氣泡混合輕質(zhì)土對寒區(qū)渠道防凍脹的作用和厚度優(yōu)化

付勇

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003）

我國北方大部分地區(qū)都屬于季節(jié)性凍土區(qū)，由于凍融作用的存在，混凝土襯砌渠道冬季凍脹問題廣泛存在，輸水工程都會面臨嚴(yán)重的凍害，并給渠道的正常運行和耐久性造成嚴(yán)重影響。有些工程雖然沒有完全損毀，但是也需要投入大量的人力和物力進(jìn)行維修。因此，深入研究渠道凍脹機(jī)理和防治措施是亟待解決的工程技術(shù)問題[1]。目前，我國北方灌區(qū)渠道的防凍脹措施主要是提高襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，在襯砌結(jié)構(gòu)下鋪設(shè)保溫板及渠基土的固化和換填等，但是缺乏新材料的探索和應(yīng)用[2]?；诖?，此次研究主要探討氣泡混合輕質(zhì)土在渠道防凍脹領(lǐng)域的工程價值，具有重要的工程價值和作用。

1 氣泡混合輕質(zhì)土

1.1 材料特性與工程價值

氣泡混合輕質(zhì)土屬于一種新型人工制作材料，主要特點：由于氣泡混合輕質(zhì)土中含有大量的微小氣泡群，因此，容重與普通土體相比要小很多，同時還可以通過對各種組分配合比的設(shè)計，將其強(qiáng)度調(diào)節(jié)在0.5～5.0 MPa之間；由于氣泡混合輕質(zhì)土中使用水泥作為固化劑，因此，在施工后5 h即可實現(xiàn)固化，不影響后續(xù)工序的施工作業(yè)；氣泡混合輕質(zhì)土屬于水泥類材料，和普通高分子材料相比，具有良好的隔熱性和耐久性[3]。一定厚度的氣泡混合輕質(zhì)土可以實現(xiàn)良好的保溫性能。

目前，雖然氣泡混合輕質(zhì)土主要用于公路的路基施工，但是將其作為襯砌結(jié)構(gòu)下的保溫層具有良好的工程優(yōu)勢。首先，氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)氣泡體積含有率達(dá)40%～60%，具有良好的隔熱性能，將其用于渠道施工建設(shè)可以取得良好的保溫效果，有效控制渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞。其次，氣泡混合輕質(zhì)土的材料強(qiáng)度較大，明顯大于聚苯乙烯保溫板，且具有良好的耐久性，將其用于渠道施工可以提高襯砌結(jié)構(gòu)和基土的整體性，對提升渠道工程的耐久性極為有利。最后，氣泡混合輕質(zhì)土的工程造價較低且施工方便，僅為聚苯乙烯保溫板的1/2左右。

1.2 制備工藝

氣泡混合輕質(zhì)土制備需要的主要原料有水泥、發(fā)泡劑和水[4]。其中，試驗用水泥為遼寧本溪北方水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，對樣品的測定結(jié)果顯示，其各項指標(biāo)均滿足GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的相關(guān)要求。試驗用發(fā)泡劑為重慶黑曜科技有限公司生產(chǎn)的HY-F80復(fù)合型發(fā)泡劑，其稀釋倍率為80倍，氣泡群密度為49.5 kg/m3，沉降距為1.3 mm，沁水量為20.2 ml，其各項指標(biāo)均滿足CJJ/T 177-2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》。試驗用水為工程現(xiàn)場的自來水。

氣泡混合輕質(zhì)土制備過程采用物理發(fā)泡的方式進(jìn)行。此次研究中參照CJJ/T 177-2012，通過對現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)確定具體的施工工藝流程，如圖1所示。

圖1 氣泡混合輕質(zhì)土制備工藝流程

2 現(xiàn)場試驗設(shè)計

2.1 試驗段選擇

試驗中選擇遼寧省某灌區(qū)節(jié)水改造工程2號支渠CZ1+100-CZ1+150段作為試驗段。試驗段渠道為梯形斷面設(shè)計，邊坡的坡度為1.5，渠底寬2.0 m，渠深1.5 m，采用現(xiàn)澆型混凝土襯砌，地下水位在渠道底板以下0.2 m部位。

2.2 試驗方法

為了驗證氣泡混合輕質(zhì)土的防凍脹工程效果，試驗中需要對試驗段的渠基土的溫度及襯砌結(jié)構(gòu)凍脹量進(jìn)行試驗和測定[5]。其中，試驗中對基土溫度監(jiān)測采用單點溫度傳感器，在渠道兩側(cè)的頂部和渠底各布置1組溫度傳感器，共4組[6]。鑒于灌區(qū)冬季的最大凍深為1.2 m，地表2.0 m以下部位基土的溫度變化對凍脹的影響作用不大，因此，各組溫度傳感器的鉆孔深度為2.0 m，孔內(nèi)每隔20 cm布置1個溫度傳感器，自上而下共布置11個[7]。為了避免傳感器位置變化，應(yīng)將所有的溫度傳感器串聯(lián)固定并放入PVC管后，再放入溫度孔。

凍脹量的監(jiān)測采用凍脹位移傳感器[8]。在埋設(shè)過程中，首先需要鉆孔到設(shè)計深度，然后在鉆孔內(nèi)放入延長桿，在延長桿上設(shè)置防凍結(jié)套筒，使延長桿的底座和土體緊密接觸，然后在孔中回填原狀土并壓實。

2.3 試驗方案設(shè)計

試驗段的襯砌結(jié)構(gòu)為厚6 cm的C35現(xiàn)澆混凝土，表層為3 cm的水泥砂漿抹面。在襯砌結(jié)構(gòu)和渠基土之間設(shè)置氣泡混合輕質(zhì)土保溫層，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗及材料的導(dǎo)熱系數(shù)，對比研究15，20，25，30，35 cm等不同厚度氣泡混合輕質(zhì)土保溫層的防凍脹效果。為了進(jìn)行對比研究，將厚6 cm聚苯乙烯保溫板方案作為對比方案。試驗段在2020年12月1日完工并開始試驗，12月30日試驗結(jié)束，試驗周期為30 d。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 凍深

對試驗中獲得的溫度垂向分布數(shù)據(jù)，整理獲取典型時段的最大凍深，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，隨著環(huán)境溫度的逐步降低，各方案的基土最大凍深也呈現(xiàn)出逐步增加的變化特征，但是增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。從不同厚度氣泡混合輕質(zhì)土試驗方案數(shù)據(jù)的對比來看，在相同的試驗時段，隨著氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度的增加，基土最大凍深呈現(xiàn)出逐漸減小的變化特點，但是變化的幅度逐漸減小。由此可見，增加氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度可以有效減小渠道基土冬季的最大凍深，這對于防凍脹設(shè)計是有利的。但是，隨著氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度的不斷增加，上述工程效果會趨于減弱，當(dāng)氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度小于25 cm時，增加厚度可以顯著降低渠基土的最大凍深；當(dāng)氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度大于30 cm時，厚度增加并不能顯著降低渠基土最大凍深。從對比方案來看，其最大凍深試驗結(jié)果介于厚度為25 cm和30 cm的氣泡混合輕質(zhì)土保溫層方案之間。由此可見，采用厚度為25～30 cm的氣泡混合輕質(zhì)保溫層可以獲得與厚6 cm的聚苯乙烯保溫板相同的工程效果。

表1 不同試驗方案的最大凍深 m

3.2 凍脹量

對試驗中凍脹量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲取如表2所示的典型時段襯砌結(jié)構(gòu)最大凍脹量。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量隨著試驗的進(jìn)行呈現(xiàn)出先減小后增大并逐漸趨于穩(wěn)定的特點，原因是施工完成之后基土存在一定的沉降變形，之后逐漸產(chǎn)生凍脹變形。從不同厚度氣泡混合輕質(zhì)土方案的凍脹量試驗數(shù)據(jù)來看，在相同的試驗時段，隨著氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度的增加，基土最大凍脹量呈現(xiàn)出逐漸減小的變化特點，同時變化的幅度逐漸減小。由此可見，增加氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度可以有效減小渠道基土冬季的最大凍脹量，但是隨著氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度的增加，控制效果會趨于減弱。當(dāng)氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度小于25 cm時，凍脹量的控制效果較為明顯；當(dāng)氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度大于30 cm時，凍脹量的控制效果不明顯。從對比方案來看，其最大凍脹量試驗結(jié)果介于厚度為25 cm和30 cm的氣泡混合輕質(zhì)土保溫層方案之間。由此可見，采用厚度為25～30 cm的氣泡混合輕質(zhì)保溫層可以獲得與厚6 cm的聚苯乙烯保溫板相同的凍脹量控制工程效果。

表2 不同試驗方案的最大凍脹量 mm

4 結(jié)語

通過上述對氣泡混合和輕質(zhì)土在寒區(qū)渠道防凍脹領(lǐng)域應(yīng)用的探討，可以得出：隨著氣泡混合輕質(zhì)土保溫層厚度的增加，渠基土的最大凍深和最大凍脹量不斷減小，但是厚度超過30 cm之后的減小幅度極為有限；厚25～30 cm的氣泡混合輕質(zhì)土保溫層可以取得與厚6 cm的聚苯乙烯保溫板相同的防凍脹工程效果。氣泡混合和輕質(zhì)土具有良好的隔熱效果、強(qiáng)度和價格優(yōu)勢，可以用于寒區(qū)渠道防凍脹設(shè)計施工。