泡沫輕質混凝土在寒區渠道中防凍脹的應用研究

劉秀軍

(新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司,烏魯木齊 830000)

我國北方大部分地區都是季節性凍土區,由于受凍融影響,混凝土襯砌渠道普遍存在冬季凍脹現象,輸水項目均會遇到特別嚴重的凍害,同時,還會對渠道的正常運轉和耐久性造成嚴重影響[1]。工程就算沒有被徹底破壞,修復起來也需要大量的人力物力。目前,我國北方灌區渠道凍脹防治方法主要以增強襯砌構造的強度與耐久性為重點,將保溫板布置在襯砌構造下方,并對渠基土進行固化與換填等處理,但在新材料的研究與應用方面還較為欠缺?；诖?本文探索泡沫輕質混凝土在渠道防凍脹方面的工程價值,具有重要的意義[2]。

1 渠道凍害機理

襯砌體下土體凍脹是引起渠道凍害的重要因素,由于土體凍脹具有多向性,只有當土體凍脹在橫向上達到平衡時,才會出現縱向向上的現象。根據研究土顆粒移動的熱篩效果和對流遷移原理可知,在寒冷地區,由于溫度年周期起伏,表層土壤發生了多次凍融,造成土體坡面重塑。這種重塑情況主要表現在三個方面:(1)因水分遷移產生分凝冰現象,導致土體凍脹;(2)溶質遷移隨著水分遷移而出現,誘發土體中產生高濃度帶,造成土體中形成中融弱層;(3)土顆粒受內外應力影響發生移動,從而使冷生剖面發生改變,引起土體屬性變化和產生一些不利的物理條件[3]。

土壤是一種多孔、多相的松散介質,由礦物顆粒、有機質、孔隙水與氣體等組成,孔隙之間的分布和結合往往是雜亂無章的,即隨機的。凍結效應將外力作用于土層引起土體凍脹,因為水密度是l t/m3,冰密度是0.92 t/m3,土內水分結冰后,會增加9%的體積,從而形成凍脹力將土顆粒推開[4]。游離水在土體孔隙內不受土粒電分子引力約束,易于結冰,由于結合水(又叫薄膜水、吸著水)在孔隙水內被很大的土粒電分子引力約束,故很難結冰。土粒愈小,電分子引力約束愈大,結冰愈遲緩,所以在土體結冰時,先結冰的是大孔隙內的游離水,使土內的大土粒先上升,然后小孔隙內的水被凍住讓大顆粒繼續上升,導致土顆粒在凍結期間豎向出現移動,這就是熱篩效應。并且,在土體凍結期間,會產生水分移往冷鋒面的情況,在水流轉移速度到達某一值時細小土粒會出現遷移,叫做對流遷移。另外,凍結力會改變土顆粒和孔隙在空間分布及結合,使其從原本的雜亂(隨機)變成有秩序,土密度降低,導致土體抗剪強度參數對應減小,對渠道岸坡的穩固造成影響[2]。

結冰邊緣厚度隨著結冰持續時間的改變而改變,分凝冰層的水都是從結冰邊緣未結冰地區獲得。在非構造關聯位置,分凝冰層地點最容易產生,冷鋒面降溫分凝冰層也隨之降溫,通常在結冰過程中會形成多個分凝冰層。在有構造關聯系統中,按水分遷移規律與凍土內冰水平衡規律:(1)在非凍結水勢梯度作用下,未凍結水不斷從高溫區向低溫區遷移;(2)由于冰層系統中不同位置的溫度不同,使得這個位置沒有與該溫度相對應的冰層含水量,為了把沒凍結的水用冰的形態移動到這一位置,體積會變大,當變大的體積被限制時就會產生膨脹力。當剪應力比原料抗剪強度高時,將產生剪切損壞,并在該部位形成分凝冰層,這就是土內分凝冰層與土層凍脹的構成原理。

2 泡沫輕質混凝土

2.1 材料特性與工程價值

泡沫輕質混凝土是一種人造的新式原料,它的重要特性是:因為泡沫輕質混凝土內含有許多細小氣泡群,所以它的容重要比一般的土體小得多,而且還可以通過設計不同成分的配合比,將其強度調整到0.5～5.0 MPa;由于泡沫輕質混凝土內以水泥為固化劑,故可于操作后5 h完成固化,且不影響后續工序的施工作業;泡沫輕質混凝土是一種比一般高分子原料隔熱性與耐久性更好的水泥類原料。泡沫輕質混凝土在特定厚時能達到較好的保溫效果。目前,雖然泡沫輕質混凝土主要用于公路的路基施工,但如果將其用于襯砌構造下方作保溫層,則將具有極大的優勢。

(1)泡沫輕質混凝土中具有40%～60%的氣泡體積含量,其隔熱功能優異,用于渠道施工時可獲得良好的保溫效果,可有效抑制渠道襯砌構造的凍脹破壞;

(2)泡沫輕質混凝土的原料強度遠高于聚苯乙烯保溫板,其耐久性也更好,用于修建渠道時,可提高襯砌構造與基土的完整性,對提高渠道項目的耐久性十分有利;

(3)泡沫輕質混凝土工程造價低廉、施工簡單,造價大概只有聚苯乙烯保溫板的一半。

2.2 制備工藝

泡沫輕質混凝土配制所需的重要材料包括水泥、發泡劑及水。采用水泥廠加工的P.O42.5普通硅酸鹽水泥用作實驗水泥,通過樣本的檢測成果表明,其各項性能指標均達到了《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的要求。采用具有80倍稀釋倍數的HY-F80復合型發泡劑用于試驗,其結果為49.5 kg/m3氣泡群密度,1.3 mm的下沉距離,20.2 ml的沁水量,所有指標都符合《泡沫輕質混凝土填筑工程技術規程》(CJJ/T 177-2012)的有關規定。采用項目當地生活水作試驗用水。

利用物理發泡的辦法配制泡沫輕質混凝土。在本次調研中經過對已有技術進行歸納明確詳細的制備工藝流程,詳見圖1。

圖1 泡沫輕質混凝土制備工藝流程

3 現場試驗設計

3.1 試驗段選擇

在試驗過程中,以某灌區節水改造項目編號為2號支渠的樁號CZ1+100～CZ1+150作為測試段。測試段渠道設計采用梯形斷面,邊坡為1.5的坡度,渠底部寬2.0 m,渠深1.5 m,襯砌使用現澆式混凝土,地下水位位于渠底下方0.2 m。

3.2 試驗方法

通過對測試段渠基土的溫度與襯砌構造凍脹量的測試,來檢查泡沫輕質混凝土的防凍脹項目成效。在試驗期間以單點溫度傳感器作為基土溫度的監管檢測手段,總共安裝4組溫度傳感器,分別在渠兩邊、頂端及渠底部各設置1組?？紤]到在冬天,灌區有1.2 m的最大凍結深度,地面之下2.0 m處凍脹受基礎土溫轉變的影響較小,所以,每組溫度傳感器都打2.0 m深的孔,每20 cm安裝1個溫度傳感器于孔中,從上到下共安裝11個。為了避免傳感器位置發生變化,需要將所有溫度傳感器串好穩固后放進PVC管,再放入溫度孔。采用凍脹移動傳感器監測凍脹量。在埋設過程中,首先要將孔鉆至設計深度,再把延長桿插進鉆孔中,將防凍套管安裝于延長桿上,確保延長桿底部密切連接土體,再將原狀土填筑到孔內并進行壓實。

3.3 試驗方案設計

測試段采用6 cm厚的C35現澆混凝土作襯砌構造,用3 cm厚的水泥砂漿在表面進行抹面。將泡沫輕質混凝土保溫層安裝于襯砌構造與渠基土中間,把有關的項目經驗與原料的導熱系數聯合起來,將各種厚度(如15、20、25、30、35 cm等)的泡沫輕質混凝土保溫層的防凍脹效應進行比較研究。為了比較分析,對照計劃使用6 cm厚的聚苯乙烯保溫板計劃。測試段竣工于2022年12月1日并進行測驗,至12月30日完成測驗,測驗以30d為周期。

4 試驗結果與分析

4.1 凍深

根據在測驗中得到的溫度垂直分布資料,整理得到典型時間段的最大凍結深度,試驗結果見表1。

表 1 不同試驗方案的最大凍深 m

從表1可知,隨著周圍溫度的漸漸降低,每一組基土最大凍結深都在逐漸增長,但增長速度越來越慢,最后接近平穩。對比泡沫輕質混凝土各種厚度的試驗方案數據,在同一測試時間段,出現基土最大凍結深度隨泡沫輕質混凝土保溫層厚的加大而逐漸縮小的特點,但是變動速度也漸漸降低。這表明泡沫輕質混凝土保溫層厚的加大能使冬天渠基土的最大凍結深有效降低,有利于防凍脹設計。然而,隨著泡沫輕質混凝土保溫層厚度不斷增加,以上項目效應會越來越差,對于厚度為25 cm以下的泡沫輕質混凝土保溫層,隨層厚度的加大渠道地基土的最大凍結深度明顯減小;厚度為30 cm以上的泡沫輕質混凝土保溫層,增長厚度對渠道基土最大凍結深度無明顯減小。由此可以看出,它的最大凍結深測試成果在25 cm厚與30 cm厚的泡沫輕質混凝土保溫層方案間。因此可知,泡沫輕質混凝土保溫層選擇25～30 cm厚時,可以達到與6 cm厚聚苯乙烯保溫板相同的效果。

4.2 凍脹量

歸整測試期間凍脹量測試資料,得到襯砌構造在典型時間段的最大凍脹量,見表2。

表 2 不同試驗方案的最大凍脹量

從表2中可以看出,隨著測試的開展,渠道襯砌構造的凍脹量呈現出先降低再增加并漸漸接近平穩的特征,這是由于完成施工后基土具有適當的下沉變形,而后凍脹變形逐漸出現。通過對泡沫輕質混凝土各種厚度方案的凍脹量測驗結果,發現在同一測驗時間段,出現基土最大凍結深度隨泡沫輕質混凝土保溫層厚度的加大而逐漸縮小的特點,并且變動速度漸漸降低。因此可知,冬天渠基土的最大凍脹量可通過泡沫輕質混凝土保溫層厚度的增加而得到有效降低,不過隨著泡沫輕質混凝土保溫層厚度的增加,抑制作用會越來越弱。厚度在25 cm以下的泡沫輕質混凝土保溫層,凍脹量的抑制作用比較顯著;厚度在30 cm以上的泡沫輕質混凝土保溫層,凍脹量的抑制作用不佳。從比較方案可知,它的最大凍結深度測試成果在25 cm厚與30 cm厚的泡沫輕質混凝土保溫層方案間。因此可知,泡沫輕質混凝土保溫層選25～30 cm厚時能達到和6 cm厚度的聚苯乙烯保溫板同樣的功效。

5 結論

經過研究嚴寒地區渠道防凍脹方面泡沫輕質混凝土的運用,能夠推斷出:渠道基土的最大凍結深度與最大凍脹量隨泡沫輕質混凝土保溫層厚度的加大而逐漸降低,不過當厚度達到30 cm以上后下降程度就非常小了;泡沫輕質混凝土保溫層在25～30 cm厚度時與厚度為6 cm的聚苯乙烯保溫板具有同樣的防凍脹效果。泡沫輕質混凝土具有隔熱作用好、強度和價錢優勢,可用于高寒地區渠道防凍脹設計施工。