輕骨料混凝土在寒區(qū)渠道襯砌中的應(yīng)用

董 偉,申向東,郭克貞,田德龍,俞婷婷,何 靜

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018; 2.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

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輕骨料混凝土在寒區(qū)渠道襯砌中的應(yīng)用

董 偉1,申向東1,郭克貞2,田德龍2,俞婷婷1,何 靜1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018; 2.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

摘要:為研究浮石輕骨料混凝土作為渠道襯砌材料的可行性,采用天然浮石、砂、水泥、水以及工業(yè)廢料粉煤灰制作浮石輕骨料混凝土渠道襯砌板,與無襯砌渠道及普通混凝土襯砌渠道進行渠床基土溫度的比較;同時,利用圖像處理軟件對比分析普通混凝土截面與浮石輕骨料混凝土截面的形貌特征。結(jié)果表明:浮石輕骨料混凝土襯砌可以有效減緩基土與外界的熱交換速度,使基土在整個凍結(jié)期溫度變化緩慢,基土凍結(jié)延遲或不發(fā)生凍結(jié);在引氣劑用量相同的情況下,浮石輕骨料混凝土可見封閉孔的數(shù)量在整個截面所占面積比例遠(yuǎn)大于普通骨料混凝土。

關(guān)鍵詞:浮石;輕骨料混凝土;普通混凝土;渠道;襯砌

我國農(nóng)業(yè)灌溉用水量比例已從20世紀(jì)70年代的80%左右降到目前的60%左右,且仍有下降趨勢,其主要原因之一是渠系水利用率比較低。渠道襯砌防滲是減少渠道輸水損失的有效途徑,渠道襯砌的材料主要包括剛性襯砌、膜料襯砌、土料襯砌等。在眾多襯砌形式中,又以剛性襯砌(尤其是混凝土渠道襯砌)占主導(dǎo)地位。我國北方大部分地區(qū)屬于季節(jié)性凍土地區(qū),冬季氣溫低,由于設(shè)計、施工、管理、維護等方面的因素,部分渠道出現(xiàn)裂縫、錯位、滑塌、鼓起、剝落等各種凍脹破壞現(xiàn)象[1-4]。這些普遍存在的凍害現(xiàn)象嚴(yán)重影響渠道的正常供水,如何防治這些渠道的凍脹破壞成為一個亟待解決的工程問題。

浮石是一種無機非金屬材料,其特點是質(zhì)輕易碎、硬度適中、吸水率大、保溫隔熱性能好、強度高、耐酸堿、耐腐蝕,且無污染、無放射性等,是理想的天然、綠色、環(huán)保材料[5-6]。浮石輕骨料混凝土是由浮石、砂、摻合料、水泥和水按一定配合比拌和而成。輕骨料混凝土在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用較為廣泛,美國、挪威、日本等國對于輕骨料混凝土的研究較早,并將其應(yīng)用到橋梁、房屋、公路、鐵路等領(lǐng)域。我國對輕骨料混凝土的研究起步較晚,在20世紀(jì)七八十年代進入快速發(fā)展期,主要應(yīng)用在混凝土墻面板、砌塊、橋梁、房屋及耐火內(nèi)襯中[7-8]。

基于浮石輕骨料混凝土自身特點以及多年室內(nèi)試驗成果,擬將其應(yīng)用到嚴(yán)寒地區(qū)水利渠道襯砌工程中,將浮石輕骨料混凝土與普通骨料混凝土作為渠道襯砌材料,對比研究不同方案下渠底基土(土體深度0～1 000 mm)在整個凍結(jié)期溫度的變化情況,并通過圖像處理軟件分析兩種骨料混凝土截面中骨料與孔的數(shù)量及孔的分布情況,以便為寒區(qū)渠道防滲提供一種新型襯砌材料。

1 原材料與試驗方案

1. 1 試驗原材料

a.水泥:采用蒙西P·O42. 5R水泥,初凝和終凝時間分別為180 min和395 min,28 d抗壓強度為51. 9 MPa,抗折強度為8. 4 MPa,其余性能符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。

b.粉煤灰:采用呼和浩特金橋電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰,主要成分為SiO2和Al2O3。

c.粗骨料:采用內(nèi)蒙古烏蘭察布市生產(chǎn)的天然浮石,堆積密度為710kg/ m3,表觀密度為1330kg/ m3,1 h吸水率為9. 8%,筒壓強度為2. 12 MPa,本試驗采用浮石粒徑為5～20 mm。

d.保溫板:采用內(nèi)蒙古巴彥淖爾市磴口縣民族玻纖制品廠生產(chǎn)的保溫板,表觀密度為20. 9 kg/ m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0. 037 W/ (m·K),其余性能滿足GB/ T 10801. 1—2002《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

e.細(xì)骨料:Ⅱ區(qū)中砂的細(xì)度模數(shù)為2. 87,堆積密度為1650kg/ m3,表觀密度為2620kg/ m3,含泥量為2. 1%,含水率為2. 2%。

f.減水劑:采用UFN-5型高效減水劑,以β-萘酸鈉甲醛高縮聚物為主要成分。

g.引氣劑:采用MKL-CRⅢ型混凝土引氣劑,以非離子型樹脂表面活性劑為主要成分。

h.水:普通自來水。

1. 2 試驗方案及配合比

試驗在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市河套灌區(qū)農(nóng)渠上進行。試驗包括3個處理方案:方案1為裸渠(無襯砌);方案2為普通骨料混凝土渠道襯砌(在已有襯砌渠道上進行試驗);方案3為浮石輕骨料混凝土渠道襯砌,襯砌斷面結(jié)構(gòu)形式見圖1。坡板兩側(cè)及底板下部分別埋置不同深度的溫度傳感器,地溫線布置如圖2所示。試驗所用混凝土配合比及其相關(guān)指標(biāo)見表1。

表1 不同骨料混凝土配合比及其相關(guān)指標(biāo)

圖1 渠道襯砌斷面

圖2 地溫線布置示意圖(單位:mm)

2 試驗結(jié)果及分析

2. 1 渠底基土溫度變化及特征

圖3為3種方案下不同深度(0～1 000 mm)基土溫度在整個凍結(jié)期的變化規(guī)律。圖3表明:不同深度的地溫變化幅度均為方案3＞方案2＞方案1,基土表層(0～500 mm)受氣溫變化影響較大,尤其是陽面受陽光的直射作用,變幅較明顯;中下層(500～1000 mm)受氣溫變化影響較小,變化平緩。12月到2月上旬各層間基土地溫逐漸降低至最低,2月上旬進入融化期,各層基土地溫隨時間逐漸升高。由圖3(a)(b)(c)可知:3種方案渠床基土溫度變化規(guī)律類似,即地溫在凍結(jié)期內(nèi)呈拋物線變化。方案3中500～1 000 mm基土在整個凍結(jié)期間都沒有出現(xiàn)負(fù)溫,方案2和方案1中500 mm基土1月都出現(xiàn)負(fù)溫,方案1發(fā)生在1月中旬,方案2發(fā)生在1月下旬。這主要是由于混凝土板及保溫板的隔熱作用有效地減緩了基土與外界的熱交換速度,使基土在整個凍結(jié)期溫度變化緩慢,基土凍結(jié)延遲或不發(fā)生凍結(jié)[11-12]。方案3輕骨料混凝土提升基土溫度的作用最為顯著,最低溫度為-0. 8℃,而方案2和方案1的最低溫度分別為-3. 3℃和-3. 9℃,方案3比方案1與方案2分別提高了2. 5℃和3. 1℃。

圖3 3種方案0～1000 mm深度渠底基土溫度分布

2. 2 浮石輕骨料混凝土與普通骨料混凝土對比

2. 2. 1 浮石輕骨料與普通骨料混凝土截面比較

將浮石輕骨料混凝土與普通骨料混凝土分別按照上述配合比制作100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,對比浮石輕骨料與普通粗骨料混凝土的形貌特征(圖4和圖5),并應(yīng)用圖像處理軟件Photoshop進行定量化對比。

圖4 浮石輕骨料混凝土截面

圖5 普通骨料混凝土截面

用Photoshop的魔棒和羽化半徑工具測量整個截面骨料及水泥基材料表面可知封閉孔在整個截面所占面積,測量結(jié)果如表2、表3所示。

表2 不同骨料混凝土粗骨料測量結(jié)果　PPI__

表3 不同粗骨料混凝土可見孔測量結(jié)果　PPI

由表2可知:普通骨料與浮石的面積分別占總面積的38. 37%、39. 66%,與配合比計算中粗骨料所占體積大致相同。表3對比了兩種骨料混凝土可見孔的數(shù)量及大小,結(jié)果表明:普通骨料混凝土與浮石輕骨料混凝土砂漿基體中可見封閉孔的數(shù)量分別為103個和136個(分別占總面積的2. 22%和3. 28%)。形成這種現(xiàn)象的主要原因與浮石輕骨料的吸水特性有關(guān),本試驗采用未預(yù)濕輕骨料,在拌和過程中,有大量的水分被浮石吸收。水泥水化過程中固體體積增加,當(dāng)水泥石的初始結(jié)構(gòu)形成之后,浮石所吸收的水分通過毛細(xì)管傳輸,促進了水泥石水化反應(yīng),水泥基材料水化完全后砂漿中形成了分布均勻的孔隙(圖4(c))。普通骨料混凝土中為混凝土提供二次反應(yīng)的水存在于水泥石當(dāng)中,這些水可能形成較大的水滴,水泥石凝結(jié)硬化后形成較大的孔洞(圖5(c))[13]。輕骨料混凝土中可見孔的數(shù)量及所占截面面積的比例均大于普通骨料混凝土。文獻[14]通過浮石替代不同比例的普通粗骨料,研究100次凍融循環(huán)作用下質(zhì)量損失率、強度損失率及相對動彈性模量的變化規(guī)律,結(jié)果表明:質(zhì)量損失率、強度損失率隨著浮石替代率的增大而減小,相對動彈性模量隨著浮石替代率的增大而增大。其宏觀表現(xiàn)為:浮石輕骨料混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通骨料混凝土,由此預(yù)測輕骨料混凝土作為渠道襯砌材料具有更好的服役壽命。

2. 2. 2 浮石骨料與普通骨料混凝土性能比較

通過國內(nèi)外文獻及室內(nèi)長期試驗結(jié)果[5-6,14-17]對比浮石石輕骨料混凝土與普通骨料混凝土的特性:

a.經(jīng)濟效益:普通石料價格為60～75元/ m3,浮石輕骨料價格為30～35元/ m3。由以上分析可知,粗骨料在混凝土中用量大致相同,因而在其他材料用量相同的情況下,將浮石作為粗骨料可降低10%～20%的成本。

b.變形協(xié)調(diào)作用:普通骨料中石子與砂漿的彈性模量相差懸殊,變形協(xié)調(diào)能力差;輕骨料內(nèi)部有很多大小、形狀不一的孔洞,與砂漿之間的彈性模量相差較小,因此收縮和徐變較大,其值約為普通混凝土的1～1. 5倍,極限變形大于普通混凝土?；炷羶鋈谶^程中,浮石輕骨料與砂漿之間有較好的變形協(xié)調(diào)能力,二者作為一個整體共同抵抗凍融時產(chǎn)生的拉壓變形。

c.耐久性:骨料與砂漿的界面過渡區(qū)是影響混凝土抗凍耐久性的主要因素之一,由圖4、圖5可以看出,浮石輕骨料-漿體界面比普通石子-漿體界面區(qū)黏結(jié)更為牢固:一是因為浮石裸露的比表面積大于普通骨料;二是因為浮石孔本身具有吸水和供水的“微泵”作用,浮石被砂漿包裹,提高了密實度,從而使得混凝土結(jié)構(gòu)具備了較好的抗?jié)B性能。同時,混凝土凍脹時,浮石內(nèi)、外部孔隙對水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹變形起緩沖作用,提高了混凝土的抗凍性能,從而進一步提高了混凝土渠道襯砌板的服役壽命。

d.導(dǎo)熱系數(shù):輕骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)一般比普通混凝土低1/2～1/3,因為浮石混凝土結(jié)構(gòu)是一種非勻質(zhì)多孔結(jié)構(gòu),浮石內(nèi)部大量孔隙使得混凝土的熱阻值增大,在低溫作用下,溫度由表到里的傳輸速度大大減緩,從而提升了材料的保溫隔熱作用,降低了渠道基土的凍結(jié)深度,減小了渠道基土的凍脹力與凍脹變形。

3 結(jié) 語

我國北方地區(qū)渠道防滲襯砌材料以普通骨料混凝土為主,但這種襯砌形式會消耗大量的水泥和砂石材料,既不經(jīng)濟又不環(huán)保,在季節(jié)性凍土地區(qū)混凝土襯砌渠道的凍脹破壞已經(jīng)嚴(yán)重影響渠道的運行能力,清理和翻修又消耗大量的人力、物力、財力。所以,環(huán)境友好型渠道襯砌新材料成為渠道襯砌材料的一個發(fā)展方向。浮石輕骨料混凝土作為一種新型材料,具有經(jīng)濟效益好、自重小、抗凍耐久性好、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點。通過浮石輕骨料混凝土與普通骨料混凝土渠道襯砌的對比,發(fā)現(xiàn)浮石混凝土可以顯著提高渠床基土溫度,渠床基土延遲凍結(jié)或不發(fā)生凍結(jié),從而緩解了基土的凍脹變形,減小了襯砌板與基土之間的位移。浮石輕骨料混凝土作為一種新型環(huán)保襯砌新材料,將會在渠道、護坡、護岸等水利工程中得到更大的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。

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Application of lightweight aggregate concrete to canal lining in cold regions

/ / DONG Wei1, SHEN Xiangdong1, GUO Kezhen2, TIAN Delong2, YU Tingting1, HE Jing1(1. College of Water Conserυancy and Ciυil Engineering, Inner Mongolia Agricultural Uniυersity, Hohhot 010018, China; 2. Institute of Water Resources for Pastoral Areas, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Hohhot 010020, China)

Abstract:In order to investigate the feasibility of using pumice lightweight aggregate concrete as channel lining material, a canal lining board of pumice lightweight aggregate concrete was produced using natural pumice, sand, cement, water, and industrial waste fly ash. The foundation soil temperatures of an unlined canal, a normal concrete-lined canal, and a pumice lightweight aggregate concrete-lined canal were compared. Meanwhile, the morphology characteristics of the normal concrete cross-section and the pumice lightweight aggregate concrete cross-section were compared using image-processing software. The results indicate that the pumice lightweight aggregate concrete lining can effectively slow down the rate of heat exchange between the foundation soil and surrounding environment, inducing that the foundation soil temperature changes slowly throughout the freezing period and foundation soil congelation delays or does not occur. The proportion of the area of visible closed holes of pumice lightweight aggregate concrete to the whole cross-section area is far greater than that of normal concrete in the case of the same amount of air-entraining agent.

Key words:pumice; lightweight aggregate concrete; normal concrete; canal; lining

(收稿日期:2015 01- 08 編輯:駱超)

通信作者:申向東(1955—),男,教授,主要從事結(jié)構(gòu)工程與環(huán)境力學(xué)研究。E-mail: ndsxd@163. com

作者簡介:董偉(1987—),男,博士研究生,主要從事水工新材料研究。E-mail: dw617@126. com

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51569021);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20121515110002);內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科技計劃應(yīng)用與研究開發(fā)項目(20130425)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 014

中圖分類號:TV431+. 9

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1006- 7647(2016)02- 0074- 05