防渗墙不同,其整个施工工艺与刚性混凝土防渗墙基本相同,不需增加新设备。但由于塑性混凝土防渗墙强度较低,这不仅使槽孔接头施工容易,而且可避免刚性墙发生的错位和劈叉现象,有利于保证防渗墙槽孔间的连续性和墙体质量。此外,由于塑性混凝土扩散度大(一般大于40cm)、和易性好、凝结时间长(一般初凝时间6h,终凝时间25~50h),从而大大减少了混凝土浇筑中的堵管和假凝等事故的发生。虽然加入膨润土会增加其制备工艺,但因所加数量有限,对整个施工影响很小。

综上所述,塑性混凝土具有比刚性混凝土更为优良的特性,在我国有着广阔的应用前景。

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