一种土石坝面板材料及制备方法、土石坝面板结构及构建方法

技术领域

本发明涉及一种土石坝面板材料及制备方法、土石坝面板结构及构建方法。

背景技术

现有技术条件下，包括堆石坝、胶凝砂砾石坝等在内的各类土石坝的防渗体系大多采用各类不同类型的面板作为大坝的防渗结构体系。常用的面板为钢筋混凝土面板，也有采用钢面板、钢筋混凝土与橡胶等有机材料等组成的复合面板，甚至土工膜等等。钢筋混凝土材料作为面板的防渗结构层的不足之处包括：一是混凝土材料抗拉强度低，面板混凝土易产生裂缝而漏水；其次，钢筋混凝土面板材料的刚度大，与坝体堆石料之间存在严重的不协调变形，在坝体堆石料后期的流变作用下，经常出现面板脱空现象，从而导致面板在蓄水压力作用下开裂而渗漏；第三，为协调面板与坝体填筑料之间的变形，降低面板在后期温度和水压力等因素作用下产生的应力，钢筋混凝土面板坝都需要进行分缝处理，工程实践表明，面板分缝使得面板施工工艺更加复杂，工期大幅度延长，同时分缝处经常会出现渗漏现象。

为了增加面板变形与坝体变形之间的适应性，一些专利文献提出了将钢筋混凝土面板与橡胶板等有机防渗材料组合起来作为防渗面板结构的解决方案。这些解决方案存在的最大问题是所采用的橡胶等有机密封材料的耐久性和抗老化能力不足，且还不能解决面板结构中的混凝土组成部分的开裂问题。

中国专利说明书CN106939586B公开了一种混凝土面板堆石坝的面板结构，包括设置在石坝体坡面的面板单元，所述面板单元和坝体堆石之间设置有穿过垫层区和过渡层区的支承墩；所述面板单元和坝体堆石之间设置有支承墩；所述面板单元与支承墩的接触面之间设置有橡胶支座；所述相邻的两个面板单元之间设置有止水装置。其通过橡胶支座传力以及支承墩受力的方式，使混凝土面板底面与坝体垫层表面分离，有效的减轻了坝体不均匀应力变形对面板开裂破坏的影响，但是其面板单元之间存在缝隙，需要额外设置专门的止水装置，这无疑加大了面板结构的复杂性，也增大了渗漏可能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种变形能力强、弹性好且防渗性能好的土石坝面板材料及制备方法；本发明的目的之二在于提供一种整体无缝的土石坝面板结构及构建方法，以消除面板结构在坝体流变变形和蓄水压力作用下的不协调变形，以及面板结构因不协调变形出现的脱空现象而引起致面板结构开裂渗漏病害，同时降低钢筋混凝土面板或钢面板分缝带来的施工工艺复杂程度，以及缩短面板防渗体系的工期长等不利因素。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种土石坝面板材料，按质量份计，其原料组成包括聚脲、第一集料和扩链剂，聚脲、第一集料和扩链剂的质量比为30-60：10-70:0.075-1.2；其中，所述第一集料的粒径≤0.075mm。

本发明利用聚脲作为有机粘结胶将无机细颗粒材料粘结在一起，增加无机颗粒间的粘结力，从而获得抗拉强度和抗渗性能良好的面板材料，而且面板材料具有柔性，可用于制作整体无缝的面板层，满足土石坝面板结构对于面板层的需求。

进一步地，其原料组成还包括第二集料，所述聚脲与第二集料的质量比为30-60:20-45，进一步为30-60:22-40；所述第二集料的粒径为1-5mm，进一步为1-3mm，更进一步为2-3mm。第二集料的引入，可降低面板材料中聚脲的相对含量，从而降低复合材料的制作成本。另外，申请人研究发现，按上述策略加入第二集料，面板材料的断裂伸长率可得到明显提升。

进一步地，其原料组成还包括稀释剂，所述稀释剂与聚脲的质量比为5-15:100，进一步为8-12:100。

进一步地，所述稀释剂为非活性稀释剂，进一步地，所述非活性稀释剂为乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、丙酮、甲苯、环氧活性稀释剂(如环氧活性稀释剂ZK-551)中的一种或几种。如此，可避免稀释剂与集料中的部分矿物产生化学反应而影响材料的力学及防渗性能，故选择上非活性稀释剂既能有效改善材料制作过程中的可加工性能，方便制作，同时又不会影响材料的力学和防渗性能。

进一步地，所述聚脲为单组份手工聚脲、聚天门冬氨酸酯聚脲、双组份聚脲中的一种或几种；进一步地，所述聚脲的表干时间为0.5-3.5h，拉伸强度为3-25MPa，伸长率为200-500％，所述聚脲的固含量≥94wt％。

进一步地，所述扩链剂为MOCA(3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷；莫卡)、Hartcure30(DMTDA)、DETDA(二乙基甲苯二胺)、乙二胺、间苯二胺中的一种或几种。

进一步地，所述第一集料为膨润土和/或黏土。

优选地，所述第一集料为膨润土，膨润土遇水时会膨胀，故膨润土可在作为细颗粒提升密实度的同时，可使得面板材料在服役过程中，有水渗入时，有所膨胀，使得供水渗入的微小间隙被挤压而消失，从而提升抗渗透性能，使得面板材料具有“自修复”能力；进一步地，聚脲和膨润土的质量比为30-60:10-30。

进一步地，所述第一集料为黏土，聚脲与黏土的质量比为30-60:40-70。

进一步地，第二集料为砂。

为确保材料适应变形的能力，无机颗粒选择粒径小于0.075mm的第一集料以及粒径在1～5mm的第二集料。第一集料因粒径小，可以填充在第二集料的骨架之间的空隙中，实现良好的粒度级配，确保面板材料的密实度。

基于同一发明构思，本发明还提供一种如上所述的土石坝面板材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、于常温条件下，将聚脲、稀释剂和扩链剂按配比混合均匀，获得第一混合料；

S2、将S1获得的第一混合料与第一集料混合，并于真空条件下，搅拌6-15min，获得第二混合料；

S3、将S2获得的第二混合料加热至58-62℃后，搅拌1-3min，获得土石坝面板材料。

基于同一发明构思，本发明还提供一种土石坝面板结构，包括由上至下依次分布的面板层、第一垫层、第二垫层和过渡层；

其中，所述面板层由上所述的土石坝面板材料或如上所述的制备方法制备而成的土石坝面板材料构成，当土石坝的坝高H小于100m时，面板层的厚度为0.02m+0.001H；当土石坝的坝高H为100m～200m时，面板层的厚度为0.05m+0.001H；当土石坝的坝高H满足200m＜H≤300m时，面板层的厚度为0.05m+0.0015H；

所述面板层上不设置永久性的横缝和纵缝；

所述第一垫层的弹性模量为面板层的弹性模量的1-3倍，进一步为1.5-2倍，所述第一垫层的厚度为0.5-1m；

所述第二垫层的压缩模量为100～200Mpa，渗透系数为10

所述过渡层的压缩模量为100～150MPa，渗透系数为10

面板层具有柔性，其主要功能是防渗和传力承载。防渗功能包括防止水等介质透过材料内部的空隙，以及防止材料在渗透压力的作用下解体而出现渗透破坏问题。

第一垫层的作用主要分为两方面，一是作为面板层的施工基层，二是作为传力转换结构层，为面板层提供协同变形的附着基层，同时也是协调面板层与第二垫层之间变形的过渡层，以避免第二垫层开裂引起的裂缝反射到柔性面板中。第一垫层采用弹性模量相对于面板弹性模量要高的材料，可降低垫层裂缝对面板层的不利影响，并可加强面板层与第二垫层之间的协调变形。

进一步地，面板层的弹性模量为10MPa～100MPa；抗拉强度为1MPa～5MPa；渗透系数小于0.1×10

进一步地，第一垫层的弹性模量为50-200MPa。

进一步地，所述第一垫层由塑性材料构成，所述塑性材料由苯丙乳液、第三集料、第四集料按20-40:30-50:20-40的质量比组成，所述第三集料的粒径为2-5mm，所述第四集料的粒径为5-20mm，所述苯丙乳液为有机硅改性苯丙乳液、环氧树脂改性苯丙乳液、有机氟改性苯丙乳液中的一种或几种，所述苯丙乳液的固体含量大于40wt％，粘度为80～2000mPa·s。

进一步地，所述第三集料为砂；进一步地，所述第四集料为砂砾石。

一般的，第二垫层和过渡层的厚度可常规要求设计。

进一步地，所述第二垫层由第五集料、第六集料和第七集料的混合集料构成，所述第五集料、第六集料和第七集料的质量比为45-70：30-50:0.01-5，第五集料的粒径为80-100mm，第六集料的粒径为0.075-5mm，第七集料的粒径小于0.075mm。

进一步地，所述第五集料为砾石或碎石。进一步地，第六集料为砂砾石。进一步地，所述第七集料为黏土或膨润土。

进一步地，所述过渡层由粒径不超过300mm的碎石构成，更进一步地，由碎石碾压而成。

进一步的，所述面板层为一块完整的柔性密封板，面板层内不设置横缝和纵缝。

进一步地，所述第一垫层为一块完整的柔性密封板，第一垫层内不设置横缝和纵缝。

进一步地，所述面板结构与基岩之间通过周边缝连接，周边缝内设置止水结构。

本发明可以解决现有面板结构存在的面板脱空、开裂和变形适应性不足等问题。

基于同一发明构思，本发明还提供一种如上所述的土石坝面板结构的构建方法，包括如下步骤：

(1)、提供具有堆石区的土石坝的坝体；

其中，所述堆石区的压缩模量为80～100MPa；渗透系数为10

(2)、在所述堆石区上依次构建过渡层、第二垫层和第一垫层；

(3)、在所述第一垫层上构建面板层，养护，获得土石坝面板结构；

其中，养护温度为18-52℃，进一步为常温。

进一步地，所述第九集料为砂砾石。进一步地，所述第十集料为黏土或膨润土。

进一步地，步骤(3)中，将面板材料摊铺于第一垫层上，辊压后，常温养护，获得土石坝面板结构。

本申请的面板材料及结构可适用于堆石坝、砂砾石胶凝坝及其他土石坝。

本申请的面板材料、结构原理和制作方法还可推广应用高压地下储气库的密封结构体系中。

本发明的面板材料主要由集料等无机材料，与抗拉强度高、拉伸率大、耐久性强、抗拉老化、耐磨性好的聚脲拌和而成，其显著特点：一是面板材料的抗拉强度高、弹性模量小、柔性好，水稳性强；二是面板材料中没有使用导致凝固后硬化的水泥作为胶结材料，可避免后期面板材料硬化过程中热应力导致的内部微观裂缝。本发明的面板材料可以克服常规有机高弹密封材料易老化、耐久性不足的缺点，同时还可解决刚性混凝土面板的在水库蓄水压力、气候变化温度应力和坝体流变变形等作用下面板内部出现过大的拉应力或压应力而产生的裂缝问题；此外，由于本发明的面板结构中取消了在面板层中设置的永久缝，可大幅度简化面板施工工艺流程、提高面板结构的施工效率，缩短施工工期，从而降低面板防渗体系的工程造价。另外，由于本发明采用的各类原材料均为环保型无毒材料，经冷加工饱和后也不会有新的有害物质产生，所以本发明的面板材料及面板结构的环保性好，对水库水体不会形成污染。

本发明的面板材料的制备及面板结构的构建工艺合理，结构简单，操作方便，为推动面板坝技术的创新发展提供了又一技术方案。

附图说明

图1是本发明的一种土石坝的上游面的结构示意图。

图2是本发明的一种面板结构的局部剖视图。

图3是实施例1的各试件的拉伸试验应力应变情况图。

图4是实施例2的各试件的拉伸试验应力应变情况图。

图5是实施例3的面板结构的剪应变等值云图。

图6是实施例3的面板结构的体积变等值云图。

图7是实施例3的面板结构的拉应力等值云图。

图8是实施例1的面板材料的拌合料形态照片。

图9是实施例2的面板材料的拌合料形态照片。

图中，1-面板层，2-第一垫层，3-第二垫层，4-过渡层，5-堆石区，6-周边缝，7-岩基。

具体实施方式

以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例中，面板材料的原料组成为：单组分聚脲:黏土粉:稀释剂:扩链剂＝1:1:0.1:0.02。所选单组分聚脲的拉伸强度为3.4MPa，粘结剥离强度为4.3MPa，断裂延长率为317％，固含量为94wt％；表干时间为3h。所述稀释剂为丙酮，所述扩链剂为乙二胺。所述黏土粉的粒径小于0.075mm。

将以上配方的面板材料制作成试件，具体地，试件制作方法为：拌和温度60℃，真空搅拌。拌和流程：投入单组分聚脲、稀释剂和扩链剂，在行星搅拌器中常温搅拌2分钟；停止搅拌，投入黏土粉后，封闭搅拌室，抽真空到-100kPa，搅拌10分钟，拌和过程加温至60℃后再搅拌2分钟。停止搅拌，出料，制作标准纺锤形试件，养护(分别制作不同养护温度条件下的试件1-3)；试件标距25mm、厚度10mm、宽度5.5mm，试件长度100mm。抽真空搅拌目的是降低拌和过程中聚脲粘结剂与空气反映的程度，可以在一定程度上消除拌和物中产生的气泡对材料的影响。加热搅拌的目的是进一步增加拌和物的流动性和可加工性，进而在制作相同粘度的拌合料情况下可降低聚脲的用量。

循环加卸载压缩模量及回弹模量试验结果如表1所示，拉伸强度试验结果如表2和图3所示。

水稳性：试样连续泡水30天，无析出物，烘干后质量无变化，体积无变化。

渗透性：采用板状试件测试的综合渗透率为1.0×10

表1循环加卸载条件下压缩模量与回弹模量(单位：MPa)

由表1可知，随着加卸载次数的增加，材料加载模量与卸载模量逐渐趋同，表明本发明的面板材料具有良好的循环加卸载弹性恢复性能，长期使用后的残余变形量小，可大幅度提高材料抗裂性能。

表2拉伸强度试验结果表

由表2和图3可知，在18-52℃条件下养护，有助于获得抗拉强度、断裂伸长率更优异的试件。

实施例2

本实施例中，面板材料的原料组成为：单组分聚脲:黏土粉(第一集料):粗砂(第二集料):稀释剂:扩链剂＝1:0.375:0.75:0.1:0.02。上述材料性质与实施例1的相关材料相同；拉伸试件制作方法与实施例1相同(平行制作3个试件，记为1号、2号、3号)。试件养护温度为常温。粗砂的粒径为1-2mm。所述黏土粉的粒径小于0.075mm。

图4为实施例2的试件的拉伸试验结果。添加粗砂后，试件极限抗拉强度为0.86MPa、0.95MPa和0.96MPa，抗拉强度性能优异。2％应变对应的拉伸弹模分别为16.7MPa、17.2MPa和18.1MPa。断裂伸长率大于20％。

渗透性：采用板状试件测试的综合渗透率为2.5×10

由实施例1和实施例2可知：

1.本发明的面板材料的抗拉强度可达MPa级，达到或超过混凝土抗拉强度，远大于黏土材料的抗拉强度(一般小于50kPa)；压缩/回弹模量可控制在10MPa～100MPa。

2.本发明的面板材料变形能强，极限强度拉伸应变可控制在10％以上，远远大于混凝土的极限开裂应变(0.04％)，黏土的开裂应变0.1％～0.5％。

3.本发明的面板材料循环加载、卸载后弹性特征显著，再次压缩回弹可变形量大；初次加载后回弹性能好，重复加载后其弹性性能更佳，残余应变与可恢复回弹应变之比约1/100。

4、本发明的面板材料良好的防渗性能，渗透率极低，可低至1.0×10

5、图8和图9表明：在面板材料中引入第二集料后，所得拌合料的流动性得到有效改善，拌合料可操作时间延长近1倍。试件抗渗性基本保持不变，且断裂延伸率可增长至20％以上。上述特性表明，配方中增加第二集料可以降低聚脲的用量，可降低面板材料的制作成本，并改善面板材料的综合性能。

实施例3

一种土石坝面板结构，包括由上至下依次分布的面板层、第一垫层、第二垫层和过渡层；

其中，所述面板层由实施例2所述的土石坝面板材料构成，土石坝的坝高H为200m，面板层的厚度为0.25m；所述面板层呈一整体层，其上不设置永久性的横缝和纵缝；

所述第一垫层的弹性模量为面板层的弹性模量的1.5倍，所述第一垫层的厚度为0.75m；

所述第二垫层的压缩模量为150Mpa，渗透系数为10

所述过渡层的压缩模量为130MPa，渗透系数为10

所述第一垫层由塑性材料构成，所述塑性材料由苯丙乳液、第三集料、第四集料按30:40:30的质量比组成，所述第三集料的粒径为2-5mm，所述第四集料的粒径为5-20mm，所述苯丙乳液为有机硅改性苯丙乳液，所述苯丙乳液的固体含量为45wt％，粘度为1000mPa·s。

所述第三集料为砂；所述第四集料为砂砾石。

所述第二垫层由第五集料、第六集料和第七集料的混合集料经过碾压制成，所述第五集料、第六集料和第七集料的质量比为55：40:5，第五集料的粒径为80-100mm，第六集料的粒径为0.075-5mm，第七集料的粒径小于0.075mm。

所述第五集料为砾石或碎石。第六集料为砂砾石。所述第七集料为黏土。所述过渡层由粒径不超过300mm的碎石构成，由碎石碾压而成。

所述面板层为一块完整的柔性密封板，面板层内不设置横缝和纵缝。所述第一垫层为一块完整的柔性密封板，第一垫层内不设置横缝和纵缝。所述面板结构与基岩之间通过周边缝连接，周边缝内设置止水结构。

一种如上所述的土石坝面板结构的构建方法，包括如下步骤：

(1)、提供具有堆石区的土石坝的坝体；

其中，所述堆石区的压缩模量为90MPa；渗透系数为10

(2)、在所述堆石区上依次构建过渡层、第二垫层和第一垫层；

(3)、在所述第一垫层上构建面板层，常温养护，获得土石坝面板结构。

所述第九集料为砂砾石。所述第十集料为黏土或膨润土。

步骤(3)中，将面板材料摊铺于第一垫层上，辊压后，常温养护，获得土石坝面板结构。

申请人采用FLACD软件对实施例3的土石坝面板结构进行了计算机模拟试验，具体结果如图5～图7所示，结果表明，对于实施例3的土石坝面板结构，其在近200米水头压力的作用下，其面板结构的最大拉应变不超过2％，远小于本发明的面板材料的拉伸断裂应变。同时，计算结果还表明，由于本发明材料的模量低，在200米水头作用下面板结构所受拉应力约为0.85MPa，小于面板材料的抗拉强度，因此不会产生拉裂缝。因此可见，上述土石坝面板结构不容易在蓄水压力作用下开裂、渗漏。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。