排水溝無砂混凝土配合比設(shè)計研究

(遼寧省桓仁縣水務(wù)局水土保持站，遼寧 桓仁 117200)

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，保護和提升耕地質(zhì)量，大力推進中低產(chǎn)田改造，對保證農(nóng)業(yè)的良好發(fā)展具有十分重要的意義和作用。我國沿海地區(qū)的農(nóng)田往往存在地勢低洼、鹽堿度高的現(xiàn)象，對農(nóng)作物的生長十分不利。無砂混凝土襯砌排水溝具有良好的排水效果，可以有效降低上述農(nóng)田的鹽堿危害，對農(nóng)田經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的價值和作用[1]。

1 工程概況

水源灌區(qū)位于遼寧省營口市大石橋市水源鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于典型的濱海水田灌區(qū)。灌區(qū)緊鄰遼河入海通道，水資源比較豐富，灌區(qū)灌溉面積8.5萬畝。由于水源灌區(qū)位于遼河下游濱海鹽堿區(qū)，灌區(qū)土壤鹽堿化情況比較嚴重，是灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要的制約因素。為了提升灌區(qū)的生產(chǎn)水平，營口市和大石橋市兩級政府投入專項資金于2018年實施水源灌區(qū)土地整治項目。該項目涉及土地面積443.24hm2，其中建設(shè)規(guī)模為398.43hm2。為了提高項目區(qū)抗鹽堿化能力，擬建設(shè)無砂混凝土襯砌排水溝21條，總長度約14650m。根據(jù)排水溝原始設(shè)計，其斷面為梯形，田面以下深度1.20m，上口寬2.34m，下底寬0.54m?？紤]到排水溝的透水性要求，其底部和側(cè)面均采用六角形預(yù)制塊鋪設(shè)，中間利用無砂混凝土填充。排水溝每隔10m設(shè)置一道橫向格埂，每隔20m設(shè)置一道伸縮縫。在排水溝的底部設(shè)置厚度為0.18m的無砂混凝土基礎(chǔ)。設(shè)計斷面見圖1。

圖1 無砂混凝土襯砌排水溝斷面設(shè)計示意圖(尺寸單位：cm)

2 無砂混凝土試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗用水泥采用P.O425普通硅酸鹽水泥。之所以選用普通硅酸鹽水泥是由于雙液材料的凝膠時間較短，不會產(chǎn)生嚴重析水現(xiàn)象，同時這種水泥成本較低，具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢[2]。粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的主要作用是替代水泥，以達到減少水泥用量、降低工程成本的目的[3]。粗骨料采用10～20mm石灰?guī)r碎石。水選用普通自來水。

2.2 試驗方法

在混凝土構(gòu)成材料確定之后，配合比就成為影響混凝土質(zhì)量的主要因素。因此，在本次研究中依據(jù)相關(guān)研究成果和實際施工經(jīng)驗，采用正交法進行材料配合比試驗[4]。本次試驗在能夠保證試驗結(jié)果的科學(xué)性與可靠性的基礎(chǔ)上，選用正交法適當精簡試驗次數(shù)以縮短試驗時間。

2.3 試驗方案設(shè)計

根據(jù)相關(guān)文獻，無砂混凝土水灰比一般取0.3，具體比例可依據(jù)混凝土工作性能進行適當調(diào)整[5]。由于本次研究的混凝土需要作為排水溝的襯砌，因此，應(yīng)當加大水灰比的試驗范圍，水灰比取0.30、0.35、0.40和0.45四個不同數(shù)值；灰骨比則選擇0.20、0.24和0.28三個不同數(shù)值，利用正交試驗法獲得試驗方案(見表1)。

表1 試驗方案設(shè)計

2.4 試驗過程

按照表1的24種正交試驗方案，分別制作棱長為150mm的72個無砂混凝土試塊。在試塊制作過程中，需要將混凝土振搗密實。在36h后釋放模具，然后按照標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護28天[6]。由于試樣規(guī)則且具有較大孔隙率，因此，采用體積法測量孔隙率[7]。滲透系數(shù)是對多孔介質(zhì)輸運流體能力進行表征的標量，其在數(shù)值上等于當水力坡度為1時的滲透速度[8]。利用液壓壓力試驗機對試塊的破壞荷載進行測試，并將三個試塊的平均值作為強度的最終試驗值。

2.5 試驗結(jié)果

按照設(shè)計的試驗方案和試驗方法進行試驗，獲得相應(yīng)試驗結(jié)果(見表2)。

表2 無砂混凝土試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 強度結(jié)果分析

相同條件下無砂混凝土的強度要小于普通混凝土。顯然，孔隙率偏大是造成上述結(jié)果的主因。同時，其強度還與水灰比、孔隙率、水泥用量以及骨料粒徑有明顯關(guān)系。通過對表2中試驗結(jié)果的分析可知，無砂混凝土的強度會隨著孔隙率的增大而降低。究其原因，主要是無砂混凝土的有效抵抗面積較小，因此，強度也比普通混凝土小很多；在同一骨料粒徑條件下，抗壓強度會隨著水灰比的增加而增大，并且此因素的影響比較明顯。

3.2 孔隙率分析

無砂混凝土的孔隙率是影響其強度和透水性的重要因素，從表2的試驗結(jié)果來看，孔隙率的影響因素主要有粒徑、水灰比和灰骨比。其中，在水灰比和灰骨比一定的前提下，無砂混凝土的孔隙率會隨著骨料粒徑的增大而增大，究其原因，主要是隨著骨料粒徑的增大，骨料之間的接觸面積會減小，進而造成孔隙率的增大；在同一灰骨比的條件下，無砂混凝土的孔隙率會隨著水灰比的增大而減小，究其原因，主要是水灰比的增大會造成拌和后的混凝土流動性增強；在相同骨料粒徑和水灰比的條件下，無砂混凝土的孔隙率會隨著水灰比的增大而減小，究其原因，主要是水泥使用量的增加會導(dǎo)致混凝土骨料之間的連接更為緊密，因此孔隙率會減?。辉谄渌蛩叵嗤瑫r，無砂混凝土的有效孔隙率會隨著孔隙率的增大而增大，這說明隨著孔隙率的增大，有效孔隙率也會變多，占孔隙率的比例也會相應(yīng)增大。

3.3 滲透系數(shù)分析

從試驗結(jié)果來看，無砂混凝土的滲透系數(shù)主要和孔隙率、水灰比、灰骨比以及骨料粒徑有關(guān)。具體而言，無砂混凝土的滲透系數(shù)會隨著孔隙率的增大而增大，究其原因，主要是孔隙率的增大會使混凝土中的連通孔隙變多和有效孔隙率變大，因此，滲透系數(shù)也會顯著增大。

利用表2中的數(shù)據(jù)，繪制出圖2和圖3的滲透系數(shù)隨水灰比的變化曲線。由圖可知，滲透系數(shù)會隨著水灰比的增大而減小。究其原因，主要是水泥的水化需要消耗水泥質(zhì)量10%～15%左右的水，而在混凝土的拌制過程中，為了保證一定的和易性，往往會加大水灰比，造成試塊下部水泥漿數(shù)量的增加，造成有效孔隙率的減小，進而滲透系數(shù)也明顯減小。此外，無砂混凝土的滲透系數(shù)會隨著灰骨比的增大而減小，會隨著骨料粒徑的增大而增大。

圖2 滲透系數(shù)和水灰比關(guān)系(骨料粒徑10mm)

圖3 滲透系數(shù)和水灰比關(guān)系(骨料粒徑20mm)

4 配合比確定

無砂混凝土中不含有普通混凝土所需要的細骨料，主要依靠粗骨料和水泥漿形成一種蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因此，在混凝土的內(nèi)部存在大量的孔隙。由于上述孔隙的大量存在，一方面會造成混凝土強度的降低，另一方面使混凝土本身具有良好的滲透性。

由此可見，在進行無砂混凝土的配合比設(shè)計過程中，需要對混凝土的強度、透水性以及經(jīng)濟性進行綜合考量。根據(jù)以上分析結(jié)果以及水源灌區(qū)土地整治項目的實施要求，選擇無砂混凝土參數(shù)(見表3)，并將其作為后續(xù)工程設(shè)計的主要標準。

表3 無砂混凝土配合比參數(shù)

5 結(jié) 語

針對遼寧省營口市土地鹽堿化比較嚴重的情況，本文以水源灌區(qū)農(nóng)田整治項目為例，提出了無砂混凝土襯砌排水溝設(shè)計思路。本次研究中依據(jù)相關(guān)研究成果和實際施工經(jīng)驗，采用正交法進行材料配合比試驗，深入研究了不同影響因素對無砂混凝土屬性的影響，結(jié)合灌區(qū)實際情況，綜合考慮混凝土的強度、透水性以及經(jīng)濟性，選取10～20mm粒徑骨料、水灰比0.4、灰骨比1∶5以及水泥等級為42.5的無砂混凝土作為排水溝襯砌的主要材料。最終的工程實踐檢驗結(jié)果顯示，本次研究所得到的無砂混凝土配合比完全可以滿足排水溝襯砌施工要求，同時，無砂混凝土襯砌排水溝的排水效果良好，可以在沿海農(nóng)田水利建設(shè)中推廣使用。