輸水渠開(kāi)裂纖維混凝土襯砌滲透系數(shù)試驗(yàn)研究

魯鵬

（遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧桓仁117200）

1 研究背景

在農(nóng)田水利工程建設(shè)中，輸水渠道是不可或缺的組成部分[1]。襯砌滲水是輸水渠道工程建設(shè)中最常見(jiàn)的病害之一，對(duì)輸水渠道的耐久性和功能發(fā)揮存在巨大影響，而混凝土襯砌裂縫無(wú)疑是造成上述情況的主要因素[2]。為了提高輸水渠道混凝土襯砌的耐久性和抗?jié)B性能，近年來(lái)在輸水渠道設(shè)計(jì)和施工中開(kāi)始大量運(yùn)用纖維混凝土襯砌。這種以水泥基料為基礎(chǔ)適當(dāng)添加各種纖維材料形成的新型材料，具有強(qiáng)度大、抗裂性強(qiáng)、耐久性好等諸多優(yōu)勢(shì)[3]。另一方面，混凝土裂縫形成原因是十分復(fù)雜的，往往是多種因素相互作用和影響的結(jié)果，因此在實(shí)際施工過(guò)程中并不能完全避免[4]。特別是在正常施工和工作的狀態(tài)下，纖維混凝土襯砌的表面和內(nèi)部仍舊存在部分微小的裂縫[5]，因此，在帶縫工作條件下進(jìn)行滲透問(wèn)題研究，更具有實(shí)際意義和工程價(jià)值。此次研究基于劈裂試驗(yàn)獲得開(kāi)裂纖維混凝土，對(duì)不同纖維摻量和類型條件下的混凝土滲透系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以便對(duì)纖維混凝土襯砌的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論和技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

此次試驗(yàn)的滲透系數(shù)測(cè)定采用的是南通市測(cè)量?jī)x器儀表廠生產(chǎn)的SL352-01 滲透系數(shù)測(cè)定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩(wěn)定平衡兩大系統(tǒng)組成，測(cè)量誤差在5%以內(nèi)，完全可以滿足試驗(yàn)測(cè)定要求。

試驗(yàn)材料為經(jīng)過(guò)劈裂試驗(yàn)的3 種不同纖維混凝土試件，其配合比如表1 所示，每組配合比制作3 個(gè)試件。在試件制備過(guò)程中，首先按照表1 的配比稱量好水泥、石子和砂并干拌至均勻，然后加入減水劑和纖維材料繼續(xù)攪拌，最后加入自來(lái)水?dāng)嚢杈鶆?。將拌制均勻的混凝土倒入磨具搗振成型，最后放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)[6]。對(duì)養(yǎng)護(hù)完畢的試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，預(yù)制出存在裂縫的試件備用。

試驗(yàn)用密封材料為瀝青和AB膠[7]。其中，瀝青為唐山永豐防水材料有限公司生產(chǎn)的一級(jí)防水瀝青；AB 膠為上海華宇化工有限公司生產(chǎn)的高性能結(jié)構(gòu)AB膠。試驗(yàn)中使用的密封圈為廣州威寧橡膠廠生產(chǎn)的135 mm×5 mm規(guī)格O型橡膠密封圈。

2.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)設(shè)備的使用要求，確定如下試驗(yàn)步驟：

1）實(shí)驗(yàn)前將開(kāi)裂砌纖維混凝土試件放入水中浸泡2 d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和雜質(zhì)。

表1 各組件配合比kg/m3

2）將試件放入試驗(yàn)容器，在其下部瀝入80 ℃的瀝青并在四周涂抹均勻，高度應(yīng)為試件高度的2/3，在上部填入AB膠，保證試驗(yàn)中的密封防水作用。

3）在密封材料徹底冷卻之后，將容器置于試驗(yàn)儀器的支撐框架內(nèi)，并在頂面凹槽部位放好密封圈，然后旋緊緊固螺栓，使容器具有良好的密閉性。

4）接通水源管線和壓力源，對(duì)容器注水，排出容器內(nèi)的空氣，待空氣完全排出后關(guān)閉排氣閥，將壓力調(diào)節(jié)至恒定值。

5）試驗(yàn)壓力從0.2 MPa 開(kāi)始，每間隔8 h 增加0.1 MPa 的壓力，直至試件底部全部滲水[8]。然后保持壓力值不變，每隔8 h 讀取一次滲透水量。當(dāng)單位時(shí)間滲透水量不再增加時(shí)停止試驗(yàn)。

6）所有試驗(yàn)結(jié)束之后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，獲得滲透系數(shù)。

2.3 計(jì)算原理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以達(dá)西定律為依據(jù)，不同組別的開(kāi)裂纖維混凝土滲透系數(shù)的計(jì)算公式：

式中：k 為滲透系數(shù)，cm/s；L 為試件厚度，cm；A試件上表面面積，cm2；△H 為水位差，mm；Q 為單位時(shí)間滲流量，cm3/s，計(jì)算公式：

式中：V 為滲流體積，ml；T 為對(duì)應(yīng)的滲流時(shí)間，s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)裂纖維混凝土試件的下表面無(wú)水壓，上表面為0.35 MPa 的系統(tǒng)設(shè)定水壓，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定和整理，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

以表2 的計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用上節(jié)的計(jì)算方法，計(jì)算獲取各個(gè)試件的滲透系數(shù)，將每組3 個(gè)試件的滲透系數(shù)均值作為該組試驗(yàn)的最終滲透系數(shù)，具體的滲透系數(shù)和滲透系數(shù)比如表3 所示。

由表3 的結(jié)果可知，B1，B2，B3和B4為單摻聚丙烯纖維，其對(duì)應(yīng)的聚丙烯摻量分別為0.40，0.55，0.70 和0.85 kg/m3，與之對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)值分別為6.84×10-8，6.59×10-8，5.30×10-8和5.07×10-8cm/s，與普通混凝土的A1對(duì)照組相比，滲透系數(shù)分別降低了7.6%，10.9%，28.4%，31.9%。由此可見(jiàn)，摻加聚丙烯纖維可以有效降低開(kāi)裂混凝土的滲透系數(shù)，且摻加量越大，效果越明顯。究其原因，在普通混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維的情況下，由于纖維阻裂作用的影響，混凝土襯砌在塑性期裂紋明顯減少，因此可以起到良好的減滲作用。另一方面，由于攪拌作用，聚丙烯纖維在混凝土中處于無(wú)規(guī)則排列狀態(tài)，雖然帶來(lái)一些孔隙，但是可以使混凝土中的大部分裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘芽p，進(jìn)而使混凝土中的滲流通道大幅減少，因此混凝土的抗?jié)B性能也可以獲得大幅提升。

C1，C2，C3和C4為單摻鋼烯纖維，其對(duì)應(yīng)的鋼纖維摻量分別為30.1 ，45.7 ，61.3 和77.5 kg/m3，與之對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)值分別為6.78×10-8，6.50×10-8，6.07×10-8和5.95×10-8cm/s，與普通混凝土的A1對(duì)照組相比，滲透系數(shù)分別降低了8.4%，12.2%，18.0%和19.6%。由此可見(jiàn)，摻加鋼纖維也可以有效降低開(kāi)裂混凝土的滲透系數(shù)，且摻加量越大，效果越明顯，其原因和纖維混凝土類似，這里不再敷述。摻加鋼纖維與摻加聚丙烯纖維相比，其滲透系數(shù)的下降幅度較小，說(shuō)明摻加鋼纖維對(duì)提升混凝土抗?jié)B性的作用效果不如摻加聚丙烯纖維。

D1和D2為鋼纖維和聚丙烯纖維混摻的工況，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩組試驗(yàn)的滲透系數(shù)值分別為4.98×10-8cm/s 和5.23×10-8cm/s，與對(duì)照組A1相比，滲透系數(shù)分別下降了32.7%和29.3%。兩者相比可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的滲透系數(shù)和聚丙烯纖維的摻量存在十分顯著的正相關(guān)關(guān)系。另一方面，D1和D2兩組試件的滲透系數(shù)明顯小于其他各組試件，說(shuō)明纖維混摻在降低混凝土滲透系數(shù)方面的作用和效果要好于纖維單摻。因此，在輸水渠道襯砌施工過(guò)程中，建議采用混摻纖維混凝土，以提升襯砌自身的抗?jié)B性能。

4 結(jié)論

鑒于優(yōu)異的抗?jié)B和抗裂性能，纖維混凝土得到日益廣泛的應(yīng)用，但是微裂縫仍舊是不可避免的問(wèn)題，因此，研究開(kāi)裂纖維混凝土的滲透性具有重要的理論和工程價(jià)值。此次研究以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法對(duì)不同類型、不同摻量的開(kāi)裂纖維混凝土的滲透系數(shù)進(jìn)行研究，獲得的主要結(jié)論如下：

表3 滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

1）單獨(dú)摻加聚丙烯纖維或鋼纖維可以有效降低開(kāi)裂混凝土的滲透系數(shù)，且摻加量越大，效果越明顯。兩者相比，摻加聚丙烯纖維的抗?jié)B效果更佳。

2）兩種纖維混摻在降低混凝土滲透系數(shù)方面的作用和效果要好于纖維單摻。因此，在輸水渠道襯砌施工過(guò)程中，建議采用混摻纖維混凝土，以提升襯砌本身的抗?jié)B性能。