输水渠开裂纤维混凝土衬砌渗透系数试验研究

鲁鹏

（辽宁西北供水有限责任公司，辽宁桓仁117200）

1 研究背景

在农田水利工程建设中，输水渠道是不可或缺的组成部分[1]。衬砌渗水是输水渠道工程建设中最常见的病害之一，对输水渠道的耐久性和功能发挥存在巨大影响，而混凝土衬砌裂缝无疑是造成上述情况的主要因素[2]。为了提高输水渠道混凝土衬砌的耐久性和抗渗性能，近年来在输水渠道设计和施工中开始大量运用纤维混凝土衬砌。这种以水泥基料为基础适当添加各种纤维材料形成的新型材料，具有强度大、抗裂性强、耐久性好等诸多优势[3]。另一方面，混凝土裂缝形成原因是十分复杂的，往往是多种因素相互作用和影响的结果，因此在实际施工过程中并不能完全避免[4]。特别是在正常施工和工作的状态下，纤维混凝土衬砌的表面和内部仍旧存在部分微小的裂缝[5]，因此，在带缝工作条件下进行渗透问题研究，更具有实际意义和工程价值。此次研究基于劈裂试验获得开裂纤维混凝土，对不同纤维掺量和类型条件下的混凝土渗透系数进行试验研究，以便对纤维混凝土衬砌的设计和施工提供必要的理论和技术支撑。

2 试验设计

2.1 试验设备与材料

此次试验的渗透系数测定采用的是南通市测量仪器仪表厂生产的SL352-01 渗透系数测定仪，该仪器主要由试件密封容器和水压稳定平衡两大系统组成，测量误差在5%以内，完全可以满足试验测定要求。

试验材料为经过劈裂试验的3 种不同纤维混凝土试件，其配合比如表1 所示，每组配合比制作3 个试件。在试件制备过程中，首先按照表1 的配比称量好水泥、石子和砂并干拌至均匀，然后加入减水剂和纤维材料继续搅拌，最后加入自来水搅拌均匀。将拌制均匀的混凝土倒入磨具捣振成型，最后放入混凝土标准养护箱中养护[6]。对养护完毕的试件进行劈裂试验，预制出存在裂缝的试件备用。

试验用密封材料为沥青和AB胶[7]。其中，沥青为唐山永丰防水材料有限公司生产的一级防水沥青；AB 胶为上海华宇化工有限公司生产的高性能结构AB胶。试验中使用的密封圈为广州威宁橡胶厂生产的135 mm×5 mm规格O型橡胶密封圈。

2.2 试验步骤

根据试验目的和实验设备的使用要求，确定如下试验步骤：

1）实验前将开裂砌纤维混凝土试件放入水中浸泡2 d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和杂质。

表1 各组件配合比kg/m3

2）将试件放入试验容器，在其下部沥入80 ℃的沥青并在四周涂抹均匀，高度应为试件高度的2/3，在上部填入AB胶，保证试验中的密封防水作用。

3）在密封材料彻底冷却之后，将容器置于试验仪器的支撑框架内，并在顶面凹槽部位放好密封圈，然后旋紧紧固螺栓，使容器具有良好的密闭性。

4）接通水源管线和压力源，对容器注水，排出容器内的空气，待空气完全排出后关闭排气阀，将压力调节至恒定值。

5）试验压力从0.2 MPa 开始，每间隔8 h 增加0.1 MPa 的压力，直至试件底部全部渗水[8]。然后保持压力值不变，每隔8 h 读取一次渗透水量。当单位时间渗透水量不再增加时停止试验。

6）所有试验结束之后，对试验数据进行整理和计算，获得渗透系数。

2.3 计算原理

实验过程中以达西定律为依据，不同组别的开裂纤维混凝土渗透系数的计算公式：

式中：k 为渗透系数，cm/s；L 为试件厚度，cm；A试件上表面面积，cm2；△H 为水位差，mm；Q 为单位时间渗流量，cm3/s，计算公式：

式中：V 为渗流体积，ml；T 为对应的渗流时间，s。

3 试验结果与分析

3.1 渗透系数试验结果

试验过程中，开裂纤维混凝土试件的下表面无水压，上表面为0.35 MPa 的系统设定水压，对试验过程中的有关数据进行测定和整理，结果如表2所示。

表2 试验数据记录表

以表2 的计算数据为基础，利用上节的计算方法，计算获取各个试件的渗透系数，将每组3 个试件的渗透系数均值作为该组试验的最终渗透系数，具体的渗透系数和渗透系数比如表3 所示。

由表3 的结果可知，B1，B2，B3和B4为单掺聚丙烯纤维，其对应的聚丙烯掺量分别为0.40，0.55，0.70 和0.85 kg/m3，与之对应的渗透系数值分别为6.84×10-8，6.59×10-8，5.30×10-8和5.07×10-8cm/s，与普通混凝土的A1对照组相比，渗透系数分别降低了7.6%，10.9%，28.4%，31.9%。由此可见，掺加聚丙烯纤维可以有效降低开裂混凝土的渗透系数，且掺加量越大，效果越明显。究其原因，在普通混凝土中掺加适量的聚丙烯纤维的情况下，由于纤维阻裂作用的影响，混凝土衬砌在塑性期裂纹明显减少，因此可以起到良好的减渗作用。另一方面，由于搅拌作用，聚丙烯纤维在混凝土中处于无规则排列状态，虽然带来一些孔隙，但是可以使混凝土中的大部分裂缝转变为微裂缝，进而使混凝土中的渗流通道大幅减少，因此混凝土的抗渗性能也可以获得大幅提升。

C1，C2，C3和C4为单掺钢烯纤维，其对应的钢纤维掺量分别为30.1 ，45.7 ，61.3 和77.5 kg/m3，与之对应的渗透系数值分别为6.78×10-8，6.50×10-8，6.07×10-8和5.95×10-8cm/s，与普通混凝土的A1对照组相比，渗透系数分别降低了8.4%，12.2%，18.0%和19.6%。由此可见，掺加钢纤维也可以有效降低开裂混凝土的渗透系数，且掺加量越大，效果越明显，其原因和纤维混凝土类似，这里不再敷述。掺加钢纤维与掺加聚丙烯纤维相比，其渗透系数的下降幅度较小，说明掺加钢纤维对提升混凝土抗渗性的作用效果不如掺加聚丙烯纤维。

D1和D2为钢纤维和聚丙烯纤维混掺的工况，从实验结果看，两组试验的渗透系数值分别为4.98×10-8cm/s 和5.23×10-8cm/s，与对照组A1相比，渗透系数分别下降了32.7%和29.3%。两者相比可以发现，混凝土的渗透系数和聚丙烯纤维的掺量存在十分显著的正相关关系。另一方面，D1和D2两组试件的渗透系数明显小于其他各组试件，说明纤维混掺在降低混凝土渗透系数方面的作用和效果要好于纤维单掺。因此，在输水渠道衬砌施工过程中，建议采用混掺纤维混凝土，以提升衬砌自身的抗渗性能。

4 结论

鉴于优异的抗渗和抗裂性能，纤维混凝土得到日益广泛的应用，但是微裂缝仍旧是不可避免的问题，因此，研究开裂纤维混凝土的渗透性具有重要的理论和工程价值。此次研究以实验室试验的方法对不同类型、不同掺量的开裂纤维混凝土的渗透系数进行研究，获得的主要结论如下：

表3 渗透系数计算结果

1）单独掺加聚丙烯纤维或钢纤维可以有效降低开裂混凝土的渗透系数，且掺加量越大，效果越明显。两者相比，掺加聚丙烯纤维的抗渗效果更佳。

2）两种纤维混掺在降低混凝土渗透系数方面的作用和效果要好于纤维单掺。因此，在输水渠道衬砌施工过程中，建议采用混掺纤维混凝土，以提升衬砌本身的抗渗性能。