利用新研制的塑性混凝土抗渗试验装置测定了三种不同配比8组16块塑性混凝土试样的渗透特性。几种配比如表3-24，试验成果见表3-25和图3-52～图3-56。

表3-24　试样配合比表　单位：kg/m3

表3-25　渗透试验成果表

（一）测定塑性混凝土渗透系数

我们分别进行了外压Ps不变内压P0变化、压差保持不变和内外压任意组合三种情况的渗透试验，如图3-52、图3-53和图3-54所示。由图3-52～图3-54可以看出无论试验时内外压如何变化，塑性混凝土的渗透系数都是不变的。这一方面表明了塑性混凝土渗透系数的稳定性，另一方面检验了所研制的渗透仪的品质是良好可靠的。

图3-52　池8（1）试样Q—i关系（120d，Ps不变，P0变化，透水板支撑）

图3-53　池9（1）试样Q—i关系（120d，P0、Ps压差不变，透水板支撑）

图3-54　池9（1）试样Q—i关系（150d，P0、Ps均变，Ps＞P0，小石子支撑）

（二）塑性混凝土的透水性评价

1.实践证明塑性混凝土是很不透水的

为了了解塑性混凝土的透水性，我们对国内外近20座工程所采用的塑性混凝土防渗墙的渗透系数（包括设计配合比的试验和墙体取样试验结果）进行了统计分析。本次共收集到28d龄期渗透系数共126个，其中渗透系数最大的为10-6cm/s，共5个，占4.8%；渗透系数为10-7cm/s共34个，占27%；渗透系数为10-8cm/s共54个，占43%；渗透系数为10-9cm/s的共31个，占24.6%；渗透系数最小的为10-10cm/s共1个，占0.8%。由上述资料可以看出塑性混凝土的渗透系数95%的小于10-7cm/s，70%小于10-8cm/s，这充分表明塑性混凝土是十分可靠的防渗材料。

2.塑性混凝土的渗透系数随龄期增长而减小

试验证明塑性混凝土的渗透系数随其龄期增长而减小。

根据清华大学水利水电工程系对三峡二期围堰塑性混凝土材料所作渗透试验结果［5］，如图3-55和表3-26所示，经过1年时间塑性混凝土渗透系数减小了97%。

册田水库塑性混凝土材料的渗透试验结果如表3-27所示。由表可以看出90d龄期的渗透系数只有28d龄期的渗透系数的5%～22.6%，平均为14.5%，与表3-26的10%较为接近。

图3-55　塑性混凝土渗透系数随龄期变化

表3-26　塑性混凝土渗透系数随期龄变化表

注　表中括号中数字系与28d龄期的渗透系数的比值。

表3-27　册田水库塑性混凝土渗透系数

根据第十五次国际大坝会刊问题51（1985年）《防渗墙的填筑材料》一文中的图19所示（本文图3-56）的渗透系数随龄期变化曲线。

由图3-56可以看出，用80kg水泥和30kg膨润土的浆体的渗透系数经960d左右，其K值由3.8×10-6cm/s降至0.1×10-6cm/s，降了约40倍；用100kg水泥和30kg膨润土的浆体其渗透系数经240d，其K值由4.5×10-6cm/s降至0.9×10-6cm/s，降了约5倍。

上述资料表明，塑性混凝土的渗透系数随其龄期增长而大为减小，这使采用塑性混凝土防渗墙的防渗效果随着工程寿命的延长越来越好，这对工程安全是十分有利的。

塑性混凝土的渗透性之所以出现上述现象，是因为渗透是通过混凝土水泥浆体中存在的孔隙和微裂纹进行的，而这些孔隙和微裂纹数量和大小是随龄期的增长不断变少和减小的。所以混凝土的渗透系数并不是常数，是随龄期而变化的，这种现象通常可以持续多年。

图3-56　两种灰浆的渗透系数K随时间的演变曲线图

1—用矿渣水泥（80kg）和膨润土（30kg）的灰浆；2—用矿渣水泥（100kg）和膨润土（30kg）的灰浆

混凝土发生渗透系数随龄期增长而减小的根本原因，是由占水泥矿物组成75%的硅酸钙的水化、硬化过程中的产物性质决定的，其化学反应式为

即硅酸三钙（二钙）水化，生成水化硅酸（C3S2H3）和氢氧化钙（CH）Ca（OH）2。上式中C3S2H3是一种结晶不完整的材料所形成的非常细小的胶体粒子（小于1mm），称之为C-S-H凝胶体，它占水泥浆体体积的50%～75%，而氢氧化钙是一种具有固定组成的晶体物质，它占浆体体积的20%～25%。当氢氧化钙（CH）从浆体中结晶出来，C-S-H则在C3S颗粒表面发展并形成包裹层，当水化作用继续进行，水化产物层增厚并形成一层“屏障”，水分必须通过这层“屏障”才扩散至正在生长的晶体，这种扩散的反应是很慢的，而且随着屏障厚度的增大这种“扩散速度”变得更慢，即其硬化是需要很长时间的。这种不断增厚的“屏障”将起堵塞混凝土中毛细孔的作用，而渗流正是通过混凝土中一些“微孔”形成的毛细孔进行的，而这些“微孔”受到上述“扩散速度”控制的，亦即受互相连通的毛细孔网络所控制。如继续水化，则由于C-S-H凝胶形成的“屏障”将进一步堵塞互相连通的细小孔，使毛细管网络变得愈加扭歪曲折，并伴有渗透系数K不断减小。这充分说明了前述渗透系数为何随混凝土龄期增长而减小的原因。

（三）塑性混凝土物理破坏比降试验

为了进行塑性混凝土物理破坏比降试验，在试样自由渗水面用了三种形式的支撑以模拟防渗墙后不同的支撑材料：①透水板支撑；②小石子支撑；③试样中间φ100mm范围内无支撑。试验结果示于图3-54、图3-57和图3-58中。

图3-57　池9（3）试样Q—i关系（150d，P0、Ps均变，P0＞Ps，自由渗水面中空）

图3-58　K2试样K—P0关系（150d，Ps不变，P0变化，透水板支撑）

经过渗出口的三种不同支撑，图中曲线表明：

（1）在渗透比降J=500作用下，塑性混凝土未发生物理性渗透破坏。而在实际工程中塑性混凝土防渗墙承受的渗透比降很少超过100，而且墙外都有很好支撑。因此可以说实际工程中塑性混凝土防渗墙是安全可靠的。

（2）由上述各图中可以看出，即便渗透比降J=400～500，渗流量和渗透比降仍呈线性关系，渗透系数仍未有变化，表明塑性混凝土中的渗流仍符合达西定律。

（3）目前所做的塑性混凝土渗透破试验不多，尤其真正发生渗透破坏的尚未见到。已收集到几个试验为：册田水库的塑性混凝土最大比降为533，清华大学岩土力学试验室做到最大渗流比降为500，三峡二期围堰塑性混凝土试验最大比降为350，德国H.贝伊尔、TH.斯拉罗伯［13］试验的渗流比降为300。上述试验最大渗流比降为300～533，但所有试验的试件均未发生破坏。因此实际工程采用允许渗流比降小于100，工程安全是有足够保证的。

（四）塑性混凝土溶蚀问题的研究

1.塑性混凝土溶蚀问题研究目的

混凝土防渗墙最基本的要求，就是要保证其在正常的工作条件下安全工作，并满足设计寿命期要求，即通常所说的耐久性问题。塑性混凝土防渗墙长期处于地下，且大多数情况下处于淡水环境中工作，因此它很少受冻融、干湿、收缩膨胀的影响和大气环境的侵蚀，但它却会长期受到地下水的溶蚀作用（此处仅研究淡水的溶蚀作用）。因此本节着重研究淡水对混凝土的溶蚀问题。

2.混凝土淡水溶蚀机理

混凝土长期处于淡水中时，硅酸盐石中的胶凝物质（包括各种水化硅酸钙及其他水化产物）与硅酸盐石孔隙液相中的Ca（OH）2浓度高于一定数值（极限浓度）时，这些水化矿物才能稳定存在处于平衡状态。而在水的渗流作用下，由于混凝土孔隙中的石灰水溶液逐渐扩散到石灰浓度很低的环境水中去，孔隙中的石灰浓度逐渐降低，特别是在流水（冲刷、渗流等）的作用下，其浓度下降加快。这样，硅酸盐石中的固相水化矿物便自动析出石灰以补充液相中的石灰含量，借以恢复浓度平衡。若这些石灰水在渗流作用下又被带走，则固相物质又继续溶解。这就是淡水的溶蚀作用机理。在溶蚀的初期，主要依靠溶解固相游离Ca（OH）2来恢复被破坏的浓度平衡，当所有的Ca（OH）2都被浸析时，则硅酸盐石中的主要胶凝物质——水化硅酸钙（简称CSH），都将发生溶解。如下式所示：

式中CSH包括硅酸三钙（3CaO·2SiO2·12H2O）和硅酸二钙（2CaO·SiO·6H2O）。上式化学反应的结果：一是剩下的CSH重新建立稳定的平衡状态；一是在长期的溶滤条件下稳定平衡被破坏，如前所述当这种钙质成分溶蚀达到25%～30%时，防渗墙结构受到破坏。混凝土中的胶凝物质不断溶蚀，上述混凝土的溶蚀机理，无论是刚性混凝土还是塑性混凝土都是适用的。

3.塑性混凝土溶蚀试验的研究

由于混凝土的溶蚀直接影响混凝土的耐久性，因此国内外学者自20世纪80年代就开始进行试验研究，以探求混凝土溶蚀的规律性，摸清影响溶蚀因素和为评估防渗墙的寿命提供依据。为此将国内外所进行的混凝土溶蚀试验介绍如下：

（1）册田水库塑性混凝土溶蚀试验。册田水库土坝塑性混凝土防渗墙是我国第一座用于永久性工程的塑性混凝土防渗墙，由清华大学水利水电工程系和原水电部基础处理公司共同对该防渗墙的耐久性进行了试验研究［14］。试验是用φ5.5cm×7.0cm的试件，在平均水头20m、长流水的情况下，通过定期实测透过塑性混凝土试件的溶滤水中的钙离子Ca2+的含量来进行。试件的配合比和试件的力学及抗渗参数分别示于表3-28和表3-29中，试验结果示于图3-59中。该试验进行了440d，由图3-59可知，钙离子溶出量随时间延长而快速减少。在第14d出现峰值（N-5的峰值为156mg/L，N-4的峰值为100mg/L），至第300d分别稳定在N-5为26mg/L，N-4为6mg/L。这与德国H.贝伊尔、TH.斯拉罗伯的试验结果相近似。

表3-28　试验所用试件配比表

注　N-4*为实际工程采用的配比。(www.daowen.com)

表3-29　试件的力学及抗渗指标表

图3-59　册田水库塑性混凝土钙离子溶出量历时曲线

（2）德国H.贝伊尔、TH.斯拉罗伯的溶蚀试验研究［15］。德国在纽伦堡以南建造的6座土坝均位于粉砂—砾砂覆盖层之上。为了解决坝基渗透稳定和渗漏损失问题，分别修建了板浆灌注防渗墙（泥浆板桩墙）、自硬泥浆防渗墙和塑性混凝土防渗墙。为了了解它们的抗溶（侵）蚀的能力，进行了广泛的试验研究。在防渗墙建成以后，从墙顶及墙底整个剖面不同部位取样，进行了1年多的渗透溶蚀试验，这里叙述的就是试验的主要成果。

试验是用pH=7.5～8的自来水加于试件，采用滴定法测定由试件渗出水中的所含钙质。各种截水墙的材料组成成分见表3-30。Ca2+溶出最大为200mg/d，但20周后停止溶出。其土力学特性见表3-31。取自泥浆板桩墙的试样用水力坡降i=210和i=250进行压水。三个试样全部进行溶蚀试验。1a试样压水的坡降最小，而经历的时间最长（见图3-60）。自硬泥浆墙的水力坡降i=40～150（见图3-61）。2c试样在承受最大水力坡降30周后发生溶蚀，最大日溶出为260mg/d左右，2c溶出量反复变化，30周后急剧增大。而2a及2b试样甚至在1年以后还看不出有任何改变。2b试样在20周后钙质滤出中止，2a试样用最低的水力坡降（i=40）进行压水，无任何钙质滤出。

表3-30　截水墙试样的材料组成

图3-60　泥浆板桩墙试样的长期溶蚀试验

图3-61　自硬泥墙试样的长期溶蚀试验

表3-31　截水墙试样的物理参数

塑性混凝土墙的3a及3b试样用水力坡降i=60及i=110进行压水（见图3-62），甚至在试验历时达1年以上，其间渗透性基本没有变化，试样3a在两周前有钙质滤出，但两周后就中止滤出。试样3b钙质的滤出在20周后中止。其溶滤钙质最大为20mg/L。

图3-62　塑性混凝土墙试样的长期溶蚀试验

（3）我国水利水电科学研院的混凝土溶蚀试验［16］。水利水电科学研究院于20世纪90年代也进行了混凝土耐久性试验研究工作。他们也是采用渗淋混凝土碎块对比溶蚀试验方法测定CaO的溶蚀情况的。

试验配比见表3-32。塑性混凝土的CaO溶蚀速率曲线如图3-63所示，CaO累计溶蚀曲线如图3-64和表3-33所示。

表3-32　混凝土配比表

续表

图3-63　塑性混凝土溶蚀速度（每天CaO溶出量）

图3-64　塑性混凝土累计溶蚀量

表3-33　混凝土的CaO溶出量表

注　1.水泥含量是按600g砂浆配比计算而得。
2.CaO含量是按水泥检查结果计算得来。
3.100d CaO溶出量是实测结果。

分析上述结果，可以得出以下几点结论：

1）塑性混凝土和普通混凝土的溶蚀规律基本相似，初期溶蚀速度快，溶蚀量大，而随龄期的增加，溶蚀速度逐渐减缓，30d以后溶蚀速度趋于稳定，溶蚀曲线变为平缓。

2）在相同渗漏量（1000mL/d）情况下，塑性混凝土平均每日CaO溶出量为154～188mL/d，普通混凝土则为350mL/d，是塑性混凝土的2.0～2.5倍，而溶出总量约为1.86～2.26倍。据悉尼明德斯著《混凝土》［17］指出，Ca（OH）2最易从混凝土中渗出，因此Ca（OH）2含量多的水泥浆体，更易于发生渗滤。配比D的水泥量为塑性混凝土的2.3～3.1倍。故此表明上述结果是符合该书的解释。

3）塑性混凝土的CaO溶出量约为水泥总量的36%～38%；普通混凝土为27.4%（见表3-33），约为塑性混凝土的71.1%～75.5%。

塑性混凝土的CaO溶出百分比偏高的原因，可能是由于掺用了大量黏土或膨润土等非活性材料。因此虽然塑性混凝土CaO溶出比例高，但因塑性混凝土中填充料包括水泥、膨润土、黏土等，水泥浆体溶出量少，故其溶蚀后密实性要比普通混凝土要高，抗渗性能更好。

从图3-63和表3-34可以看出，经过约100d溶蚀后，CaO每日溶出量趋于稳定，普通混凝土D溶出量约154.6mg/L，塑性混凝土A、B、C基本为50～60mg/L，前者约为后者的3倍，与图3-64所示结果一致。

表3-34　塑性混凝土和普通混凝土溶蚀试验结果表

注　1.CaO溶出量每天测试一次。为简化，表中仅列出以上龄期测试结果。
2.每种样品日渗漏量1000mL。

（4）黄河小浪底水库塑性混凝土溶蚀试验研究［18］。小浪底水库土坝坝基有厚达70余m砂砾石覆盖层，为配合土坝施工，在土坝上游坝址围堰中采用了塑性混凝土防渗墙防渗，而且该防渗墙将成为土坝日后的补充防渗设施之一，为此要求对该防渗墙进行耐久性试验。

本耐久性试验要求在渗流比降J=200的条件下观测80d。试验试件为φ12cm×12cm的圆柱形，试验项目包括测定渗透系数，溶出物CaO的溶出量和电导率。试件龄期28d后才开始进行试验。试验共对6个配比试样进行了测定，其配比如表3-35所示。

表3-35　试样配合比表

渗透系数、CaO溶出率和电导率测定结果显示于表3-36～表3-38和图3-65中。由上述图表可以看出几点：

表3-36　渗透系数（10-8cm/s）变化情况表

表3-37　渗出水电导率（103μΩ/cm）变化情况表

表3-38　渗透溶出物观测结果表

图3-65　塑性混凝土溶蚀试验历时曲线

（1）各组试样的渗透系数基本随历时是减小的，且都满足设计的K＜10-6cm/s的要求，K值多数为10-8cm/s，但Ⅱ-26的K值在50d前跳动较大，也许是试件密封存在问题。

（2）从电导率来看，Ⅱ-1、Ⅱ-16、Ⅱ-19、Ⅱ-20经过28d，Ⅱ-26、Ⅱ-27经过49d后，其电导率开始小于自来水的电导率，表明经过28d或49d，试件开始无溶出物或溶出物很小。

（3）溶出物CaO的溶出率除Ⅱ-27外，其余5组试件35d就小于自来水中CaO的含量（其中Ⅱ-1、Ⅱ-16、Ⅱ-20经过21d的CaO就小于自来水中的含量），表明这5组试样经过上述天数（21d或35d）就开始无溶出物或溶出物很少。Ⅱ-27试样溶出物也是逐渐减小的，至80d仅比自来水CaO含量高2.7mg/L。

（4）混凝土溶蚀试验小结。

1）从溶蚀试验过程线看，不管是塑性混凝土还是刚性（普通）混凝土，溶蚀渗出物的量是随时间延长而变化的，初期逐步增大，中期较稳定，后期逐步下降而减小，甚至经过一段时间（1～6个月）停止溶蚀。

2）各种溶蚀试验的过程线有如下三种类型：①溶出物逐步减小，从目前所作试验来看，最后减至2.7mg/L（小浪底80d）、4mg/L、26mg/L（册田440d）和50～60mg/L（水科院100d）；②溶出物经过一段时间停止溶出；③个别情况下，溶出物经过一段时间后溶出量急剧增大（德国的自硬泥浆墙2C试样），可以认为这个试件发生了破坏。

3）刚性混凝土与塑性混凝土相比，由于其水泥用量比塑性混凝土高出3倍，其CaO溶出物也高出3倍左右，如果考虑到刚性混凝土防渗墙压力高，极限应变小，裂缝多的特点，刚性混凝土防渗墙的寿命可能会比塑性混凝土防渗墙低。本章第三节将会作进一部分析。