季凍區(qū)高含水率土壤渠道襯砌凍脹試驗(yàn)研究

古麗蘇瑪依·阿不都薩塔爾

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院檢測(cè)試驗(yàn)研究中心，新疆 昌吉 831100)

北方大部分地區(qū)均處于季節(jié)性凍土地區(qū)，許多地區(qū)渠道均會(huì)發(fā)生不同程度的凍脹損壞，尤其是在渠基土含水率較高的地區(qū)，渠道襯砌混凝土在凍融循環(huán)作用下發(fā)生凍脹破壞的概率更高，造成渠道水利用效率低下，維修費(fèi)用大大增加，因此有必要對(duì)渠道襯砌混凝土的抗凍脹性能進(jìn)行改良[1- 8]。0#膠晶是一種有機(jī)高分子添加劑，具有高早強(qiáng)性、自流性、低收縮性、抗離析性以及低溫施工性等多種特點(diǎn)[9]，對(duì)于渠道襯砌混凝土的抗凍脹有一定的改善作用，但是目前關(guān)于該材料應(yīng)用到渠道襯砌混凝土的研究還比較鮮見。

新疆地區(qū)整體上為缺水地區(qū)，水量分布極度不均，因而需要修建大量的引水渠道工程，本文以某引水渠道工程為例，該渠道工程全長(zhǎng)11.3km，渠基土含水率達(dá)到22%，邊坡坡度為1∶2.25，設(shè)計(jì)水深6m，渠道邊坡和渠底均采用C20W6F150混凝土進(jìn)行襯砌，襯砌厚度均為15cm。為提升渠道襯砌混凝土抗凍脹性能，對(duì)其摻入0#膠晶進(jìn)行改良，并與設(shè)計(jì)混凝土進(jìn)行對(duì)比，以期能為類似渠道工程設(shè)計(jì)施工和維護(hù)提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料包括P.O42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級(jí)粉煤灰，天然河砂(中砂)，碎石粗骨料(粒徑5～20mm)，DH3G型減水劑，DH9型引氣劑，0#膠晶(有機(jī)高分子添加劑)，現(xiàn)場(chǎng)地下水。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分為兩組：一組是不添加0#膠晶(A組)；另外一組為添加0#膠晶(B組)，0#膠晶的摻入量為5kg/m3。具體配合比方案見表1。

表1 渠道襯砌混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為兩個(gè)部分：一是在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，主要針對(duì)兩種配合比渠道襯砌混凝土進(jìn)行流動(dòng)性、含氣量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性以及微觀試驗(yàn)，對(duì)比兩種混凝土的基本物理力學(xué)性質(zhì)；二是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，通過兩種配合比渠道襯砌混凝土的孔隙水壓力、沉降、溫度和位移變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比防凍脹效果。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 流動(dòng)性和含氣量

流動(dòng)性是混凝土配合比比較重要的一個(gè)指標(biāo)，而含氣量對(duì)于混凝土耐久性有重要影響。對(duì)兩種配合比混凝土的坍落度和含氣量指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示：A組的坍落度為58mm，B組的坍落度為60mm，A、B兩組的含氣量均為4.5%，由此可見，摻入0#膠晶對(duì)混凝土的流動(dòng)性有一定程度影響，但并不明顯，對(duì)于混凝土內(nèi)部含氣量則沒有影響。

2.2 強(qiáng)度

對(duì)兩種配合比混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的試件進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)(每種配合比下均做3次，取3次試驗(yàn)的平均值作為強(qiáng)度特征值)，結(jié)果見表2。從表中可知：摻入0#膠晶對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定影響，B組與A組相比，抗壓強(qiáng)度降低約2%，劈裂強(qiáng)度降低約13%，但抗折強(qiáng)度提升約6%，這主要是因?yàn)?#膠晶起到了骨架連接作用，這種效果類似于纖維，可以提升混凝土的抗折強(qiáng)度，但當(dāng)摻量一定時(shí)，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定影響，但影響程度較小。

表2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 耐久性

抗?jié)B性和抗凍性是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的兩個(gè)重要指標(biāo)。在抗?jié)B試驗(yàn)中，利用逐級(jí)加壓法和滲水高度法來評(píng)價(jià)兩種配合比混凝土的抗?jié)B性；在抗凍性試驗(yàn)中，采用快速凍融法，在-18～20℃條件下冷凍2h，然后在20℃室溫條件下融解2h，每4h為1次凍融循環(huán)周期。共進(jìn)行150次凍融循環(huán)。

兩種混凝土的耐久性試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表中可知：A組、B租均滿足設(shè)計(jì)要求的W6的抗?jié)B等級(jí)要求，且摻入0#膠晶后，抗?jié)B等級(jí)可以達(dá)到W8；A組的平均滲水高度為14.3mm，而B組的平均滲水高度為10.5mm，摻入0#膠晶后，滲水高度降低26.6%，說明0#膠晶可以起到增強(qiáng)渠道襯砌混凝土抗?jié)B性的效果。經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，A組的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為15%和3.9%，B組的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為11%和1.4%，強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率相比原混凝土配合比方案下降36%和178%，表明0#膠晶可以提升渠道襯砌混凝土的抗凍性。

表3 耐久性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)

通過壓汞試驗(yàn)，對(duì)兩種配合比下混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。從圖中可知：原混凝土配合比方案(A組)中：<20nm(無害孔)、20～100nm(少害孔)、100～200nm(有害孔)、>200nm(多害孔)的占比分別為14.01%、68.13%、0.98%和16.88%，當(dāng)摻入0#膠晶后，<20nm(無害孔)、20～100nm(少害孔)、100～200nm(有害孔)、>200nm(多害孔)的占比分別為22.23%、64.32%、2.08%和11.37%，摻入0#膠晶，可以降低混凝土中有害孔5.51%占比，同時(shí)無害孔的占比增加了8.22%，表明0#膠晶可以改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布特征，提升混凝土的密實(shí)性，從而使抗?jié)B性、抗凍性、強(qiáng)度等特性得到提升。這是因?yàn)樵谠炷猎O(shè)計(jì)方案中，孔隙率較大且呈不連續(xù)分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體比較疏松，而摻入0#膠晶后，混凝土中無針狀、纖維樁的水化物增多，孔隙率減小，且微小無害空洞周圍會(huì)分布很多的細(xì)小絨毛，空洞為連續(xù)的圓形孔隙，形成比較立體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因而整體結(jié)構(gòu)更加完整。

圖1 混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征

3 現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 孔隙水壓力

現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)得到的兩種配合比襯砌混凝土渠道在同一時(shí)間段內(nèi)的孔隙水壓力變化特征如圖2所示。從圖2中可知：B組襯砌混凝土渠道的孔隙水壓力小于A組，這表明摻入0#膠晶可以明顯降低渠道襯砌混凝土所受的孔隙水壓力，降低幅度可達(dá)50%以上；當(dāng)渠道水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位后，B組混凝土中所受的孔隙水壓力波動(dòng)相對(duì)較大，這可能與摻入0#膠晶后混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)分布有關(guān)。

圖2 孔隙水壓力

3.2 溫度

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的不同配合比襯砌混凝土的溫度變化情況如圖3所示。從圖3中可知：當(dāng)渠道水位沒有達(dá)到設(shè)計(jì)水位時(shí)，A組和B組的溫度基本相等，當(dāng)渠道水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位后，B組的溫度較A組低；隨著渠道水位的上升，B組渠道襯砌混凝土的溫度還有降低趨勢(shì)，待渠道水位穩(wěn)定后，襯砌混凝土的溫度才再次增加，A組襯砌混凝土的溫度在渠道水位穩(wěn)定后變化相對(duì)較小，且最終A組和B組兩種配合比下襯砌混凝土的溫度基本相等，這說明0#膠晶對(duì)渠道襯砌混凝土溫度場(chǎng)的影響不大。

圖3 溫度變化特征

3.3 沉降變形

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的不同配合比襯砌混凝土的沉降變形情況如圖4所示。從圖4中可知：隨著渠道水位的上升，渠道混凝土的沉降變形變化不大。當(dāng)渠道水位穩(wěn)定時(shí)，襯砌混凝土的襯砌變形也相對(duì)穩(wěn)定；相同時(shí)間點(diǎn)，B組的沉降變形明顯小于A組，且渠基處的沉降變形要大于渠道邊坡處的沉降變形，這說明渠道襯砌混凝土沉降受渠道水位的影響較大，但0#膠晶可以使混凝土具備網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因而可以抵御凍脹引起的沉降變形。

圖4 沉降變形規(guī)律

3.4 水平應(yīng)變

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的不同配合比襯砌混凝土的水平應(yīng)變情況如圖5所示。從圖5中可知：隨著渠道水位的上升，B組襯砌混凝土的水平應(yīng)變有增大趨勢(shì)，而A組襯砌混凝土的水平應(yīng)變則有降低趨勢(shì)，相同時(shí)間點(diǎn)，A組襯砌混凝土的水平應(yīng)變明顯小于B組，這說明摻入0#膠晶可以降低沉降變形，但又可以增大水平應(yīng)變，主要是由于摻入0#膠晶后，可以增強(qiáng)混凝土的抗拉性能和塑性變形變形性能，使得混凝土具有較好的柔性變形特性，因而可以承受更大的水平變形。

圖5 水平應(yīng)變規(guī)律

4 結(jié)語

通過摻入0#膠晶與未摻入0#膠晶的渠道襯砌混凝土室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1)摻入0#膠晶對(duì)混凝土流動(dòng)性和含氣量影響不大，但可以明顯提升混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，同時(shí)還可以改善混凝土的孔隙分布情況，使有害孔降低5.51%，無害孔增加8.22%。

(2)摻入0#膠晶可以減小渠道襯砌混凝土所受的孔隙水壓力和沉降變形，同時(shí)可以增強(qiáng)渠道襯砌混凝土的水平柔性變形能力，可提升混凝土的抗凍脹能力，但0#膠晶對(duì)溫度場(chǎng)的影響不大。

(3)文章僅針對(duì)0#膠晶在5kg/m3摻量下的抗凍脹性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對(duì)于不同0#膠晶摻量下混凝土的抗凍脹性能試驗(yàn)將在今后進(jìn)一步補(bǔ)充，以期能為實(shí)際工程提供更好的指導(dǎo)。