抗?jié)B阻裂水泥砂漿材料在灌溉渠道中的應用研究

王冶志

(東港市水資源服務中心，遼寧 東港 118300)

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，屬于世界13個嚴重缺水國家之一[1-2]。目前我國農(nóng)業(yè)灌溉用水約占全社會用水的80%，但灌溉用水效率僅為世界先進水平的60%～70%，節(jié)水潛力巨大[3]。發(fā)展高效節(jié)水灌溉是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是解決我國水資源短缺問題的重要途徑。但目前我國高效節(jié)水灌溉技術還不夠成熟，特別是灌溉渠道工程存在著嚴重滲漏和裂縫等問題，制約了灌溉工程的發(fā)展[4-5]。因此，開發(fā)出一種新材料或新技術來解決這些問題具有十分重要的意義。抗?jié)B阻裂水泥砂漿作為一種新型的防滲材料，可有效解決水泥砂漿渠道滲漏問題，提高水泥砂漿襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，降低工程造價[6]。目前抗?jié)B阻裂水泥砂漿主要用于新建渠道襯砌結(jié)構(gòu)和老舊渠道改造工程[7]。研究通過將膨潤土和玄武巖纖維摻入到水泥砂漿中，測定其抗?jié)B透力及開裂指標，探討玄武巖纖維和膨潤土對其抗?jié)B透及抗裂特性的影響，并對玄武巖與膨潤土的最佳配比范圍進行研究。

1 灌區(qū)概況

東港灌溉工程位于遼寧省東南，鴨綠江、大洋河的下游地區(qū)，東西長65km，南北寬40km，總控制面積達1352km2。該灌區(qū)原計劃灌溉面積為74.88萬畝，實際灌溉水田面積55.61萬畝，是遼寧省三大灌區(qū)之一，也是丹東市的主糧區(qū)?，F(xiàn)有大中型水庫20個，年總調(diào)蓄量32163萬m3。

2 灌溉渠道防滲襯砌工程現(xiàn)狀及存在的問題

第一，灌排標準低。灌區(qū)地形平緩，灌(排)渠(溝)坡度小，不利于輸沙，往往導致渠道和排水溝淤積，既影響了灌溉用水，又導致排洪、排澇能力下降。灌區(qū)現(xiàn)在灌溉渠道大多建于20世紀60—70年代，前11期工程對部分嚴重影響灌溉輸水功能的渠道段進行了改造。但仍然有部分灌溉渠道淤積嚴重，雜草叢生，過流能力不滿足要求。

第二，灌區(qū)的渠系建筑物老化損壞嚴重，不能正常發(fā)揮功能。灌區(qū)現(xiàn)在支渠以上配套建筑物1027座，其中渡槽35座，倒虹吸28座，橋涵301座，隧洞7座，各類閘及其他建筑物656座，工程完好率僅為68.1%。排水溝系現(xiàn)配套建筑物898座，其中各類涵閘141座，橋涵757座，工程完好率73.2%。

由于存在上述問題，致使灌區(qū)約20萬畝水田的供水得不到保障，經(jīng)常處于抗旱供水的被動狀態(tài)。同時無法按水稻作物生育階段的需要及時建立適宜田間面水層和調(diào)控地下水位，使灌區(qū)內(nèi)的地下水位偏高，地溫偏低，水稻平均畝產(chǎn)僅為370kg，屬于中低產(chǎn)田。為了使灌區(qū)的生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境條件得到改善，研究開發(fā)了一種抗?jié)B阻裂水泥砂漿，將其應用于灌區(qū)灌溉渠道襯砌工程中，以期提高水的利用效率，促進節(jié)水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展，確保農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收。

3 改性砂漿在灌溉渠道防滲修復方面的應用研究

3.1 水泥砂漿抗阻性能研究

在灌溉渠道的修建過程中，水泥砂漿材料容易開裂和滲漏等問題。在混凝土結(jié)構(gòu)中，一旦發(fā)生此類現(xiàn)象，就極易遭受有害物質(zhì)的侵蝕和凍融損傷，從而降低混凝土的耐久性，影響工程的質(zhì)量和服役壽命，對人們的生命和財產(chǎn)造成危害[8]。造成這一現(xiàn)象的根本原因是由于水泥砂漿在水化過程中產(chǎn)生體積收縮，進而產(chǎn)生裂縫與變形[9]。目前，抗裂主要從兩個方面進行，一種是通過摻加防裂材料，利用其早齡期產(chǎn)生的微膨脹對收縮進行補償，降低其空隙率，從而改善混凝土的抗裂性能。二是提高基材的抗拉強度，減少基材內(nèi)部的一些應力，以到達抗裂的目的。然而一般的水泥基材料由于其抗拉強度偏低，在承受超過其承受能力的拉應力時，會在其薄弱部位產(chǎn)生裂紋。玄武巖纖維作為一種新型無機環(huán)保綠色高性能纖維材料，其除了具有較高的抗拉強度外，還具有許多優(yōu)良的特性，如電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等。故研究選擇向水泥砂漿中增添玄武巖纖維以增加其抗裂性能。

纖維間隔理論可以很好地闡明纖維的斷裂機理，阻裂機理示意圖如圖1所示。該理論認為水泥砂漿中普遍存在著諸如裂縫、孔洞之類的缺陷，在外力的作用下，裂縫、空洞容易產(chǎn)生集中的應力，從而導致水泥砂漿產(chǎn)生裂縫。而均勻分布的纖維可有效緩解該問題，通過降低裂紋尖端處應力集中程度，抑制裂紋擴展，從而實現(xiàn)增韌和阻裂。

圖1 阻裂機理示意圖

纖維在水泥基體中呈立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可有效抑制或減緩基體內(nèi)部裂紋的成型，加入玄武巖纖維后，可在裂紋端面產(chǎn)生反作用應力，以減小整體應力[10]。通過以上分析，可以得出纖維間距與單位體積摻量的關系式，具體如式(1)。

(1)

式中，S—纖維間距；df—纖維直徑；Vf—纖維體積摻量。從式(1)中可以看出，隨著纖維用量的增加，水泥砂漿的抗裂性會提高，并且隨著纖維直徑的減小，水泥砂漿的抗裂性會提高。

研究采用《纖維混凝土試驗方法標準》等有關規(guī)定進行抗裂性測試。阻裂性能試驗裝置的示意圖如圖2所示，限制板尺寸為550mm×550mm×30mm，在板上放置栓釘，每1根栓釘間距50mm，每1根栓釘?shù)拈L度100mm。將配制好的水水泥砂漿灌入，抹平，然后在上面蓋上1層塑膠膜，待樣品完全成型后，揭去塑膠膜，用風扇對著樣品的表面吹風。24h后，以在水泥砂漿表面上可以用肉眼看到的裂紋為標準，對裂紋的數(shù)量和長度進行觀測，其中裂紋的最大寬度通過讀數(shù)顯微鏡進行測定。

圖2 阻裂性能試驗裝置的示意圖

根據(jù)裂縫降低系數(shù)法，可以得出阻裂性能評價指標的計算方式，具體見式(2)。

(2)

式中，a—平均每條裂縫面積；b—單位面積發(fā)生開裂的裂縫總數(shù)量；c—單位面積的總裂縫面積；A—約束平板的低面面積；An—裂縫總面積；η—裂縫的降低系數(shù)；Wi，max—第i條裂縫的縫寬；li—第i條裂縫的總長度；Am—普通砂漿的產(chǎn)生開裂的裂縫總面積。

3.2 抗?jié)B性能研究

灌溉渠道襯砌工程除了要求需要有良好的阻裂性能提高使用壽命，還需要有優(yōu)秀的抗?jié)B性能，以保證灌渠使用過程中在最低水量損失的情況下完成輸水灌溉任務[11-13]。眾多研究表明膨潤土改性水泥基材料后抗?jié)B性能得到了顯著提升。膨潤土具有吸濕性和膨脹性，吸水能力是自身體積的8～15倍，體積膨脹可以達到數(shù)倍到30倍，并且在水相中可分散為膠體或懸浮兩種狀態(tài)，并表現(xiàn)出較好的黏性、觸變性及潤滑性能[14]。同時，膨潤土能有效地提高水泥砂漿的保水性能，防止水分的損失，從而有利于玄武巖纖維和基材的相互作用。

抗?jié)B性是一種物質(zhì)自身能夠抵抗最大水壓的能力，抗?jié)B性能的優(yōu)劣與物質(zhì)的密度及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有很大關系[15]。圖3是膨潤土在水泥砂漿中的抗?jié)B機理示意圖。當膨潤土和水泥粉混合后，夾雜在水泥粉的中間，當遇到水時膨潤土會吸收水分進而膨脹，各組分礦物組成之間相互擠壓，會產(chǎn)生一種類似于薄膜狀的膠體，這一作用可以填充水泥粉之間的空隙，從而起到防水防滲漏的作用。

圖3 膨潤土的抗?jié)B機制模型

膨潤土是一種具有很強分散性的材料，在發(fā)生水化反應之后，它會在基質(zhì)中均勻地分布，對基質(zhì)中的孔隙進行細化處理，從而能夠降低基質(zhì)中的孔隙，將水泥砂漿中的孔隙完全填滿。在摻入了膨潤土后，水泥砂漿的孔隙體積分數(shù)主要集中在6～50nm的無害或少害孔隙中，從而提高了水泥砂漿的抗?jié)B性。另外膨潤土的主要成分是由火山玻璃觸變或沉積形成的微晶高嶺土，化學成分是含水硅酸鹽，是由云母狀薄片層堆壘而成的單個顆粒。這些薄片層的上，下表面帶負電，因而膨潤土的構(gòu)成單位是互相排斥的。膨潤土在水化時，水分子沿著Si-Si結(jié)構(gòu)單位的硅層表面吸附起來，使相鄰接的結(jié)構(gòu)單位層之間的距離加大，大幅提高了水泥砂漿的抗?jié)B性。

抗?jié)B性能的測試按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》等有關規(guī)定進行。將養(yǎng)護至齡期28d的試件周邊封閉，然后裝入到砂漿滲透儀上，由0.2MPa起逐步增壓，在恒壓2h后，增壓至0.3MPa。每間隔1h，再次增壓0.1MPa，待6件試件中第3件出現(xiàn)表層滲漏時，結(jié)束試驗，并將此時的水壓記錄下來。如果試樣28d有水滲出來，說明試樣沒有完全封好，需要將試樣再次封好，用相同的方法進行測試。水泥砂漿抗?jié)B性能的計算方式見式(3)。

P=H-0.1

(3)

式中，P—水泥砂漿抗?jié)B壓力值；H—6個試件中有3個試件出現(xiàn)滲水的水壓力。

4 新型水泥砂漿材料的抗?jié)B阻裂性能分析

研究所用材料為遼陽千山水泥有限責任公司產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥；遼寧鑫盛膨潤土有限公司生產(chǎn)的膨潤土，平均粒徑為10.01μm；遼寧金石科技集團有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，直徑為12mm；遼寧潤裕精細化工有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性減水劑；細集料為遼寧地區(qū)的普通河砂。實驗采用IBM SPSS Statistics 22.0進行數(shù)據(jù)分析，Origin 9.1進行繪圖。

圖4為玄武巖纖維與膨潤土摻量對水泥砂漿防滲效果的研究，其中不摻膨潤土和玄武巖纖維的為對照組。由圖3可以看出，在只摻膨潤土的情況下，隨著膨潤土摻量的增大，抗?jié)B壓力也隨之增大。當膨潤土的用量由2%增加到8%，相比于對照組的抗?jié)B透壓，其抗?jié)B透壓的增加幅度為9.41%、30.65%、54.76%、73.55%。玄武巖纖維與膨潤土共摻時，在0.2%、0.4%、0.6%的情況下，水泥砂漿的抗?jié)B性隨膨潤土用量的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，并在4%的膨潤土用量下達到最大值，其抗?jié)B透力為0.87MPa，較對照組增加61%。玄武巖纖維單獨摻入時，其抗?jié)B透力隨纖維含量的增加而增加，隨后逐漸降低，當其含量為0.4%時，其抗?jié)B透力為0.63MPa，比對照組提高15.49%。上述研究結(jié)果顯示，膨潤土和玄武巖纖維均可顯著改善水泥砂漿的抗?jié)B能力，但膨潤土的作用更為顯著，且過量摻入玄武巖纖維會降低混凝土的抗?jié)B能力。

圖4 膨潤土-玄武巖纖維防滲水泥砂漿的滲透實驗

為了評價水泥砂漿的抗裂性能，研究根據(jù)裂縫降低系數(shù)設置如下評價標準：η≥70%(Ⅰ級)，55%≤η<70%(Ⅱ級)，0≤η<55%(Ⅲ級)。表1是不同膨潤土和玄武巖纖維摻量的抗裂等級。由表1可知，在單摻膨潤土的時候，裂縫降低系數(shù)都低于50%，均為Ⅲ級抗裂，抗裂效果并不理想。玄武巖纖維與膨潤土混合后，裂縫降低系數(shù)隨膨潤土用量的增加而先略有上升，而后下降，最后趨于平穩(wěn)。在膨潤土和玄武巖纖維摻量分別為4%和0.6%的情況下，水泥砂漿的裂縫降低系數(shù)最高，達90.59%。玄武巖纖維單獨添加時，隨著摻量的增加，其裂縫降低系數(shù)也隨之提高，但其裂縫降低系數(shù)比較4%膨潤土和0.6%纖維混合降低了1.34%。因此，添加4%的膨潤土與0.6%的玄武巖纖維時，水泥砂漿的阻裂作用最為明顯。

表1 抗裂等級表

圖5表示不同摻量膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿抗裂性能的影響。圖5(a)是裂縫最大寬度的比較結(jié)果，在膨潤土用量為4%時，裂縫最大寬度均為最小，最大裂紋寬度下降幅度最大，比對照組減少65.87%。圖5(b)是單位面積裂縫數(shù)量的比較結(jié)果，膨潤土含量越高，單位面積裂縫數(shù)量越少，隨著摻量的增加趨勢逐漸減緩。其中，膨脹土含量6%、纖維含量0.6%時，裂縫數(shù)量最少。在單一添加玄武巖纖維的情況下，纖維用量為0.6%時，裂紋數(shù)量最少，但該最小值仍高于混合摻入6%膨潤土和0.6%時。圖5(c)是水泥砂漿單位面積的裂縫總面積的比較結(jié)果，與其他組分比較，在0.6%的纖維用量下，單位面積開裂面積最小。圖5(d)是裂縫降低系數(shù)的比較結(jié)果，在膨潤土摻量為4%，玄武巖纖維摻量為0.6%時，裂縫降低系數(shù)最大，較單摻纖維砂漿增加1.33%，表明適當?shù)呐驖櫷僚c纖維對其抗裂性有較好的促進作用。綜上分析，在4%的膨潤土與0.6%的玄武巖纖維摻量的情況下，阻裂作用最為明顯。

圖5 不同膨潤土和玄武巖纖維摻量對水泥砂漿阻裂性能的影響

5 結(jié)語

研究針對東港灌區(qū)灌渠易變形、易開裂、易滲漏的缺點，研制出了一種新型的防滲阻裂水泥砂漿材料，并進行了不同摻量配比的玄武巖纖維和膨潤土的抗?jié)B、阻裂性能影響規(guī)律研究。結(jié)果表明，混摻玄武巖纖維與膨潤土時，在4%的膨潤土摻量下抗?jié)B性都表現(xiàn)最好。在膨潤土與玄武巖纖維混合、單摻膨潤土與玄武巖纖維3種方法中，混摻效果最好。當膨潤土摻量為4%、玄武巖纖維摻量為0.6%時，其減裂系數(shù)為90.59%。新型水泥砂漿材料的抗?jié)B阻裂性能得到了顯著提升，可以滿足灌渠工程質(zhì)量要求，后續(xù)可研究砂漿的抗凍融、抗腐蝕性能，以滿足于長期作用下的使用性能。