陶 晨

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

0 引 言

瑪納斯河灌區(qū)自1997年實(shí)施節(jié)水改造項(xiàng)目規(guī)劃以來(lái)，通過(guò)20多年的續(xù)建配套，修建和完善了大量輸水工程[1]。東岸大渠位于瑪河?xùn)|岸，渠道全長(zhǎng)17.3 km，設(shè)計(jì)流量91 m3/s，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的運(yùn)行，渠道老化、襯砌磨損及破壞嚴(yán)重，而該渠道系統(tǒng)是灌區(qū)的基礎(chǔ)，直接決定了農(nóng)作物的灌溉質(zhì)量，進(jìn)而影響灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，迫切需要研究新型渠道加固材料來(lái)減緩和控制渠道破壞，提升灌區(qū)的灌溉水平[2-3]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)渠道加固開(kāi)展了相關(guān)研究，并取得一系列成果。周吉軍等[4]針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)渠道凍脹破壞問(wèn)題和高流速渠道沖刷破壞問(wèn)題,總結(jié)了采用各種砌石襯砌結(jié)構(gòu)防滲、防沖的優(yōu)越性。王芳[5]結(jié)合瑪河灌區(qū)基本情況,分析了東岸大渠存在的主要問(wèn)題,針對(duì)東岸大渠改建段現(xiàn)狀，提出東岸大渠改造方案。魏勇[6]分析了瑪納斯河灌區(qū)混凝土渠道凍脹破壞的機(jī)理,進(jìn)而提出針對(duì)性的防護(hù)措施。駱蘭[7]揭示了新疆混凝土渠道凍脹破壞機(jī)理，認(rèn)為邊坡板上切向凍脹力是導(dǎo)致渠道凍脹破壞的主導(dǎo)因素。施文軍[8]根據(jù)渠系水位流量關(guān)系率定系統(tǒng)，采用曲線擬合的最小二乘法，得到指定次數(shù)的多項(xiàng)式, 并以該多項(xiàng)式為基礎(chǔ)，找到指定渠道的水位和流量之間的函數(shù)關(guān)系。付葉卿[9]對(duì)瑪納斯河引水工程范圍內(nèi)開(kāi)展懸移質(zhì)泥沙觀測(cè)工作,對(duì)電站渠進(jìn)行懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)。

本文研究一種改良的塑性纖維材料混凝土渠道襯砌，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，探究塑性纖維混凝土抗凍性、抗壓強(qiáng)度、滲透性以及質(zhì)量損失，并將研究成果用于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)，效果顯著，可推廣使用。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)制備的塑性纖維增強(qiáng)混凝土由水泥、堿性溶液、中砂、粗骨料、塑性纖維組成。水泥采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的要求，通過(guò)XRD光譜分析測(cè)得其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO。復(fù)合堿激發(fā)劑由水玻璃和NaOH按一定的比例配合而成，水玻璃為市售液體水玻璃，NaOH為純度高于99%的固體分析純。 塑料纖維材料表觀密度25.7 kg/m3，直徑11 μm。圖1為本次試驗(yàn)用塑性纖維材料和混凝土漿液，表1為硅灰各組分含量。

圖1 塑性纖維材料和混凝土漿液

表1 硅灰各組分含量

根據(jù)前期的配合比設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)配料為砂530 kg/m3、石子800 kg/m3、硅灰160 kg/m3。纖維混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，為使纖維能均勻分散于混凝土中，應(yīng)通過(guò)搖篩或分散機(jī)加料。攪拌的投料順序與普通混凝土不同。第一種方法是先將粗細(xì)骨料、水泥和水加入攪拌機(jī)，攪拌均勻后再將纖維加入攪拌。第二種方法分3步，第一步先將粗細(xì)骨料攪拌均勻，第二步加入纖維攪拌，第三步將水泥和水加入再攪拌。本文采用第二種方法，粗細(xì)骨料先在攪拌機(jī)中干拌3 min，之后加入纖維攪拌1 min，最后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液和水泥等添加進(jìn)去，濕拌4 min，同時(shí)制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm×400 mm的成型箱中振動(dòng)成型，待觀察無(wú)任何凝結(jié)跡象、抗壓強(qiáng)度無(wú)任何退化后，送入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

2 混凝土抗凍性能測(cè)試

本次試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)中的快凍法開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)。設(shè)定凍融冰箱試件的最低溫度為-20°，融化溫度為5℃。一個(gè)凍融循環(huán)為4 h，其中融化環(huán)節(jié)耗時(shí)不能低于1 h。此外，連續(xù)凍融20次檢查一次混凝土試塊外表面，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行記錄。累計(jì)凍融50次后，檢查混凝土外表面的頻次由之前的20次凍融變成10次凍融，累計(jì)凍融300次后試驗(yàn)結(jié)束，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析凍融變化規(guī)律。

依照標(biāo)準(zhǔn), 混凝土的抗凍等級(jí)F為相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不低于60%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù), 圖2為普通混凝土和加入塑性纖維混凝土的抗凍性能變化情況。

圖2 普通混凝土和纖維混凝土的抗凍性能變化情況

由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)彈性模量均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但加入塑性纖維材料的混凝土相對(duì)彈性降低速度明顯緩慢于普通混凝土。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300次時(shí)，普通混凝土幾乎已經(jīng)達(dá)到抗凍等級(jí)F，而聚酰胺類樹(shù)脂材料混凝土此時(shí)的相對(duì)彈性模量為75%，抗凍等級(jí)遠(yuǎn)高于普通混凝土。本次試驗(yàn)中，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為50次時(shí)，普通混凝土的相對(duì)彈性模量為90%，而纖維混凝土為95%；融循環(huán)次數(shù)為150次時(shí)，普通混凝土為83%，纖維混凝土為87%；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為250次時(shí)，普通混凝土的相對(duì)彈性模量為68%，而纖維混凝土為78%。

圖3為普通混凝土和纖維混凝土的質(zhì)量變化情況。由圖3可知，在未進(jìn)行凍融試驗(yàn)之前，普通混凝土的質(zhì)量為9.36 kg，纖維混凝土的質(zhì)量為8.68 kg；凍融150次后，普通混凝土質(zhì)量損失2.1%，纖維混凝土僅損失1.7%；凍融300次后，普通混凝土質(zhì)量損失降低至9.13 kg，纖維混凝土降低至8.76 kg，質(zhì)量損失分別為3.4%和2.4%。由此可以看出，纖維的加入能夠緩解混凝土在凍融情況下的質(zhì)量損失。這是由于摻加纖維減緩了水對(duì)試件入侵，降低基體內(nèi)部?jī)雒浟Γ€具有良好的黏結(jié)作用，有利于減少基體表面碎片的脫落。

圖3 普通混凝土和纖維混凝土的質(zhì)量變化

3 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4為不同纖維含量下混凝土養(yǎng)護(hù)7、14和28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度變化。由圖4可知，加纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯大于普通混凝土，隨著纖維含量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但當(dāng)達(dá)到20%含量后，混凝土性能會(huì)出現(xiàn)明顯降低。其中，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7 d時(shí)，纖維含量為10%、15%、20%和25% 的抗壓強(qiáng)度分別為18.3、18.9、19.8和18.3 MPa，而普通混凝土僅為17.3 MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為25.6、27.3、29.7和26.2 MPa，普通混凝土僅為23.9 MPa；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為30.2、31.1、33.2和32.7 MPa，普通混凝土僅為29.7 MPa。

圖4 普通混凝土和纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度變化

由以上結(jié)果可知，纖維摻入水泥混凝土后，具有明顯的阻裂作用。水泥基體在澆筑后的24 h內(nèi)抗拉強(qiáng)度很低，若處于約束狀態(tài)，當(dāng)其所含水分急劇蒸發(fā)時(shí)，極易生成大量的裂縫。此時(shí)，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應(yīng)力，從而阻止或減少裂縫的生成?；炷劣不?，若仍處于約束狀態(tài)，因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，也極易生成大量的裂縫。在此情況下，纖維仍可阻止或減少裂縫的生成，因此制作而成的復(fù)合纖維混凝土具有較好的抗壓強(qiáng)度，但應(yīng)當(dāng)注意含量不宜過(guò)高，過(guò)高的含量反而會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。

4 混凝土滲透性

圖5為不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，普通混凝土和纖維混凝土滲透系數(shù)變化情況。

圖5 普通混凝土和纖維混凝土的滲透性變化

由圖5可知，塑性纖維含量的增加有助于提升混凝土的抗?jié)B性，且優(yōu)于普通混凝土。當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7 d時(shí)，纖維含量為10%、15%、20%和25% 的滲透系數(shù)分別為4.1×10-7、3.7×10-7、3.5×10-7和3.1×10-7cm/s，而普通混凝土為3.7×10-7cm/s；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為14 d時(shí)，滲透系數(shù)分別為5.7×10-7、5.3×10-7、5.1×10-7和4.9×10-7cm/s，而普通混凝土為5.9×10-7cm/s；當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28 d時(shí)，滲透系數(shù)分別為6.3×10-7，5.8×10-7、5.5×10-7和5.3×10-7cm/s，而普通混凝土為6.5×10-7cm/s。從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，纖維能夠提升混凝土抗?jié)B性, 是由于纖維與水泥集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，很容易與混凝土材料混合。此外，纖維細(xì)度大，當(dāng)微裂縫在細(xì)裂縫發(fā)展的過(guò)程中，不同向的細(xì)纖維具有明顯阻擋作用，消耗了混凝土內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的作用，極大地減少了混凝土收縮裂縫，尤其是有效抑制了連通裂縫的產(chǎn)生，有效提高了混凝土抗?jié)B能力。

5 應(yīng)用分析

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終選擇將纖維含量20%、砂530 kg/m3、石子800 kg/m3、硅灰160 kg/m3、水灰比0.67作為現(xiàn)場(chǎng)混凝土板渠道的配比設(shè)計(jì)。圖6為渠道改造前后對(duì)比圖。渠道襯砌采用厚8～10 cm現(xiàn)澆混凝土板。為減少凍脹，在現(xiàn)澆混凝土板下?lián)Q填砂礫石墊層，砂礫石墊層換填厚度渠底采用厚40 cm，邊坡厚30～40 cm。渠道左側(cè)堤寬2 m，右側(cè)堤為伴行路，伴行路寬4 m，路面鋪設(shè)厚20 cm砂礫石墊層。通過(guò)目前應(yīng)用監(jiān)測(cè)分析，改造后的渠道滲漏量減少，輸水效率得到有效提高，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 渠道改造前后對(duì)比圖

6 結(jié) 論

本文對(duì)位于瑪河?xùn)|岸的渠道進(jìn)行加固改造，研究了一種改良的塑性纖維材料混凝土渠道襯砌，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，探究了塑性纖維混凝土抗凍性、抗壓強(qiáng)度、滲透性以及質(zhì)量損失。 結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土相對(duì)彈性模量呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但加入塑性纖維材料的混凝土相對(duì)彈性降低速度比普通混凝土更慢；纖維的加入減緩了水對(duì)試件入侵，降低基體內(nèi)部?jī)雒浟Γ軌蚓徑饣炷猎趦鋈谇闆r下的質(zhì)量損失；加纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯大于普通混凝土，隨著纖維含量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，但當(dāng)達(dá)到20%含量后混凝土性能會(huì)出現(xiàn)明顯降低；塑性纖維含量的增加有助于提升混凝土的抗?jié)B性，且優(yōu)于普通混凝土。