渠道襯砌混凝土抗凍蝕施工工藝研究

金　游,張振宇

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，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

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北省宜昌市443002)

摘要：以南水北調中線工程京石段為依托，針對渠道襯砌現澆混凝土存在混凝土質量控制難、受凍脹、凍融破壞嚴重等問題，研究了施工工藝對渠道襯砌混凝土抗凍蝕性能的影響。通過研究振搗方式、抹面方式及養護方法對混凝土抗凍蝕性能的影響、成型混凝土大板進行快速凍融試驗、定期觀察混凝土大板表面情況、記錄混凝土大板受破壞時的凍融次數，最終優選出了抗凍蝕效果好的施工工藝。關鍵詞：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，而在明渠渠道結構中，又廣泛采用了混凝土襯砌方式。混凝土襯砌主要存在混凝土質量控制難、受凍脹、凍融破壞嚴重等問題。尤其是渠道底面混凝土過水后，極易吸水飽和，遇干冷冬季，溫度變化，受凍融破壞，常常出現表面剝落，起皮起粉現象。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，縮短了渠道運行壽命。

在國外發達國家，近年來多采用“抵抗”凍脹的技術措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，如日本現在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料復合形式，美國、俄羅斯則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。國內研究渠道襯砌混凝土抗凍問題主要集中在斷面結構形式的改進、土壤固化及改良、新材料的研究及應用等方面。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用[4]；UF500纖維素纖維混凝土在南水北調工程中的應用[5]等等。從施工工藝的角度來研究渠道襯砌混凝土抗凍蝕技術，資料報道較少，尚沒見系統研究。

本文以南水北調中線工程為依托，擬通過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渠道襯砌工程的經濟、可行、可靠的施工工藝，為寒冷地區渠道襯砌工程施工提供技術指導，并為工程質量提供可靠保證。

1原材料及試驗方法

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的鼎鑫牌P·O42.5水泥，初凝時間136 min，終凝時間238 min，其它指標均滿足規范要求[6]。粉煤灰采用原工程使用過的河北衡水發電廠粉煤灰，細度為14.2%，燒失量為3.30%，需水量比為100%，滿足Ⅱ級灰的要求。

(2) 骨料

采用中易水料場天然砂以及東壘子料場生產的(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,其余所檢項目均滿足標準要求[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的ADD-3型粉狀緩凝高效減水劑，摻量為1.0%時減水率為15.5%。引氣劑采用北京科寧混凝土外加劑有限公司生產的ADD-15型粉狀引氣劑，摻量為0.005%時含氣量5.2%。

1.2配合比

配合比相關參數見表1。

表1　工藝試驗用配合比表

1.3試驗方法

(1) 試件成型

為了更好地觀察混凝土表面情況，同時考慮開展抗凍試驗的可行性，室內試驗成型400 mm×200 mm×80 mm混凝土板進行凍融試驗。

(2) 快速凍融試驗

快速凍融試驗按DL/T5150《水工混凝土試驗規程 》開展試驗[8]，不同的是25次凍融循環后對試件檢測第1次，觀察表面情況并做外觀描述，稱重和測定自振頻率，以后每做5次凍融循環對試件檢查1次，觀察混凝土板表面情況并做外觀描述拍照；每25次凍融循環除觀察表面情況并拍照外，稱重和測定自振頻率。

2施工工藝選定

施工工藝通常主要包括振搗、抹面及養護。本文試驗振搗工藝選取過振工藝、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；養護工藝選取碘鎢燈直接照射、碘鎢燈麻袋灑水養護和真空吸水工藝。采用單因素變化的試驗方法，分別選取上述工藝的一種與標準施工工藝進行組合，具體見表2所示。

表2　施工工藝方案及試驗組數表

3結果與討論

根據抗凍等級及相對動彈性模量由大到小進行排序，并提供相應抗凍等級的質量損失率。具體試驗結果見表3、圖1、2、3所示。

表3　各種工藝試件抗凍等級表

立即抹面工藝是所有施工工藝中起皮最早最嚴重的工藝。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，相對動彈性模量損失較大，混凝土密實度最差，且質量損失較大，說明采用該工藝的試件內外部混凝土質量均差。收光過早并不容易將表面抹光，還會在表面留下很多缺陷，在經歷凍融循環后，表面很快就被破壞，析水產生較多滲水通道，還會導致混凝土密實度及抗凍融能力均較差。

圖1　相對動彈模與凍融次數關系圖

圖2　質量損失百分率與凍融次數關系圖

圖3　凍融循環175次后試件表面情況圖

灑水抹面工藝也是起皮較早較嚴重的工藝。試件在25次就出現起皮，且為局部片狀起皮。抗凍等級居中，質量損失較大。灑水抹面是在初凝前2 h抹面時人為的在表面灑水，由于其抹面時間正常，且經過振搗提漿抹面，因此相對動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度，導致混凝土在經歷凍融循環后較早起皮。

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，未出現完全脫皮，但動彈性模量損失較大，125次凍融循環后已經不合格，相對動彈性模量為54.93%，抗凍等級最低。分析原因為由于碘鎢燈直接照射混凝土表面，試件表面和底面溫差較大，試件內部強度發展不均勻，產生較大的內應力，導致混凝土抗凍融能力變差，動彈性模量下降。混凝土早期處于干燥狀態且沒有采取適當的養護措施會導致混凝土在經歷凍融后較早起皮，還會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踐中。

過振工藝起皮較早，整體起皮也較早，開始出現質量損失也較早，混凝土表面質量一般，抗凍等級居中。過振容易引起離析、泌水，對混凝土表面質量產生影響；也可導致混凝土實際含氣量偏小，對混凝土抗凍融能力有產生影響。因此，在工程實踐中應避免局部過振，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，質量損失居中，相對動彈性模量損失較大。由于混凝土收面過晚，對已形成的混凝土結構產生擾動，導致混凝土抗凍融能力較差。因此，在工程實踐中，抹面過晚對混凝土抗凍能力會產生一定不利影響，應該引起重視，不能因為任何原因過晚抹面。

標準工藝與以上工藝一樣，開始起皮較早，但整體起皮的時間較晚，質量損失較小，抗凍融能力較好。可見，規范中制定的振搗、抹面及養護工藝具有較強的指導意義，施工單位應嚴格按規范施工，避免出現過早或過晚抹面、灑水抹面、過振及干燥養護等不規范操作。但是標準工藝無論在抗凍等級，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于標準工藝，表面抗凍蝕效果上二次振搗工藝及灑水撒灰優于標準工藝。

碘鎢燈麻袋灑水養護工藝延緩了試件開始起皮的時間，65次凍融循環后才出現邊緣少量點狀起皮，整體起皮的時間與標準工藝差不多。凍融100次時試件開始有質量損失，且質量損失較小，抗凍等級較高，說明采用該工藝的試件內外部混凝土質量均較好。由于碘鎢燈照射麻袋，使得通過麻袋的養護水溫度升高，相當于對混凝土進行加熱養護，加快了混凝土早期強度發展，又因灑水養護，使混凝土表面一直保濕，避免了因收縮產生裂紋。因此，該工藝的實質是加溫保濕養護，可推薦作為一種抗凍施工養護工藝應用于工程實踐。

灑水撒灰工藝室內控制得當，取得了很好的抗凍效果。65次凍融循環后才出現少量點狀起皮，整個實驗過程未出現整體脫皮。但從175次凍融后表面情況來看，灑水撒灰工藝試件最終的破壞形式為脫殼。這種破壞現象說明了該工藝表面涂撒的水泥漿形成了一個整體的保護層，對于防止凍融起皮起了關鍵作用，水泥漿與混凝土表面的粘結程度直接決定混凝土表面脫殼破壞的時間，當界面連接處受凍融破壞，表面就會出現脫殼。但考慮到灑水撒灰工藝是不規范的操作，現場施工面積較大時灑灰量及抹面難以控制，實際工程中也不乏操作不當導致脫殼的實例。因此，不推薦作為抗凍蝕施工工藝用于工程實踐。

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次凍融循環后就出現了表面麻點，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次質量損失仍為0，說明混凝土表面質量較好。由于二次振搗也可能導致混凝土實際含氣量偏小，對混凝土抗凍融能力產生影響，凍融175次時相對動彈模勉強達到60%，混凝土抗凍等級達到F175。可見，與其他工藝相比，該工藝的試件內外部混凝土質量均較好。二次振搗工藝在施工中容易操作，簡單方便，抗凍效果良好，可推薦作為一種施工抗凍蝕工藝應用于工程實踐中。

真空吸水工藝作為一種特殊工藝，研究發現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，說明混凝土密實度最好，抗凍等級在所有試件中最高。分析由于真空吸水工藝將混凝土中多余水分吸走，混凝土實際水膠比變小，混凝土密實度增加，強度提高，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題上未能取得較好的效果，35次出現表面麻點，105次整體起皮，而從質量損失率上來看，是所有工藝里最小的，可知盡管表面起皮，但仍存在很多漿體。整體起皮較早可能由于抹面收光過早導致的，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養，較早的抹面對表面質量產生了一定的影響，但對側面和底面不會產生影響。因為真空吸水工藝試件的底面和側面在經歷了200次凍融循環后破壞很小，試件底面中間大面積氣孔在試件拆模后就已經產生，在經歷了200次凍融后未出現變化，只有邊緣出現少量起粉現象。真空吸水工藝抗凍融能力最好，可用于輔助其他工藝或對抹面時間進一步的控制，有望取得較好的抗凍效果，解決表面起皮問題。

4結語

通過上述研究，得到如下結論：

(1) 抹面時機對混凝土表面抗凍性能影響較大。振搗完過早或過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護能提高混凝土抗凍性能；

(3) 真空吸水工藝能提高混凝土內部抗凍性能；

(4) 灑水抹面工藝、過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。

考慮施工工藝對抗凍性能的影響及施工的可操作性，推薦寒冷地區渠道襯砌混凝土施工優化工藝為：真空吸水工藝+二次振搗工藝+標準抹面工藝+加溫保濕工藝。

參考文獻:

[1]魏束強,趙彥波.混凝土襯砌渠道凍害原因分析及預防措施[J].水科學與工程技術,2009(05):79-80.

[2]羅輝,曲卓杰,張晶.大型渠道設計與施工新技術研究綜述[J].南水北調與水利科技,2009(06):50-53.

[3]曹宏亮.淺談混凝土抗凍理論及控制措施[J].山西建筑,2010(24):171-172.

[4]那文杰,張揚,李國忠.寒冷地區渠道混凝土襯砌防凍害的幾個問題[J].黑龍江水專學報,2001(09):83-84.

[5]中華人民共和國水利部.渠道防滲工程技術規范：SLl8-2004[S].北京:中國水利水電出版社,2004.

[6]中華人民共和國水利部.渠系工程抗凍脹設計規范：SL23-2006[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[7]中華人民共和國國家貿易委員會.水工混凝土施工規范：DL/T5144-2001[S].北京：中國電力出版社,2002.

[8]中華人民共和國國家貿易委員會.水工混凝土試驗規程：DL/T5150-2001[S].北京：中國電力出版社,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：1006—2610(2016)03—0037—04

收稿日期：2015-10-11

作者簡介：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工作.

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.010