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    干濕與凍融交替作用下渠道復(fù)合襯砌劣化規(guī)律研究

    2023-10-05 14:17:54王正一張明義李博譽(yù)
    冰川凍土 2023年4期
    關(guān)鍵詞:隔熱性熱阻凍融

    王正一, 李 剛, 王 沖, 張明義, 李博譽(yù)

    (1. 石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003; 2. 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000; 3. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

    0 引言

    隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷朝著節(jié)約資源、高效灌溉的方向發(fā)展[1],但是在北方季節(jié)性凍土地區(qū),輸水渠道坐落于凍土之上,常年遭受基土凍脹與融沉作用,襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的凍融破壞,襯砌材料也出現(xiàn)不同程度的損傷與劣化[2-6]。針對渠道襯砌面臨的基土凍融問題,目前的研究主要是在渠道襯砌板下部設(shè)置一種或多種墊層,主要材料包括聚苯乙烯泡沫板、復(fù)合土工膜和砂礫石防凍排水層等,將上述材料單獨(dú)鋪設(shè)或多種材料組合鋪設(shè)得到各具優(yōu)勢的襯砌墊層[7-8]。從保溫的角度出發(fā),聚苯乙烯泡沫(EPS)板是目前渠系工程最常用的保溫材料,有學(xué)者對渠系工程采用聚苯乙烯泡沫板的方式展開了詳細(xì)研究,根據(jù)熱工計算提出了經(jīng)濟(jì)合理的部分保溫法,同時,利用固體材料接觸熱阻原理,從理論和數(shù)值模擬層面解釋了EPS板的作用機(jī)理及效果[5,9-10]。復(fù)合土工膜與砂礫石換填層常組合使用,多用于高水位和凍脹敏感性土壤地區(qū),在渠道襯砌板下部鋪設(shè)復(fù)合土工膜,再對一定深度的凍脹敏感性土進(jìn)行換填,可起到排水與防滲的雙重作用[11-13]。渠道襯砌在設(shè)置墊層的同時,也應(yīng)考慮渠道邊坡板在基土融化期的滑移穩(wěn)定性,為此,有學(xué)者開展了墊層對邊坡板穩(wěn)定性影響的研究,發(fā)現(xiàn)復(fù)合土工膜、EPS板與下部基土之間的摩擦力過小,坡板存在較大的滑塌風(fēng)險[14],同時,EPS 板本身強(qiáng)度較低,與混凝土板粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度較弱,在該界面易出現(xiàn)剪切破壞,導(dǎo)致坡板向渠內(nèi)滑移[15-18]。上述研究對渠道常用墊層材料進(jìn)行了較為全面的探索,但大多都是針對保溫或防滲一方面而言,將渠道抗凍脹與防滑相結(jié)合的墊層研究還有待開展;此外,由于墊層材料與渠道襯砌需共同抵抗周圍環(huán)境的變化,而這種季節(jié)性周期變化的環(huán)境條件對材料各項性能會有較大影響,因此,在墊層材料設(shè)計時還需考慮材料的耐久性問題。

    綜上,在EPS 板墊層的基礎(chǔ)之上,考慮春融階段基土融化引起的坡板滑移問題,提出一種由多層材料粘結(jié)組合而成的多層組合墊層措施。通過干濕與凍融交替試驗(yàn)來探究此墊層在數(shù)次試驗(yàn)后的隔熱性、粘結(jié)強(qiáng)度,以及對混凝土的保護(hù)作用,明確該墊層材料在復(fù)雜環(huán)境下的耐久性能及劣化趨勢,同時,從粘結(jié)強(qiáng)度和隔熱性兩方面確定陶砂的最佳摻量,最終得到一個較優(yōu)的墊層措施,為未來渠道復(fù)合襯砌設(shè)計及耐久性研究提供一定參考。

    1 試驗(yàn)方法與材料

    1.1 墊層設(shè)計

    EPS 板通過陶砂環(huán)氧樹脂(EP)膜與上部渠道混凝土板粘結(jié)成一體,其組合形式見圖1。EP 膜由環(huán)氧樹脂WSR6101、固化劑T31 和無水乙醇按照質(zhì)量比為5∶1∶1 的比例配制而成。陶砂EP 膜不僅作為混凝土板與保溫板的粘結(jié)材料,同時也可起到隔熱作用,其中,復(fù)合襯砌由混凝土板和多層組合墊層組成,而多層組合墊層則由陶砂EP 膜和EPS板粘結(jié)而成,如圖1 所示,其粘結(jié)過程如下:(1)按照環(huán)氧樹脂WSR6101、固化劑T31 和無水乙醇質(zhì)量比為5∶1∶1 的比例配制EP 溶液;(2)將陶砂顆粒摻入EP 溶液中,充分?jǐn)嚢?,使其均勻分布于EP 溶液中,制得陶砂EP 溶液;(3)將配制好的陶砂EP 溶液澆筑于EPS 板表面,養(yǎng)護(hù)7 d 即可得到陶砂EP 膜與EPS 板粘結(jié)成一體的試件。多層組合墊層與混凝土板粘結(jié)成一體,故采用與混凝土同等的試驗(yàn)條件。

    圖1 復(fù)合襯砌組合形式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of composite lining

    1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

    在我國西北地區(qū),部分土壤含鹽量較高,同時,該地區(qū)氣候干旱少雨,晝夜溫差大,在春秋季節(jié)常發(fā)生日凍融循環(huán),而在此過程中往往伴隨的干濕交替,渠道復(fù)合襯砌在此環(huán)境下易遭受干濕與凍融的交替作用,故本試驗(yàn)采用連續(xù)15次干濕循環(huán)與連續(xù)25 次凍融循環(huán)先后交替的方式來研究復(fù)合襯砌的耐久性。干濕循環(huán)過程采用5%硫酸鈉溶液(鹽溶液)作為浸泡溶液,將試件在環(huán)境溫度為26 ℃條件下浸泡15 h,隨后風(fēng)干1 h,再在環(huán)境溫度為80 ℃條件下干燥6 h,隨后在25~30 ℃室溫條件下自然冷卻2 h,此過程為1 次干濕循環(huán),試驗(yàn)過程如圖2(a)所示;而凍融過程采用慢凍法,“氣凍水融”的形式,其中,降溫與升溫過程均為2 h,此過程環(huán)境溫度分別為-18 ℃與18 ℃,凍結(jié)與融化過程各持續(xù)5 h,環(huán)境溫度分別為-18 ℃與18 ℃[19-20],試驗(yàn)過程如圖2(b)所示。將15 次干濕循環(huán)與25 次凍融循環(huán)作為一個完整試驗(yàn)周期,并循環(huán)往復(fù)4 次,在每15 次干濕循環(huán)與25 次凍融循環(huán)結(jié)束后分別測取材料的各項性能。干濕與凍融具體試驗(yàn)設(shè)計參數(shù)如圖2 所示。

    圖2 干濕與凍融過程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of wet-dry and freeze-thaw processes

    陶砂摻量以其與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為依據(jù),因陶砂EP膜作為粘結(jié)層,厚度相對于混凝土板與EPS板較薄,須考慮陶砂與EP膜在該層的體積占比,同時,還要滿足一定的粘結(jié)強(qiáng)度,經(jīng)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),陶砂摻量與有效粘結(jié)面積成反比[21],故選取0~15%,梯度為5%的陶砂摻量方式,陶砂各摻比下的質(zhì)量計算式如下:

    式中:H2為陶砂EP 膜厚度(m);L1為試件長度(m);L2為試件寬度(m);ρEP、ρT分別為環(huán)氧樹脂和陶砂的表觀密度(g·cm-3);n為陶砂摻量質(zhì)量比。

    1.2.1 隔熱性

    復(fù)合襯砌及各層材料的隔熱性通過導(dǎo)熱系數(shù)來反映,本試驗(yàn)參考GB/T 10801.1—2002《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》和GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》進(jìn)行,將復(fù)合襯砌制成邊長為100 mm 的立方體試件,在干濕與凍融交替試驗(yàn)后,采用迅速導(dǎo)熱系數(shù)測定儀QTM-710 來測定不同交替次數(shù)下試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

    1.2.2 粘結(jié)強(qiáng)度

    粘結(jié)面B(聚苯乙烯泡沫板接觸面)的粘結(jié)強(qiáng)度參照GB/T 30804—2014《建筑用絕熱制品 垂直于表面抗拉強(qiáng)度的測定》測定,將試件上下兩面用結(jié)構(gòu)膠粘于預(yù)制鋼板,利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),如圖3 所示;其中,為分別獲取粘結(jié)面A(混凝土接觸面)、B 的強(qiáng)度劣化規(guī)律,本文采用兩層EPS 板中間用陶砂EP 膜粘結(jié)的方式來測取粘結(jié)面B 的強(qiáng)度,同理,粘結(jié)面A 則是通過陶砂EP 膜粘結(jié)兩層混凝土板來進(jìn)行試驗(yàn),將制備完成的陶砂EP混凝土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn),測取兩混凝土板之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

    圖3 B面粘結(jié)強(qiáng)度測試過程Fig. 3 Test procedure for bond strength of surface B

    1.2.3 混凝土與EP 膜混凝土表觀形貌、質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度

    原位渠道的復(fù)合襯砌處在一個復(fù)雜環(huán)境中,周圍水分條件與溫度條件隨著時間不斷變化,而且,土壤中的鹽分會隨基土自由水不斷遷移,因此,為測得EP 膜對混凝土的保護(hù)作用,考慮在無EPS 板的極端情況,本試驗(yàn)采用在100 mm 標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方塊試件表面涂抹EP 膜,將該試件在數(shù)次干濕與凍融交替試驗(yàn)后的質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度作為定量評判指標(biāo),表觀形貌破損程度作為定性評判指標(biāo)[19-20]。

    各試驗(yàn)內(nèi)容所對應(yīng)的試件參數(shù)詳見表1,混凝土配合比設(shè)計見表2,陶砂選用新疆沙灣縣盛源保溫材料廠生產(chǎn)的陶砂,其性能參數(shù)見表3,級配見表4。

    表1 試件試驗(yàn)內(nèi)容與參數(shù)Table 1 Contents and parameters of test specimens

    表3 頁巖陶砂的基本性能Table 3 Properties of shale ceramic sand

    表4 陶砂的級配Table 4 Distribution of particle size for ceramic sand

    2 結(jié)果與討論

    2.1 復(fù)合襯砌隔熱性劣化規(guī)律分析

    根據(jù)1.2.1 節(jié)所述測試方法對復(fù)合襯砌及墊層進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定,結(jié)果如圖4 所示。復(fù)合襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)隨著干濕、凍融交替次數(shù)的增加而增加,幾乎呈線性關(guān)系,平均增長率為45.33%,陶砂摻量大小對多層組合墊層導(dǎo)熱系數(shù)有一定影響,摻量與隔熱性成正比,隨著干濕與凍融交替試驗(yàn)次數(shù)的增加,陶砂的隔熱作用越明顯,此外,陶砂摻量少于5%的試件導(dǎo)熱系數(shù)增長率略高于其他摻量試件。

    圖4 復(fù)合襯砌不同陶砂摻量的導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 4 Thermal conductivity of cushion with different content of ceramics

    為更好地研究復(fù)合襯砌在數(shù)次交替試驗(yàn)后的劣化情況,分別對EPS 板和混凝土板進(jìn)行干濕與凍融交替試驗(yàn),測試結(jié)果見圖5。隨著試驗(yàn)交替次數(shù)的增多,EPS板導(dǎo)熱系數(shù)線性增大,其導(dǎo)熱系數(shù)最終增幅為51.22%。這是由于鹽溶液通過EPS 板開口孔隙進(jìn)入其內(nèi)部,加速EPS 板老化,鹽溶液密度大,閉口孔隙在周圍較大的溶液壓力下易破裂開口,鹽溶液進(jìn)入閉口孔隙內(nèi)部,在干燥加熱階段,閉口孔隙內(nèi)部壓力增大,內(nèi)外形成較強(qiáng)的壓力差,此時,開口裂隙在內(nèi)外壓力差下進(jìn)一步擴(kuò)展,與此同時,留存于閉口孔隙內(nèi)部的鹽溶液結(jié)晶析出,硫酸鈉結(jié)晶在正溫環(huán)境下的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.543 W·m-1·K-1,與EPS板相比較高,所以,鹽溶液的結(jié)晶析出對復(fù)合襯砌的隔熱性有不利影響。

    圖5 EPS板與混凝土板的導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 5 Thermal conductivity of EPS slab and concrete slab

    經(jīng)過數(shù)次干濕循環(huán)后,EPS 板內(nèi)部部分氣泡失效。凍融過程中,水分進(jìn)入EPS 板內(nèi)部,溫度降低,水分發(fā)生相變,體積膨脹,EPS板內(nèi)部的水分結(jié)冰凍脹,對周圍EPS 板顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓作用,裂隙再次擴(kuò)展,部分未破壞的閉口孔隙在周圍冰劇烈的擠壓作用下變形,進(jìn)而發(fā)生破壞。在如此循環(huán)往復(fù)的干濕、凍融作用下,EPS板內(nèi)部孔隙破裂、發(fā)育,氣泡間的間隙也逐步減小,EPS 板上下表面熱流通道增多且路徑縮短,從而導(dǎo)致EPS 板導(dǎo)熱系數(shù)增大,隔熱性降低。

    從圖5 中還可知,混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)先降低后增大的情況,最終漲幅為13.62%。在首次干濕循環(huán)中,濕熱環(huán)境為混凝土創(chuàng)造了良好的水化反應(yīng)條件,混凝土內(nèi)部進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng),水化產(chǎn)物對內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)降低現(xiàn)象。在后續(xù)交替試驗(yàn)中,混凝土導(dǎo)熱系數(shù)持續(xù)增大,這也與混凝土孔隙破壞和裂縫發(fā)育有關(guān)。在干濕循環(huán)中,鹽溶液通過混凝土表面微小裂隙滲入,一方面,與混凝土板發(fā)生反應(yīng),生成鈣礬石等產(chǎn)物,生成物膨脹,裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大,另一方面,混凝土裂隙中的鹽溶液結(jié)晶析出,體積膨脹,裂縫不斷擴(kuò)展延伸。在干濕破壞的基礎(chǔ)之上,凍融作用對混凝土的破壞是一個冰脹與充水的惡性循環(huán)過程,內(nèi)部孔隙在周圍壓應(yīng)力增大情況下出現(xiàn)破碎,多個孔隙相連,形成較大的孔隙,這為傳熱提供了較好的路徑,熱量散失速度加快,隔熱性降低。干濕與凍融交替作用,相互促進(jìn)各自的不良作用,對混凝土的導(dǎo)熱性影響較大。

    2.2 EPS板粘結(jié)面強(qiáng)度劣化規(guī)律分析

    為方便對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計與分析,本文選取陶砂摻量為0、5%、10%和15%時的結(jié)果進(jìn)行分析,其余中間陶砂摻量試驗(yàn)結(jié)果在此結(jié)果區(qū)間之內(nèi),趨勢相同。粘結(jié)面A、B 的粘結(jié)強(qiáng)度均隨干濕與凍融交替次數(shù)的增加而降低,與交替試驗(yàn)次數(shù)幾乎呈線性降低關(guān)系。從圖6 可以看出,陶砂摻量對粘結(jié)面A的強(qiáng)度有較大影響,且呈非線性關(guān)系。在對不同陶砂摻量試件進(jìn)行4 次干濕、凍融交替試驗(yàn)后,0、5%、10%和15%陶砂摻量A 粘結(jié)面的強(qiáng)度降幅分別為37.34%、36.35%、45.08%、54.12%,可以看出,5%陶砂摻量的粘結(jié)面強(qiáng)度降幅最小,15%陶砂摻量降幅最大。陶砂的加入會減小粘結(jié)面的有效接觸面積,在陶砂高摻量時表現(xiàn)得尤為明顯,陶砂顆粒與EP膜在靠近上下EPS 板表面時會出現(xiàn)填充空腔,而且,陶砂顆粒在加入EP 膠泥后,顆粒之間存在潤濕凝聚作用,顆粒表面包裹一層具有較強(qiáng)粘性的EP膜,因此,顆粒間的粘性和粘結(jié)作用變得明顯,隨著顆粒碰撞的發(fā)生,顆粒彼此粘附在一起,進(jìn)而形成團(tuán)聚,陶砂顆粒越多,顆粒間碰撞可能性越大,團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯,如圖8 所示。在EP 膜進(jìn)行粘結(jié)時,陶砂顆粒團(tuán)會占據(jù)大量接觸面積,從而使得有效粘結(jié)面積降低,加之混凝土EPS 板本身抗拉強(qiáng)度較低,在劈裂抗拉試驗(yàn)過程中,混凝土表面受到粘結(jié)層的較大軸向拉應(yīng)力,進(jìn)而混凝土表面發(fā)生表皮剝離破壞,粘結(jié)作用失效,有效面積越小,則能承受的軸向抗拉強(qiáng)度越小,受力時也更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。而粘結(jié)面B 的強(qiáng)度劣化規(guī)律與粘結(jié)面A 不完全一樣,最主要的區(qū)別在于陶砂對粘結(jié)面強(qiáng)度的影響,在圖7 中,可以明顯看到有無陶砂以及陶砂摻量多少對粘結(jié)面強(qiáng)度幾乎無影響,從六組數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果來看,粘結(jié)面B的破壞均是EPS板的拉伸破壞,該界面的粘結(jié)強(qiáng)度取決于EPS 板的強(qiáng)度,如圖9(a)、9(b)所示。隨著交替試驗(yàn)次數(shù)的增加,破壞強(qiáng)度依然呈近乎線性的降低,平均降幅為33.96%。這是由于EP 膜在涂抹至兩EPS 板之間時,EP 會沿著EPS 板的空隙入滲,填充粘結(jié)面附近EPS板的空隙,在EPS板與EP 膜層接觸面附近形成一個具有一定厚度的粘結(jié)強(qiáng)化層,故在進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)時,破壞截面在EPS層,破壞強(qiáng)度也就由EPS板所決定。

    圖6 A面不同陶砂摻量的粘結(jié)強(qiáng)度Fig. 6 Bond strength of surface A with different dosages of ceramics

    圖7 B面不同陶砂摻量的粘結(jié)強(qiáng)度Fig. 7 Bond strength of different ceramic content on surface B

    圖8 不同陶砂摻量平面圖Fig. 8 Plan view of ceramic sand with different amounts of admixture: 0(a), 5%(b), 10%(c), 15%(d)

    圖9 各材料軸向拉伸破壞形態(tài)Fig. 9 Damage pattern of axial tensile test for each material:EPS slab (a), surface B (b), cushion without EP membrane (c), cushion with EP membrane (d)

    與此同時,混凝土板與EPS 板的強(qiáng)度會隨干濕、凍融交替次數(shù)增多而出現(xiàn)降低,EPS板內(nèi)部結(jié)構(gòu)在反復(fù)干濕與凍融作用下出現(xiàn)劣化。在干濕循環(huán)中,混凝土表面與溶液直接接觸,首先在表面一定厚度出現(xiàn)脆化,而凍融循環(huán)則是水分通過表面裂隙進(jìn)入混凝土,使得混凝土遭受強(qiáng)烈的凍脹作用;EPS板在干濕、凍融循環(huán)中也是如此,空隙不斷增大,EPS板內(nèi)部的連接作用削弱,孔隙破裂,裂紋相互連接貫穿,強(qiáng)度大大降低,進(jìn)而呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢。

    對比粘結(jié)面A 與B 的強(qiáng)度,由圖6 和圖7 可知,粘結(jié)面A 的強(qiáng)度是B 面強(qiáng)度的10 倍左右,在無陶砂EP 膜的情況下,破壞截面為上部混凝土板與下部EPS 板的接觸面,如圖9(c)所示。當(dāng)設(shè)置有陶砂EP膜時,多層組合墊層將破壞截面轉(zhuǎn)移至粘結(jié)面B 下部附近,如圖9(d)所示,在渠道襯砌凍脹翹曲過程中,混凝土板在自身重力作用下會沿著某一滑移面向下滑移;在極端情況下,混凝土板的翹曲量超過混凝土板的厚度時,若陶砂EP膜與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度不夠,粘結(jié)面A將成為滑移面,若粘結(jié)面A強(qiáng)度足夠,則需要更大的翹曲量,滑移面也進(jìn)而向下推移至粘結(jié)面B 附近,所以,EP 膜的存在使混凝土板滑塌的可能性降低。

    2.3 EP膜對混凝土耐久性影響分析

    在1.2.3 節(jié)所述條件下,考慮EP 膜對混凝土作用的極端情況,對EP 膜混凝土進(jìn)行交替試驗(yàn),并與普通混凝土試件對比,表觀形貌結(jié)果如圖10(a)、10(b)所示,質(zhì)量損失率變化情況見圖11,而抗壓強(qiáng)度的劣化過程見圖12所示。

    圖10 不同試件表觀形貌Fig.10 Surface morphology of different specimens: (a) ordinary concrete, (b) EP-concrete

    圖11 EP膜混凝土與普通混凝土質(zhì)量損失變化情況Fig. 11 Change of quality loss of EP-concrete and ordinary concrete

    圖12 EP膜混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度變化情況Fig. 12 Compressive strength change of EP-concrete and ordinary concrete

    2.3.1 表觀形貌

    現(xiàn)對普通混凝土試件進(jìn)行分析,由圖10(a)可知,普通混凝土試件表面破壞程度隨干濕、凍融交替試驗(yàn)次數(shù)的增多而加深。普通混凝土試件在完成首次交替試驗(yàn)后,表面基本上保持平整,僅有部分區(qū)域出現(xiàn)輕微的剝蝕,試件完整性較好;在進(jìn)行2次干濕、凍融交替試驗(yàn)后,試件表面平整度降低,出現(xiàn)點(diǎn)狀坑槽,試件棱角部位輕微剝落,表面還伴隨著部分顆粒,有裂紋出現(xiàn);當(dāng)試件完成3 次交替試驗(yàn)后,表面平整度急劇下降,面部坑槽增多,棱角部位損傷較為嚴(yán)重,骨料有裸露的傾向,裂紋發(fā)育;當(dāng)試件完成4次干濕、凍融交替試驗(yàn)后,破損程度嚴(yán)重,表面粗骨料裸露,棱角成曲面,裂紋擴(kuò)展明顯,表面一定厚度的砂漿層剝落,少量白色區(qū)域?yàn)楦綆}結(jié)晶。

    EP膜混凝土試驗(yàn)結(jié)果不同于普通混凝土試件,從圖10(b)可知,EP膜混凝土在數(shù)次交替試驗(yàn)后,表面EP膜呈現(xiàn)脫落狀態(tài),而內(nèi)部混凝土試件則較為完整,交替試驗(yàn)對其影響不大,這得益于外部EP 膜對混凝土試件的保護(hù)作用。EP 膜混凝土在經(jīng)歷初次交替試驗(yàn)后,基本無變化,表面仍光滑平整,無破損現(xiàn)象出現(xiàn);第2次交替試驗(yàn)完成后,EP膜混凝土表面出現(xiàn)少許膜脫落現(xiàn)象,平整度較初次試驗(yàn)有明顯降低,大部分EP 膜依舊與混凝土粘結(jié),試件整體完整性較好;在3 次試驗(yàn)結(jié)束后,EP 膜出現(xiàn)老化,表面剝離嚴(yán)重,部分混凝土試件受到輕微侵蝕,EP 膜的粘結(jié)性也出現(xiàn)一定程度的下降,但內(nèi)部混凝土試件未出現(xiàn)明顯破壞;當(dāng)試件進(jìn)行4次交替試驗(yàn)后,表面EP膜脫落嚴(yán)重,內(nèi)部混凝土試件暴露,但試件平整度和完整性均較好,無鹽結(jié)晶附著,外部EP膜老化嚴(yán)重,基本喪失粘結(jié)能力,EP膜出現(xiàn)硬化和脆化現(xiàn)象。

    2.3.2 質(zhì)量損失

    圖11 是EP 膜混凝土與普通混凝土質(zhì)量損失變化情況,可以看出,EP 膜混凝土與普通混凝土試件質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)增長趨勢,純混凝土試件的質(zhì)量損失速度較快,且損失量較大,而EP 膜混凝土試件質(zhì)量損失率增長速度先慢后快,與混凝土試件相比,質(zhì)量損失程度存在滯后現(xiàn)象。純混凝土試件質(zhì)量損失整體呈加速上升趨勢,4 次完整交替試驗(yàn)后最大質(zhì)量損失可達(dá)2.57%,而EP膜混凝土前期幾乎無質(zhì)量損失,從第3 個干濕、凍融交替試驗(yàn)開始,EP膜脫落程度嚴(yán)重,內(nèi)部混凝土試件逐步受到環(huán)境的影響,開始出現(xiàn)剝皮現(xiàn)象,質(zhì)量損失逐步增大,最終可達(dá)1.53%。

    混凝土試件在第一次干濕循環(huán)過程中出現(xiàn)質(zhì)量損失為負(fù)的情況,主要有兩方面的原因,一方面,鹽溶液通過混凝土裂隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部,溶液結(jié)晶析出,填充混凝土內(nèi)部空隙;另一方面,在干濕循環(huán)過程中,混凝土所含氫氧化鈣與鹽溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一系列侵蝕產(chǎn)物,例如鈣礬石、石膏等,這些產(chǎn)物初期填充混凝土內(nèi)部孔隙和缺陷;上述兩方面的原因就導(dǎo)致混凝土在初期試驗(yàn)過程出現(xiàn)質(zhì)量增加的現(xiàn)象。EP膜混凝土則不存在這種問題,試驗(yàn)前期,內(nèi)部混凝土被外膜包裹,與環(huán)境溶液無接觸,僅承受環(huán)境溫度的變化,EP膜混凝土在此過程無明顯變化,故質(zhì)量損失幾乎為零,而在后期,隨著外表面EP膜的脫落,質(zhì)量損失也在逐步增大?;炷猎嚰笃谠邴}侵和凍融的雙重作用下,表面開始剝蝕,棱角部分損失嚴(yán)重,裂紋也在此過程快速發(fā)育,試件質(zhì)量損失率不斷上升。

    2.3.3 抗壓強(qiáng)度

    圖12 是EP 膜混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度變化情況,可以看出,普通混凝土與EP 膜混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨干濕與凍融累計試驗(yàn)次數(shù)的增加呈先上升后降低趨勢,但整體呈降低趨勢,普通混凝土強(qiáng)度降低速率與幅值均大于EP膜混凝土;普通混凝土試件強(qiáng)度降低速率近似線性,其值為0.063 MPa/次,而EP膜混凝土強(qiáng)度降低速率先慢后快,強(qiáng)度平均劣化速率為0.039 MPa/次,該值小于未采取保護(hù)措施的普通混凝土試件。

    普通混凝土試件在初次干濕循環(huán)后表現(xiàn)出強(qiáng)度增長的現(xiàn)象,發(fā)生此情況的原因與上述試件初期質(zhì)量增加原因一致,也是上述兩方面原因引起的,而隨著交替試驗(yàn)次數(shù)的增加,強(qiáng)度急劇下降,這是因?yàn)樵诔醮胃蓾裱h(huán)后,凍融過程中的水分沿著裂紋進(jìn)入混凝土內(nèi)部,在負(fù)溫作用下,水的成冰作用會在試件內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,而外部的水分結(jié)冰則對試件產(chǎn)生各個方向的擠壓應(yīng)力,在內(nèi)外復(fù)雜應(yīng)力的共同作用下,普通混凝土原生裂紋擴(kuò)展,薄弱部位產(chǎn)生新的裂縫,為下一次干濕循環(huán)提供有利的侵蝕條件;當(dāng)試件經(jīng)過上一次的凍融循環(huán)后,裂紋發(fā)展,干濕循環(huán)中鹽溶液有充分的侵蝕面積,產(chǎn)生大量侵蝕產(chǎn)物,與鹽結(jié)晶共同對裂紋周圍混凝土施加膨脹應(yīng)力,普通混凝土劣化持續(xù)加深。在這種“擴(kuò)張-填充-擴(kuò)張”的循環(huán)作用下,混凝土結(jié)構(gòu)緩慢瓦解,強(qiáng)度逐步下降。而EP膜混凝土前期強(qiáng)度降低較為緩慢,主要是試件外部EP膜阻擋鹽溶液和水分進(jìn)入,內(nèi)部混凝土試件處于一個干燥環(huán)境,僅承受環(huán)境溫度的改變,不涉及侵蝕反應(yīng)、結(jié)晶膨脹和冰脹作用,強(qiáng)度變化不大,而在外部EP 膜開始脫落的時候,內(nèi)部混凝土開始發(fā)生與普通混凝土試件一樣的變化,但由于EP 膜并未完全脫落,內(nèi)部混凝土試件與外溶液也是部分接觸,不良作用僅在局部產(chǎn)生,而后EP 膜脫落,內(nèi)部混凝土暴露,在交替作用下強(qiáng)度開始快速降低。

    3 陶砂最佳摻量設(shè)計

    由于陶砂摻量對多層組合墊層的隔熱性和A面粘結(jié)強(qiáng)度有較大影響,因此,確定陶砂最佳摻量時以隔熱性和A 面粘結(jié)強(qiáng)度為參考指標(biāo),為更好反映陶砂摻量對多層組合墊層的影響,同時考慮在摻量分析過程中的簡便性與實(shí)用性,將導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)熱阻作為隔熱性大小的判斷指標(biāo),熱阻越大,隔熱性越好。將陶砂摻量對多層組合墊層熱阻與A面粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律繪制如圖13 所示,由圖13可以看出,墊層熱阻與A 面粘結(jié)強(qiáng)度隨陶砂摻量不同而呈現(xiàn)相反變化趨勢。對下圖熱阻與粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如下表5所示。

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    表5 不同交替試驗(yàn)次數(shù)下A面粘結(jié)強(qiáng)度和墊層熱阻擬合結(jié)果表Table 5 Fitting results of bonding strength of surface A and thermal resistance of cushion under different test times

    圖13 不同交替試驗(yàn)次數(shù)下陶砂摻量對A面粘結(jié)強(qiáng)度和墊層熱阻的影響Fig. 13 Effect of pottery content on the bonding strength of surface A and thermal resistance of cushion under different test times

    對上述粘結(jié)強(qiáng)度與隔熱性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行Logistic歸一化處理[22-23],并對歸一化后的結(jié)果進(jìn)行擬合,得到熱阻、粘結(jié)強(qiáng)度分別與陶砂摻量之間的函數(shù)關(guān)系,如表6所示。

    表6 不同交替試驗(yàn)次數(shù)下A面粘結(jié)強(qiáng)度和墊層熱阻性歸一化結(jié)果表Table 6 Normalized results of bond strength of surface A and thermal resistance of cushion

    不同渠道所處環(huán)境不一樣,因此,考慮不同環(huán)境下渠道防治重點(diǎn),以及粘結(jié)性與隔熱性需求不一致的情況,通過不同權(quán)重來描述隔熱性和粘結(jié)強(qiáng)度的重要程度,計算表達(dá)式如下:

    式中:c為墊層隔熱性(熱阻)設(shè)計權(quán)重,0 ≤c≤1。

    式(2)中隔熱性設(shè)計權(quán)重c的取值考慮引起原位渠道凍脹破壞的主要因素,減少凍脹量,本文主要從地下水與土壤溫度入手,而土壤溫度與渠道系統(tǒng)中各材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān),其中,凍脹量與地下水位高度、各材料導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系為[24-25]:

    式中:h為渠道邊坡板平均凍脹量(cm);αP為荷載修正系數(shù),取值與基土干密度和上部荷載大小有關(guān);a、b、d和k均為與溫度、土質(zhì)相關(guān)的參數(shù);z為邊坡板地下水位平均埋深(m);w為基土初始含水率(%);wp為土壤塑限含水率(%);λf為基土凍結(jié)時的導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1);Hd為工程設(shè)計凍深(m);λd為渠道復(fù)合襯砌設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1);Hc為渠道混凝土板厚度(m);λc為混凝土板導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1);HS為墊層厚度(m);y's為墊層的熱阻(m·K·W-1);hL為地下水位深、淺臨界深度(m),當(dāng)z≤hL時,地下水位埋深較淺,z>hL時,地下水位埋深較深,其計算式如下:

    式中:Hmax為渠道歷年來最大凍深(m);Δh為渠道最大凍深與地下水位之間的臨界距離,取值如表7所示。

    表7 Δh參考取值表Table 7 Reference values of Δh

    以新疆維吾爾自治區(qū)某灌區(qū)渠道為計算依據(jù),對式(3)進(jìn)行分析,相關(guān)計算參數(shù)如表8 所示,在設(shè)計凍深、土質(zhì)情況、襯砌厚度和隔熱層厚度一定的情況下,地下水位埋深較淺時,渠道凍脹破壞程度主要由地下水位高度決定,隔熱性對渠道凍脹量的影響較小,地下水位與熱阻對渠道凍脹量的影響曲線如圖14(a)、圖14(b)所示;而當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^深時,影響渠道凍脹量的因素主要是墊層的熱阻大小,影響曲線如圖15 所示。所以,在進(jìn)行陶砂摻量設(shè)計時,當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時,陶砂EP 膜的熱阻對渠道抗凍脹影響較小,此時主要考慮陶砂EP膜與A面的粘結(jié)強(qiáng)度,防止混凝土板發(fā)生滑塌破壞;地下水位埋深較深時,影響渠道凍脹量的主要因素為陶砂EP 膜的熱阻大小,故此時主要考慮陶砂摻量對EP膜的熱阻影響。

    表8 新疆維吾爾自治區(qū)某灌區(qū)渠道計算參數(shù)Table 8 Parameters of a canal in an irrigation area in Xinjiang Uygur Autonomous Region

    圖14 地下水位埋深較淺時各因素對渠道邊坡板凍脹量的影響曲線Fig. 14 Influence curve of the amounts of factors on the frost heave under a shallow groundwater table

    圖15 地下水位埋深較深時熱阻對渠道邊坡板凍脹量的影響曲線Fig. 15 Influence curve of the amount of frost heave at the deeper groundwater table

    為安全起見,本文以混凝土板的厚度來衡量凍脹量大小,同時考慮不同凍脹量情況下設(shè)計權(quán)重c的取值,計算式如下:

    式中:h1max為地下水位較淺時的最大凍脹量,cm;h2max為地下水位較深時的最大凍脹量,cm。

    將式(5)代入式(3)可得隔熱性設(shè)計權(quán)重c的取值,計算式如下:

    為求得多層組合墊層隔熱性與粘結(jié)性的最佳組合比,同時確定該組合下的陶砂摻量,對式(2)進(jìn)行極值處理,其計算式如下所示:

    本文僅給出部分設(shè)計權(quán)重c所對應(yīng)的最佳陶砂摻量,其結(jié)果如表9 所示,其余設(shè)計權(quán)重c所對應(yīng)的最佳陶砂摻量計算方法亦是如此。

    表9 陶砂摻量參考表Table 9 Quantity reference values of ceramic sand

    4 結(jié)論

    在EPS 板保溫墊層的基礎(chǔ)之上,針對渠道墊層與襯砌材料粘結(jié)面強(qiáng)度不夠、基土水分侵蝕襯砌等問題,提出多層組合墊層,在室內(nèi)制作渠道墊層局部試件,并進(jìn)行干濕與凍融交替試驗(yàn),探究該墊層的耐久性,得到如下結(jié)論。

    (1)陶砂摻量與復(fù)合襯砌的隔熱性成正相關(guān),干濕與凍融交替次數(shù)越多,陶砂對墊層的隔熱作用越明顯。EPS板與混凝土板在干濕與凍融交替試驗(yàn)過程中也出現(xiàn)不同程度的劣化,二者導(dǎo)熱系數(shù)隨干濕與凍融累計試驗(yàn)次數(shù)增大基本呈線性增加,隔熱性也隨之降低。

    (2)陶砂EP 膜使得復(fù)合襯砌滑移時的破壞截面下移,降低了渠道邊坡板滑移的可能性。就多層組合墊層而言,陶砂摻量對粘結(jié)面B 的強(qiáng)度幾乎無影響,而對粘結(jié)面A的強(qiáng)度有較大影響,摻量與強(qiáng)度成負(fù)相關(guān),陶砂顆粒團(tuán)聚會占據(jù)有效接觸面積,使得兩材料在受拉時所提供的粘結(jié)面不足,進(jìn)而導(dǎo)致材料所能提供的抗拉應(yīng)力過低,易發(fā)生受拉破壞。

    (3)與普通混凝土相比,EP 膜對混凝土有明顯的保護(hù)作用,質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度劣化現(xiàn)象向后明顯推移,延長了混凝土板的使用壽命,在質(zhì)量與抗壓強(qiáng)度損失方面分別降低1.04%和8.58%,可有效提高混凝土板對基土水分侵蝕的抵抗作用。

    (4)通過研究陶砂摻量與墊層隔熱性、A面粘結(jié)強(qiáng)度的大小影響,利用統(tǒng)計的方法對不同試驗(yàn)交替次數(shù)下陶砂的最佳摻量進(jìn)行計算分析,確定陶砂在不同隔熱性與粘結(jié)強(qiáng)度雙目標(biāo)需求下的最佳摻量,并給出了確定陶砂摻量的計算方法。

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