渠道襯砌混凝土抗凍蝕施工工藝研究

金　游,張振宇

(葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北省宜昌市　443002)

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渠道襯砌混凝土抗凍蝕施工工藝研究

金游,張振宇

(葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北省宜昌市443002)

摘要：以南水北調(diào)中線工程京石段為依托，針對(duì)渠道襯砌現(xiàn)澆混凝土存在混凝土質(zhì)量控制難、受凍脹、凍融破壞嚴(yán)重等問(wèn)題，研究了施工工藝對(duì)渠道襯砌混凝土抗凍蝕性能的影響。通過(guò)研究振搗方式、抹面方式及養(yǎng)護(hù)方法對(duì)混凝土抗凍蝕性能的影響、成型混凝土大板進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)、定期觀察混凝土大板表面情況、記錄混凝土大板受破壞時(shí)的凍融次數(shù)，最終優(yōu)選出了抗凍蝕效果好的施工工藝。關(guān)鍵詞：渠道；襯砌；混凝土；抗凍蝕；性能；施工；工藝

0前言

在南水北調(diào)工程的建筑物中，采用得最多最普遍的是明渠渠道，而在明渠渠道結(jié)構(gòu)中，又廣泛采用了混凝土襯砌方式?；炷烈r砌主要存在混凝土質(zhì)量控制難、受凍脹、凍融破壞嚴(yán)重等問(wèn)題。尤其是渠道底面混凝土過(guò)水后，極易吸水飽和，遇干冷冬季，溫度變化，受凍融破壞，常常出現(xiàn)表面剝落，起皮起粉現(xiàn)象。這種破壞首先造成渠道糙率增加，降低輸水能力，最后隨著破壞程度的逐年加深，混凝土功能完全喪失，縮短了渠道運(yùn)行壽命。

在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，近年來(lái)多采用“抵抗”凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，如日本現(xiàn)在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料復(fù)合形式，美國(guó)、俄羅斯則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。國(guó)內(nèi)研究渠道襯砌混凝土抗凍問(wèn)題主要集中在斷面結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)、土壤固化及改良、新材料的研究及應(yīng)用等方面。比如，在混凝土中摻入玻纖-鋼纖維提高抗凍性能[1]；引氣天然浮石輕骨料混凝土[2-3]；聚合物涂層與瀝青混凝土的應(yīng)用[4]；UF500纖維素纖維混凝土在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用[5]等等。從施工工藝的角度來(lái)研究渠道襯砌混凝土抗凍蝕技術(shù)，資料報(bào)道較少，尚沒(méi)見(jiàn)系統(tǒng)研究。

本文以南水北調(diào)中線工程為依托，擬通過(guò)研究尋找抗凍蝕效果好的施工工藝，形成一套適合寒冷地區(qū)渠道襯砌工程的經(jīng)濟(jì)、可行、可靠的施工工藝，為寒冷地區(qū)渠道襯砌工程施工提供技術(shù)指導(dǎo)，并為工程質(zhì)量提供可靠保證。

1原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

(1) 水泥和粉煤灰

水泥采用鹿泉東方鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的鼎鑫牌P·O42.5水泥，初凝時(shí)間136 min，終凝時(shí)間238 min，其它指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[6]。粉煤灰采用原工程使用過(guò)的河北衡水發(fā)電廠粉煤灰，細(xì)度為14.2%，燒失量為3.30%，需水量比為100%，滿足Ⅱ級(jí)灰的要求。

(2) 骨料

采用中易水料場(chǎng)天然砂以及東壘子料場(chǎng)生產(chǎn)的(5～20) mm、(20～40) mm人工碎石，除5～20 mm碎石超遜徑不滿足要求外,其余所檢項(xiàng)目均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

(3) 外加劑

減水劑采用北京科寧混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的ADD-3型粉狀緩凝高效減水劑，摻量為1.0%時(shí)減水率為15.5%。引氣劑采用北京科寧混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的ADD-15型粉狀引氣劑，摻量為0.005%時(shí)含氣量5.2%。

1.2配合比

配合比相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　工藝試驗(yàn)用配合比表

1.3試驗(yàn)方法

(1) 試件成型

為了更好地觀察混凝土表面情況，同時(shí)考慮開(kāi)展抗凍試驗(yàn)的可行性，室內(nèi)試驗(yàn)成型400 mm×200 mm×80 mm混凝土板進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

(2) 快速凍融試驗(yàn)

快速凍融試驗(yàn)按DL/T5150《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程 》開(kāi)展試驗(yàn)[8]，不同的是25次凍融循環(huán)后對(duì)試件檢測(cè)第1次，觀察表面情況并做外觀描述，稱重和測(cè)定自振頻率，以后每做5次凍融循環(huán)對(duì)試件檢查1次，觀察混凝土板表面情況并做外觀描述拍照；每25次凍融循環(huán)除觀察表面情況并拍照外，稱重和測(cè)定自振頻率。

2施工工藝選定

施工工藝通常主要包括振搗、抹面及養(yǎng)護(hù)。本文試驗(yàn)振搗工藝選取過(guò)振工藝、二次振搗工藝；抹面工藝選取灑水抹面、灑水撒灰抹面、振搗完立即抹面及較晚抹面工藝；養(yǎng)護(hù)工藝選取碘鎢燈直接照射、碘鎢燈麻袋灑水養(yǎng)護(hù)和真空吸水工藝。采用單因素變化的試驗(yàn)方法，分別選取上述工藝的一種與標(biāo)準(zhǔn)施工工藝進(jìn)行組合，具體見(jiàn)表2所示。

表2　施工工藝方案及試驗(yàn)組數(shù)表

3結(jié)果與討論

根據(jù)抗凍等級(jí)及相對(duì)動(dòng)彈性模量由大到小進(jìn)行排序，并提供相應(yīng)抗凍等級(jí)的質(zhì)量損失率。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖1、2、3所示。

表3　各種工藝試件抗凍等級(jí)表

立即抹面工藝是所有施工工藝中起皮最早最嚴(yán)重的工藝。試件在未凍融之前初始表面粗糙，有少量氣孔。初始自振頻率最低，相對(duì)動(dòng)彈性模量損失較大，混凝土密實(shí)度最差，且質(zhì)量損失較大，說(shuō)明采用該工藝的試件內(nèi)外部混凝土質(zhì)量均差。收光過(guò)早并不容易將表面抹光，還會(huì)在表面留下很多缺陷，在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，表面很快就被破壞，析水產(chǎn)生較多滲水通道，還會(huì)導(dǎo)致混凝土密實(shí)度及抗凍融能力均較差。

圖1　相對(duì)動(dòng)彈模與凍融次數(shù)關(guān)系圖

圖2　質(zhì)量損失百分率與凍融次數(shù)關(guān)系圖

圖3　凍融循環(huán)175次后試件表面情況圖

灑水抹面工藝也是起皮較早較嚴(yán)重的工藝。試件在25次就出現(xiàn)起皮，且為局部片狀起皮?？箖龅燃?jí)居中，質(zhì)量損失較大。灑水抹面是在初凝前2 h抹面時(shí)人為的在表面灑水，由于其抹面時(shí)間正常，且經(jīng)過(guò)振搗提漿抹面，因此相對(duì)動(dòng)彈性模量比立即抹面要大一些。但表面灑水人為的放大了表面的水膠比，降低了表面砂漿的強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后較早起皮。

碘鎢燈直接照射工藝雖然表面起皮程度雖比較輕微，165次凍融后表面仍有較多水泥砂漿包裹，未出現(xiàn)完全脫皮，但動(dòng)彈性模量損失較大，125次凍融循環(huán)后已經(jīng)不合格，相對(duì)動(dòng)彈性模量為54.93%，抗凍等級(jí)最低。分析原因?yàn)橛捎诘怄u燈直接照射混凝土表面，試件表面和底面溫差較大，試件內(nèi)部強(qiáng)度發(fā)展不均勻，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土抗凍融能力變差，動(dòng)彈性模量下降?；炷猎缙谔幱诟稍餇顟B(tài)且沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施會(huì)導(dǎo)致混凝土在經(jīng)歷凍融后較早起皮，還會(huì)影響混凝土整體抗凍性能。因此，碘鎢燈直接照射工藝不能作為推薦施工工藝用于工程實(shí)踐中。

過(guò)振工藝起皮較早，整體起皮也較早，開(kāi)始出現(xiàn)質(zhì)量損失也較早，混凝土表面質(zhì)量一般，抗凍等級(jí)居中。過(guò)振容易引起離析、泌水，對(duì)混凝土表面質(zhì)量產(chǎn)生影響；也可導(dǎo)致混凝土實(shí)際含氣量偏小，對(duì)混凝土抗凍融能力有產(chǎn)生影響。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)避免局部過(guò)振，防止其影響混凝土的抗凍性能。

較晚抹面工藝起皮較早，整體起皮也較早，質(zhì)量損失居中，相對(duì)動(dòng)彈性模量損失較大。由于混凝土收面過(guò)晚，對(duì)已形成的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致混凝土抗凍融能力較差。因此，在工程實(shí)踐中，抹面過(guò)晚對(duì)混凝土抗凍能力會(huì)產(chǎn)生一定不利影響，應(yīng)該引起重視，不能因?yàn)槿魏卧蜻^(guò)晚抹面。

標(biāo)準(zhǔn)工藝與以上工藝一樣，開(kāi)始起皮較早，但整體起皮的時(shí)間較晚，質(zhì)量損失較小，抗凍融能力較好?？梢?jiàn)，規(guī)范中制定的振搗、抹面及養(yǎng)護(hù)工藝具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，施工單位應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范施工，避免出現(xiàn)過(guò)早或過(guò)晚抹面、灑水抹面、過(guò)振及干燥養(yǎng)護(hù)等不規(guī)范操作。但是標(biāo)準(zhǔn)工藝無(wú)論在抗凍等級(jí)，還是在解決表面起皮的效果上并不是最好的工藝。抗凍能力上碘鎢燈麻袋灑水工藝及真空吸水工藝優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)工藝，表面抗凍蝕效果上二次振搗工藝及灑水撒灰優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)工藝。

碘鎢燈麻袋灑水養(yǎng)護(hù)工藝延緩了試件開(kāi)始起皮的時(shí)間，65次凍融循環(huán)后才出現(xiàn)邊緣少量點(diǎn)狀起皮，整體起皮的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)工藝差不多。凍融100次時(shí)試件開(kāi)始有質(zhì)量損失，且質(zhì)量損失較小，抗凍等級(jí)較高，說(shuō)明采用該工藝的試件內(nèi)外部混凝土質(zhì)量均較好。由于碘鎢燈照射麻袋，使得通過(guò)麻袋的養(yǎng)護(hù)水溫度升高，相當(dāng)于對(duì)混凝土進(jìn)行加熱養(yǎng)護(hù)，加快了混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展，又因?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)，使混凝土表面一直保濕，避免了因收縮產(chǎn)生裂紋。因此，該工藝的實(shí)質(zhì)是加溫保濕養(yǎng)護(hù)，可推薦作為一種抗凍施工養(yǎng)護(hù)工藝應(yīng)用于工程實(shí)踐。

灑水撒灰工藝室內(nèi)控制得當(dāng)，取得了很好的抗凍效果。65次凍融循環(huán)后才出現(xiàn)少量點(diǎn)狀起皮，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)整體脫皮。但從175次凍融后表面情況來(lái)看，灑水撒灰工藝試件最終的破壞形式為脫殼。這種破壞現(xiàn)象說(shuō)明了該工藝表面涂撒的水泥漿形成了一個(gè)整體的保護(hù)層，對(duì)于防止凍融起皮起了關(guān)鍵作用，水泥漿與混凝土表面的粘結(jié)程度直接決定混凝土表面脫殼破壞的時(shí)間，當(dāng)界面連接處受凍融破壞，表面就會(huì)出現(xiàn)脫殼。但考慮到灑水撒灰工藝是不規(guī)范的操作，現(xiàn)場(chǎng)施工面積較大時(shí)灑灰量及抹面難以控制，實(shí)際工程中也不乏操作不當(dāng)導(dǎo)致脫殼的實(shí)例。因此，不推薦作為抗凍蝕施工工藝用于工程實(shí)踐。

二次振搗工藝在控制混凝土表面凍融起皮方面也取得了良好的效果。雖然二次振搗試件起皮較早，在35次凍融循環(huán)后就出現(xiàn)了表面麻點(diǎn)，但起皮比較輕微，且起皮加深的速度較慢，凍融175次以后僅邊緣局部起皮。凍融100次質(zhì)量損失仍為0，說(shuō)明混凝土表面質(zhì)量較好。由于二次振搗也可能導(dǎo)致混凝土實(shí)際含氣量偏小，對(duì)混凝土抗凍融能力產(chǎn)生影響，凍融175次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈模勉強(qiáng)達(dá)到60%，混凝土抗凍等級(jí)達(dá)到F175?？梢?jiàn)，與其他工藝相比，該工藝的試件內(nèi)外部混凝土質(zhì)量均較好。二次振搗工藝在施工中容易操作，簡(jiǎn)單方便，抗凍效果良好，可推薦作為一種施工抗凍蝕工藝應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

真空吸水工藝作為一種特殊工藝，研究發(fā)現(xiàn)它能提高試件抗凍融能力。采用真空吸水的試件初始自振頻率最高，說(shuō)明混凝土密實(shí)度最好，抗凍等級(jí)在所有試件中最高。分析由于真空吸水工藝將混凝土中多余水分吸走，混凝土實(shí)際水膠比變小，混凝土密實(shí)度增加，強(qiáng)度提高，混凝土與骨料界面得到改善，混凝土抗凍融能力最高。但真空吸水工藝在解決混凝土凍融后表面起皮問(wèn)題上未能取得較好的效果，35次出現(xiàn)表面麻點(diǎn)，105次整體起皮，而從質(zhì)量損失率上來(lái)看，是所有工藝?yán)镒钚〉模芍M管表面起皮，但仍存在很多漿體。整體起皮較早可能由于抹面收光過(guò)早導(dǎo)致的，真空吸水工藝在吸水完成后立即振搗提漿抹面一次性收光后預(yù)養(yǎng)，較早的抹面對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響，但對(duì)側(cè)面和底面不會(huì)產(chǎn)生影響。因?yàn)檎婵瘴に囋嚰牡酌婧蛡?cè)面在經(jīng)歷了200次凍融循環(huán)后破壞很小，試件底面中間大面積氣孔在試件拆模后就已經(jīng)產(chǎn)生，在經(jīng)歷了200次凍融后未出現(xiàn)變化，只有邊緣出現(xiàn)少量起粉現(xiàn)象。真空吸水工藝抗凍融能力最好，可用于輔助其他工藝或?qū)δ鏁r(shí)間進(jìn)一步的控制，有望取得較好的抗凍效果，解決表面起皮問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，得到如下結(jié)論：

(1) 抹面時(shí)機(jī)對(duì)混凝土表面抗凍性能影響較大。振搗完過(guò)早或過(guò)晚抹面降低了混凝土表面抗凍性能；

(2) 二次振搗工藝和加溫保濕養(yǎng)護(hù)能提高混凝土抗凍性能；

(3) 真空吸水工藝能提高混凝土內(nèi)部抗凍性能；

(4) 灑水抹面工藝、過(guò)振工藝降低了混凝土表面抗凍性能；

(5) 碘鎢燈直接照射工藝降低了混凝土抗凍性能。

考慮施工工藝對(duì)抗凍性能的影響及施工的可操作性，推薦寒冷地區(qū)渠道襯砌混凝土施工優(yōu)化工藝為：真空吸水工藝+二次振搗工藝+標(biāo)準(zhǔn)抹面工藝+加溫保濕工藝。

參考文獻(xiàn):

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[8]中華人民共和國(guó)國(guó)家貿(mào)易委員會(huì).水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程：DL/T5150-2001[S].北京：中國(guó)電力出版社,2002.

Study on Frost-corrosion Resistance Construction Technology of Canal Lining Concrete

JIN You, ZHANG Zhenyu

(Test and Detection Co., Ltd, Gezhouba Group, Yichang, Hubei443002,China)

Abstract:In accordance with practice of construction of Beijing-Shijiazhuang section of the middle route works of South-to-North Water Diversion Project and aiming at such issues as the difficult quality control, frost heaving and freezing-thawing of the cast-in-situ concrete of canal lining, impacts of the construction technology on the frost-corrosion resistance performance of the canal lining concrete are studied. Through studies of impacts on the frost-corrosion resistance performance by vibrating mode, finishing mode and curing method, quick freezing-thawing test on finished concrete slab, regular monitoring of concrete slab surface, and record of the freezing-thawing times of the concrete slab failure, the construction technology with good frost-corrosion resistance is selected finally.Key words:canal; lining; concrete; freezing-erosion resistance; performance; construction; technology

文章編號(hào)：1006—2610(2016)03—0037—04

收稿日期：2015-10-11

作者簡(jiǎn)介：金游(1975- )，女，湖北省十堰市人，助理工程師，主要從事建筑材料檢測(cè)工作.

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.010