劉秀軍

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司,烏魯木齊 830000)

我國(guó)北方大部分地區(qū)都是季節(jié)性凍土區(qū),由于受凍融影響,混凝土襯砌渠道普遍存在冬季凍脹現(xiàn)象,輸水項(xiàng)目均會(huì)遇到特別嚴(yán)重的凍害,同時(shí),還會(huì)對(duì)渠道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和耐久性造成嚴(yán)重影響[1]。工程就算沒有被徹底破壞,修復(fù)起來也需要大量的人力物力。目前,我國(guó)北方灌區(qū)渠道凍脹防治方法主要以增強(qiáng)襯砌構(gòu)造的強(qiáng)度與耐久性為重點(diǎn),將保溫板布置在襯砌構(gòu)造下方,并對(duì)渠基土進(jìn)行固化與換填等處理,但在新材料的研究與應(yīng)用方面還較為欠缺?；诖?本文探索泡沫輕質(zhì)混凝土在渠道防凍脹方面的工程價(jià)值,具有重要的意義[2]。

1 渠道凍害機(jī)理

襯砌體下土體凍脹是引起渠道凍害的重要因素,由于土體凍脹具有多向性,只有當(dāng)土體凍脹在橫向上達(dá)到平衡時(shí),才會(huì)出現(xiàn)縱向向上的現(xiàn)象。根據(jù)研究土顆粒移動(dòng)的熱篩效果和對(duì)流遷移原理可知,在寒冷地區(qū),由于溫度年周期起伏,表層土壤發(fā)生了多次凍融,造成土體坡面重塑。這種重塑情況主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:(1)因水分遷移產(chǎn)生分凝冰現(xiàn)象,導(dǎo)致土體凍脹;(2)溶質(zhì)遷移隨著水分遷移而出現(xiàn),誘發(fā)土體中產(chǎn)生高濃度帶,造成土體中形成中融弱層;(3)土顆粒受內(nèi)外應(yīng)力影響發(fā)生移動(dòng),從而使冷生剖面發(fā)生改變,引起土體屬性變化和產(chǎn)生一些不利的物理?xiàng)l件[3]。

土壤是一種多孔、多相的松散介質(zhì),由礦物顆粒、有機(jī)質(zhì)、孔隙水與氣體等組成,孔隙之間的分布和結(jié)合往往是雜亂無章的,即隨機(jī)的。凍結(jié)效應(yīng)將外力作用于土層引起土體凍脹,因?yàn)樗芏仁莑 t/m3,冰密度是0.92 t/m3,土內(nèi)水分結(jié)冰后,會(huì)增加9%的體積,從而形成凍脹力將土顆粒推開[4]。游離水在土體孔隙內(nèi)不受土粒電分子引力約束,易于結(jié)冰,由于結(jié)合水(又叫薄膜水、吸著水)在孔隙水內(nèi)被很大的土粒電分子引力約束,故很難結(jié)冰。土粒愈小,電分子引力約束愈大,結(jié)冰愈遲緩,所以在土體結(jié)冰時(shí),先結(jié)冰的是大孔隙內(nèi)的游離水,使土內(nèi)的大土粒先上升,然后小孔隙內(nèi)的水被凍住讓大顆粒繼續(xù)上升,導(dǎo)致土顆粒在凍結(jié)期間豎向出現(xiàn)移動(dòng),這就是熱篩效應(yīng)。并且,在土體凍結(jié)期間,會(huì)產(chǎn)生水分移往冷鋒面的情況,在水流轉(zhuǎn)移速度到達(dá)某一值時(shí)細(xì)小土粒會(huì)出現(xiàn)遷移,叫做對(duì)流遷移。另外,凍結(jié)力會(huì)改變土顆粒和孔隙在空間分布及結(jié)合,使其從原本的雜亂(隨機(jī))變成有秩序,土密度降低,導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)應(yīng)減小,對(duì)渠道岸坡的穩(wěn)固造成影響[2]。

結(jié)冰邊緣厚度隨著結(jié)冰持續(xù)時(shí)間的改變而改變,分凝冰層的水都是從結(jié)冰邊緣未結(jié)冰地區(qū)獲得。在非構(gòu)造關(guān)聯(lián)位置,分凝冰層地點(diǎn)最容易產(chǎn)生,冷鋒面降溫分凝冰層也隨之降溫,通常在結(jié)冰過程中會(huì)形成多個(gè)分凝冰層。在有構(gòu)造關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中,按水分遷移規(guī)律與凍土內(nèi)冰水平衡規(guī)律:(1)在非凍結(jié)水勢(shì)梯度作用下,未凍結(jié)水不斷從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移;(2)由于冰層系統(tǒng)中不同位置的溫度不同,使得這個(gè)位置沒有與該溫度相對(duì)應(yīng)的冰層含水量,為了把沒凍結(jié)的水用冰的形態(tài)移動(dòng)到這一位置,體積會(huì)變大,當(dāng)變大的體積被限制時(shí)就會(huì)產(chǎn)生膨脹力。當(dāng)剪應(yīng)力比原料抗剪強(qiáng)度高時(shí),將產(chǎn)生剪切損壞,并在該部位形成分凝冰層,這就是土內(nèi)分凝冰層與土層凍脹的構(gòu)成原理。

2 泡沫輕質(zhì)混凝土

2.1 材料特性與工程價(jià)值

泡沫輕質(zhì)混凝土是一種人造的新式原料,它的重要特性是:因?yàn)榕菽p質(zhì)混凝土內(nèi)含有許多細(xì)小氣泡群,所以它的容重要比一般的土體小得多,而且還可以通過設(shè)計(jì)不同成分的配合比,將其強(qiáng)度調(diào)整到0.5～5.0 MPa;由于泡沫輕質(zhì)混凝土內(nèi)以水泥為固化劑,故可于操作后5 h完成固化,且不影響后續(xù)工序的施工作業(yè);泡沫輕質(zhì)混凝土是一種比一般高分子原料隔熱性與耐久性更好的水泥類原料。泡沫輕質(zhì)混凝土在特定厚時(shí)能達(dá)到較好的保溫效果。目前,雖然泡沫輕質(zhì)混凝土主要用于公路的路基施工,但如果將其用于襯砌構(gòu)造下方作保溫層,則將具有極大的優(yōu)勢(shì)。

(1)泡沫輕質(zhì)混凝土中具有40%～60%的氣泡體積含量,其隔熱功能優(yōu)異,用于渠道施工時(shí)可獲得良好的保溫效果,可有效抑制渠道襯砌構(gòu)造的凍脹破壞;

(2)泡沫輕質(zhì)混凝土的原料強(qiáng)度遠(yuǎn)高于聚苯乙烯保溫板,其耐久性也更好,用于修建渠道時(shí),可提高襯砌構(gòu)造與基土的完整性,對(duì)提高渠道項(xiàng)目的耐久性十分有利;

(3)泡沫輕質(zhì)混凝土工程造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)單,造價(jià)大概只有聚苯乙烯保溫板的一半。

2.2 制備工藝

泡沫輕質(zhì)混凝土配制所需的重要材料包括水泥、發(fā)泡劑及水。采用水泥廠加工的P.O42.5普通硅酸鹽水泥用作實(shí)驗(yàn)水泥,通過樣本的檢測(cè)成果表明,其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的要求。采用具有80倍稀釋倍數(shù)的HY-F80復(fù)合型發(fā)泡劑用于試驗(yàn),其結(jié)果為49.5 kg/m3氣泡群密度,1.3 mm的下沉距離,20.2 ml的沁水量,所有指標(biāo)都符合《泡沫輕質(zhì)混凝土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177-2012)的有關(guān)規(guī)定。采用項(xiàng)目當(dāng)?shù)厣钏髟囼?yàn)用水。

利用物理發(fā)泡的辦法配制泡沫輕質(zhì)混凝土。在本次調(diào)研中經(jīng)過對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行歸納明確詳細(xì)的制備工藝流程,詳見圖1。

圖1 泡沫輕質(zhì)混凝土制備工藝流程

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)段選擇

在試驗(yàn)過程中,以某灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目編號(hào)為2號(hào)支渠的樁號(hào)CZ1+100～CZ1+150作為測(cè)試段。測(cè)試段渠道設(shè)計(jì)采用梯形斷面,邊坡為1.5的坡度,渠底部寬2.0 m,渠深1.5 m,襯砌使用現(xiàn)澆式混凝土,地下水位位于渠底下方0.2 m。

3.2 試驗(yàn)方法

通過對(duì)測(cè)試段渠基土的溫度與襯砌構(gòu)造凍脹量的測(cè)試,來檢查泡沫輕質(zhì)混凝土的防凍脹項(xiàng)目成效。在試驗(yàn)期間以單點(diǎn)溫度傳感器作為基土溫度的監(jiān)管檢測(cè)手段,總共安裝4組溫度傳感器,分別在渠兩邊、頂端及渠底部各設(shè)置1組?？紤]到在冬天,灌區(qū)有1.2 m的最大凍結(jié)深度,地面之下2.0 m處凍脹受基礎(chǔ)土溫轉(zhuǎn)變的影響較小,所以,每組溫度傳感器都打2.0 m深的孔,每20 cm安裝1個(gè)溫度傳感器于孔中,從上到下共安裝11個(gè)。為了避免傳感器位置發(fā)生變化,需要將所有溫度傳感器串好穩(wěn)固后放進(jìn)PVC管,再放入溫度孔。采用凍脹移動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)凍脹量。在埋設(shè)過程中,首先要將孔鉆至設(shè)計(jì)深度,再把延長(zhǎng)桿插進(jìn)鉆孔中,將防凍套管安裝于延長(zhǎng)桿上,確保延長(zhǎng)桿底部密切連接土體,再將原狀土填筑到孔內(nèi)并進(jìn)行壓實(shí)。

3.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

測(cè)試段采用6 cm厚的C35現(xiàn)澆混凝土作襯砌構(gòu)造,用3 cm厚的水泥砂漿在表面進(jìn)行抹面。將泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層安裝于襯砌構(gòu)造與渠基土中間,把有關(guān)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)與原料的導(dǎo)熱系數(shù)聯(lián)合起來,將各種厚度(如15、20、25、30、35 cm等)的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層的防凍脹效應(yīng)進(jìn)行比較研究。為了比較分析,對(duì)照計(jì)劃使用6 cm厚的聚苯乙烯保溫板計(jì)劃。測(cè)試段竣工于2022年12月1日并進(jìn)行測(cè)驗(yàn),至12月30日完成測(cè)驗(yàn),測(cè)驗(yàn)以30d為周期。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 凍深

根據(jù)在測(cè)驗(yàn)中得到的溫度垂直分布資料,整理得到典型時(shí)間段的最大凍結(jié)深度,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表 1 不同試驗(yàn)方案的最大凍深 m

從表1可知,隨著周圍溫度的漸漸降低,每一組基土最大凍結(jié)深都在逐漸增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速度越來越慢,最后接近平穩(wěn)。對(duì)比泡沫輕質(zhì)混凝土各種厚度的試驗(yàn)方案數(shù)據(jù),在同一測(cè)試時(shí)間段,出現(xiàn)基土最大凍結(jié)深度隨泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚的加大而逐漸縮小的特點(diǎn),但是變動(dòng)速度也漸漸降低。這表明泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚的加大能使冬天渠基土的最大凍結(jié)深有效降低,有利于防凍脹設(shè)計(jì)。然而,隨著泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚度不斷增加,以上項(xiàng)目效應(yīng)會(huì)越來越差,對(duì)于厚度為25 cm以下的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層,隨層厚度的加大渠道地基土的最大凍結(jié)深度明顯減小;厚度為30 cm以上的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層,增長(zhǎng)厚度對(duì)渠道基土最大凍結(jié)深度無明顯減小。由此可以看出,它的最大凍結(jié)深測(cè)試成果在25 cm厚與30 cm厚的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層方案間。因此可知,泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層選擇25～30 cm厚時(shí),可以達(dá)到與6 cm厚聚苯乙烯保溫板相同的效果。

4.2 凍脹量

歸整測(cè)試期間凍脹量測(cè)試資料,得到襯砌構(gòu)造在典型時(shí)間段的最大凍脹量,見表2。

表 2 不同試驗(yàn)方案的最大凍脹量

從表2中可以看出,隨著測(cè)試的開展,渠道襯砌構(gòu)造的凍脹量呈現(xiàn)出先降低再增加并漸漸接近平穩(wěn)的特征,這是由于完成施工后基土具有適當(dāng)?shù)南鲁磷冃?而后凍脹變形逐漸出現(xiàn)。通過對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土各種厚度方案的凍脹量測(cè)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在同一測(cè)驗(yàn)時(shí)間段,出現(xiàn)基土最大凍結(jié)深度隨泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚度的加大而逐漸縮小的特點(diǎn),并且變動(dòng)速度漸漸降低。因此可知,冬天渠基土的最大凍脹量可通過泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚度的增加而得到有效降低,不過隨著泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚度的增加,抑制作用會(huì)越來越弱。厚度在25 cm以下的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層,凍脹量的抑制作用比較顯著;厚度在30 cm以上的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層,凍脹量的抑制作用不佳。從比較方案可知,它的最大凍結(jié)深度測(cè)試成果在25 cm厚與30 cm厚的泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層方案間。因此可知,泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層選25～30 cm厚時(shí)能達(dá)到和6 cm厚度的聚苯乙烯保溫板同樣的功效。

5 結(jié)論

經(jīng)過研究嚴(yán)寒地區(qū)渠道防凍脹方面泡沫輕質(zhì)混凝土的運(yùn)用,能夠推斷出:渠道基土的最大凍結(jié)深度與最大凍脹量隨泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層厚度的加大而逐漸降低,不過當(dāng)厚度達(dá)到30 cm以上后下降程度就非常小了;泡沫輕質(zhì)混凝土保溫層在25～30 cm厚度時(shí)與厚度為6 cm的聚苯乙烯保溫板具有同樣的防凍脹效果。泡沫輕質(zhì)混凝土具有隔熱作用好、強(qiáng)度和價(jià)錢優(yōu)勢(shì),可用于高寒地區(qū)渠道防凍脹設(shè)計(jì)施工。