季凍區高含水率土壤渠道襯砌凍脹試驗研究

古麗蘇瑪依·阿不都薩塔爾

(新疆水利水電勘測設計研究院檢測試驗研究中心，新疆 昌吉 831100)

北方大部分地區均處于季節性凍土地區，許多地區渠道均會發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，渠道襯砌混凝土在凍融循環作用下發生凍脹破壞的概率更高，造成渠道水利用效率低下，維修費用大大增加，因此有必要對渠道襯砌混凝土的抗凍脹性能進行改良[1- 8]。0#膠晶是一種有機高分子添加劑，具有高早強性、自流性、低收縮性、抗離析性以及低溫施工性等多種特點[9]，對于渠道襯砌混凝土的抗凍脹有一定的改善作用，但是目前關于該材料應用到渠道襯砌混凝土的研究還比較鮮見。

新疆地區整體上為缺水地區，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11.3km，渠基土含水率達到22%，邊坡坡度為1∶2.25，設計水深6m，渠道邊坡和渠底均采用C20W6F150混凝土進行襯砌，襯砌厚度均為15cm。為提升渠道襯砌混凝土抗凍脹性能，對其摻入0#膠晶進行改良，并與設計混凝土進行對比，以期能為類似渠道工程設計施工和維護提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗原材料包括P.O42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級粉煤灰，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(有機高分子添加劑)，現場地下水。

1.2 試驗方案

試驗共分為兩組：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 試驗方法

試驗分為兩個部分：一是在室內進行試驗，主要針對兩種配合比渠道襯砌混凝土進行流動性、含氣量、抗壓強度、抗折強度、抗凍性、抗滲性以及微觀試驗，對比兩種混凝土的基本物理力學性質；二是進行現場原型試驗，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行監測，對比防凍脹效果。

2 室內試驗結果

2.1 流動性和含氣量

流動性是混凝土配合比比較重要的一個指標，而含氣量對于混凝土耐久性有重要影響。對兩種配合比混凝土的坍落度和含氣量指標進行了測試，結果顯示：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#膠晶對混凝土的流動性有一定程度影響，但并不明顯，對于混凝土內部含氣量則沒有影響。

2.2 強度

對兩種配合比混凝土標準養護28d后的試件進行了強度試驗(每種配合比下均做3次，取3次試驗的平均值作為強度特征值)，結果見表2。從表中可知：摻入0#膠晶對混凝土的強度有一定影響，B組與A組相比，抗壓強度降低約2%，劈裂強度降低約13%，但抗折強度提升約6%，這主要是因為0#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度，但當摻量一定時，對混凝土的抗壓強度有一定影響，但影響程度較小。

表2 強度試驗結果

2.3 耐久性

抗滲性和抗凍性是評價混凝土耐久性的兩個重要指標。在抗滲試驗中，利用逐級加壓法和滲水高度法來評價兩種配合比混凝土的抗滲性；在抗凍性試驗中，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次凍融循環周期。共進行150次凍融循環。

兩種混凝土的耐久性試驗結果見表3。從表中可知：A組、B租均滿足設計要求的W6的抗滲等級要求，且摻入0#膠晶后，抗滲等級可以達到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#膠晶可以起到增強渠道襯砌混凝土抗滲性的效果。經過150次凍融循環后，A組的強度損失率和質量損失率分別為15%和3.9%，B組的強度損失率和質量損失率分別為11%和1.4%，強度損失率和質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 耐久性試驗結果

2.4 孔隙結構

通過壓汞試驗，對兩種配合比下混凝土的孔隙結構進行了統計，結果如圖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構分布特征，提升混凝土的密實性，從而使抗滲性、抗凍性、強度等特性得到提升。這是因為在原混凝土設計方案中，孔隙率較大且呈不連續分布，導致結構整體比較疏松，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分布很多的細小絨毛，空洞為連續的圓形孔隙，形成比較立體的網架結構，因而整體結構更加完整。

圖1 混凝土孔隙結構特征

3 現場原型試驗結果

3.1 孔隙水壓力

現場原型試驗得到的兩種配合比襯砌混凝土渠道在同一時間段內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50%以上；當渠道水位達到設計水位后，B組混凝土中所受的孔隙水壓力波動相對較大，這可能與摻入0#膠晶后混凝土的孔隙結構分布有關。

圖2 孔隙水壓力

3.2 溫度

現場監測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：當渠道水位沒有達到設計水位時，A組和B組的溫度基本相等，當渠道水位達到設計水位后，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，待渠道水位穩定后，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定后變化相對較小，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#膠晶對渠道襯砌混凝土溫度場的影響不大。

圖3 溫度變化特征

3.3 沉降變形

現場監測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。當渠道水位穩定時，襯砌混凝土的襯砌變形也相對穩定；相同時間點，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架結構，因而可以抵御凍脹引起的沉降變形。

圖4 沉降變形規律

3.4 水平應變

現場監測得到的不同配合比襯砌混凝土的水平應變情況如圖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變有增大趨勢，而A組襯砌混凝土的水平應變則有降低趨勢，相同時間點，A組襯砌混凝土的水平應變明顯小于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變，主要是由于摻入0#膠晶后，可以增強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 水平應變規律

4 結語

通過摻入0#膠晶與未摻入0#膠晶的渠道襯砌混凝土室內試驗和現場原型試驗，得出如下結論。

(1)摻入0#膠晶對混凝土流動性和含氣量影響不大，但可以明顯提升混凝土的抗滲性和抗凍性，同時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，同時可以增強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#膠晶對溫度場的影響不大。

(3)文章僅針對0#膠晶在5kg/m3摻量下的抗凍脹性能進行了試驗分析，對于不同0#膠晶摻量下混凝土的抗凍脹性能試驗將在今后進一步補充，以期能為實際工程提供更好的指導。