泡沫轻质混凝土在寒区渠道中防冻胀的应用研究

刘秀军

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司,乌鲁木齐 830000)

我国北方大部分地区都是季节性冻土区,由于受冻融影响,混凝土衬砌渠道普遍存在冬季冻胀现象,输水项目均会遇到特别严重的冻害,同时,还会对渠道的正常运转和耐久性造成严重影响[1]。工程就算没有被彻底破坏,修复起来也需要大量的人力物力。目前,我国北方灌区渠道冻胀防治方法主要以增强衬砌构造的强度与耐久性为重点,将保温板布置在衬砌构造下方,并对渠基土进行固化与换填等处理,但在新材料的研究与应用方面还较为欠缺。基于此,本文探索泡沫轻质混凝土在渠道防冻胀方面的工程价值,具有重要的意义[2]。

1 渠道冻害机理

衬砌体下土体冻胀是引起渠道冻害的重要因素,由于土体冻胀具有多向性,只有当土体冻胀在横向上达到平衡时,才会出现纵向向上的现象。根据研究土颗粒移动的热筛效果和对流迁移原理可知,在寒冷地区,由于温度年周期起伏,表层土壤发生了多次冻融,造成土体坡面重塑。这种重塑情况主要表现在三个方面:(1)因水分迁移产生分凝冰现象,导致土体冻胀;(2)溶质迁移随着水分迁移而出现,诱发土体中产生高浓度带,造成土体中形成中融弱层;(3)土颗粒受内外应力影响发生移动,从而使冷生剖面发生改变,引起土体属性变化和产生一些不利的物理条件[3]。

土壤是一种多孔、多相的松散介质,由矿物颗粒、有机质、孔隙水与气体等组成,孔隙之间的分布和结合往往是杂乱无章的,即随机的。冻结效应将外力作用于土层引起土体冻胀,因为水密度是l t/m3,冰密度是0.92 t/m3,土内水分结冰后,会增加9%的体积,从而形成冻胀力将土颗粒推开[4]。游离水在土体孔隙内不受土粒电分子引力约束,易于结冰,由于结合水(又叫薄膜水、吸着水)在孔隙水内被很大的土粒电分子引力约束,故很难结冰。土粒愈小,电分子引力约束愈大,结冰愈迟缓,所以在土体结冰时,先结冰的是大孔隙内的游离水,使土内的大土粒先上升,然后小孔隙内的水被冻住让大颗粒继续上升,导致土颗粒在冻结期间竖向出现移动,这就是热筛效应。并且,在土体冻结期间,会产生水分移往冷锋面的情况,在水流转移速度到达某一值时细小土粒会出现迁移,叫做对流迁移。另外,冻结力会改变土颗粒和孔隙在空间分布及结合,使其从原本的杂乱(随机)变成有秩序,土密度降低,导致土体抗剪强度参数对应减小,对渠道岸坡的稳固造成影响[2]。

结冰边缘厚度随着结冰持续时间的改变而改变,分凝冰层的水都是从结冰边缘未结冰地区获得。在非构造关联位置,分凝冰层地点最容易产生,冷锋面降温分凝冰层也随之降温,通常在结冰过程中会形成多个分凝冰层。在有构造关联系统中,按水分迁移规律与冻土内冰水平衡规律:(1)在非冻结水势梯度作用下,未冻结水不断从高温区向低温区迁移;(2)由于冰层系统中不同位置的温度不同,使得这个位置没有与该温度相对应的冰层含水量,为了把没冻结的水用冰的形态移动到这一位置,体积会变大,当变大的体积被限制时就会产生膨胀力。当剪应力比原料抗剪强度高时,将产生剪切损坏,并在该部位形成分凝冰层,这就是土内分凝冰层与土层冻胀的构成原理。

2 泡沫轻质混凝土

2.1 材料特性与工程价值

泡沫轻质混凝土是一种人造的新式原料,它的重要特性是:因为泡沫轻质混凝土内含有许多细小气泡群,所以它的容重要比一般的土体小得多,而且还可以通过设计不同成分的配合比,将其强度调整到0.5～5.0 MPa;由于泡沫轻质混凝土内以水泥为固化剂,故可于操作后5 h完成固化,且不影响后续工序的施工作业;泡沫轻质混凝土是一种比一般高分子原料隔热性与耐久性更好的水泥类原料。泡沫轻质混凝土在特定厚时能达到较好的保温效果。目前,虽然泡沫轻质混凝土主要用于公路的路基施工,但如果将其用于衬砌构造下方作保温层,则将具有极大的优势。

(1)泡沫轻质混凝土中具有40%～60%的气泡体积含量,其隔热功能优异,用于渠道施工时可获得良好的保温效果,可有效抑制渠道衬砌构造的冻胀破坏;

(2)泡沫轻质混凝土的原料强度远高于聚苯乙烯保温板,其耐久性也更好,用于修建渠道时,可提高衬砌构造与基土的完整性,对提高渠道项目的耐久性十分有利;

(3)泡沫轻质混凝土工程造价低廉、施工简单,造价大概只有聚苯乙烯保温板的一半。

2.2 制备工艺

泡沫轻质混凝土配制所需的重要材料包括水泥、发泡剂及水。采用水泥厂加工的P.O42.5普通硅酸盐水泥用作实验水泥,通过样本的检测成果表明,其各项性能指标均达到了《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)的要求。采用具有80倍稀释倍数的HY-F80复合型发泡剂用于试验,其结果为49.5 kg/m3气泡群密度,1.3 mm的下沉距离,20.2 ml的沁水量,所有指标都符合《泡沫轻质混凝土填筑工程技术规程》(CJJ/T 177-2012)的有关规定。采用项目当地生活水作试验用水。

利用物理发泡的办法配制泡沫轻质混凝土。在本次调研中经过对已有技术进行归纳明确详细的制备工艺流程,详见图1。

图1 泡沫轻质混凝土制备工艺流程

3 现场试验设计

3.1 试验段选择

在试验过程中,以某灌区节水改造项目编号为2号支渠的桩号CZ1+100～CZ1+150作为测试段。测试段渠道设计采用梯形断面,边坡为1.5的坡度,渠底部宽2.0 m,渠深1.5 m,衬砌使用现浇式混凝土,地下水位位于渠底下方0.2 m。

3.2 试验方法

通过对测试段渠基土的温度与衬砌构造冻胀量的测试,来检查泡沫轻质混凝土的防冻胀项目成效。在试验期间以单点温度传感器作为基土温度的监管检测手段,总共安装4组温度传感器,分别在渠两边、顶端及渠底部各设置1组。考虑到在冬天,灌区有1.2 m的最大冻结深度,地面之下2.0 m处冻胀受基础土温转变的影响较小,所以,每组温度传感器都打2.0 m深的孔,每20 cm安装1个温度传感器于孔中,从上到下共安装11个。为了避免传感器位置发生变化,需要将所有温度传感器串好稳固后放进PVC管,再放入温度孔。采用冻胀移动传感器监测冻胀量。在埋设过程中,首先要将孔钻至设计深度,再把延长杆插进钻孔中,将防冻套管安装于延长杆上,确保延长杆底部密切连接土体,再将原状土填筑到孔内并进行压实。

3.3 试验方案设计

测试段采用6 cm厚的C35现浇混凝土作衬砌构造,用3 cm厚的水泥砂浆在表面进行抹面。将泡沫轻质混凝土保温层安装于衬砌构造与渠基土中间,把有关的项目经验与原料的导热系数联合起来,将各种厚度(如15、20、25、30、35 cm等)的泡沫轻质混凝土保温层的防冻胀效应进行比较研究。为了比较分析,对照计划使用6 cm厚的聚苯乙烯保温板计划。测试段竣工于2022年12月1日并进行测验,至12月30日完成测验,测验以30d为周期。

4 试验结果与分析

4.1 冻深

根据在测验中得到的温度垂直分布资料,整理得到典型时间段的最大冻结深度,试验结果见表1。

表 1 不同试验方案的最大冻深 m

从表1可知,随着周围温度的渐渐降低,每一组基土最大冻结深都在逐渐增长,但增长速度越来越慢,最后接近平稳。对比泡沫轻质混凝土各种厚度的试验方案数据,在同一测试时间段,出现基土最大冻结深度随泡沫轻质混凝土保温层厚的加大而逐渐缩小的特点,但是变动速度也渐渐降低。这表明泡沫轻质混凝土保温层厚的加大能使冬天渠基土的最大冻结深有效降低,有利于防冻胀设计。然而,随着泡沫轻质混凝土保温层厚度不断增加,以上项目效应会越来越差,对于厚度为25 cm以下的泡沫轻质混凝土保温层,随层厚度的加大渠道地基土的最大冻结深度明显减小;厚度为30 cm以上的泡沫轻质混凝土保温层,增长厚度对渠道基土最大冻结深度无明显减小。由此可以看出,它的最大冻结深测试成果在25 cm厚与30 cm厚的泡沫轻质混凝土保温层方案间。因此可知,泡沫轻质混凝土保温层选择25～30 cm厚时,可以达到与6 cm厚聚苯乙烯保温板相同的效果。

4.2 冻胀量

归整测试期间冻胀量测试资料,得到衬砌构造在典型时间段的最大冻胀量,见表2。

表 2 不同试验方案的最大冻胀量

从表2中可以看出,随着测试的开展,渠道衬砌构造的冻胀量呈现出先降低再增加并渐渐接近平稳的特征,这是由于完成施工后基土具有适当的下沉变形,而后冻胀变形逐渐出现。通过对泡沫轻质混凝土各种厚度方案的冻胀量测验结果,发现在同一测验时间段,出现基土最大冻结深度随泡沫轻质混凝土保温层厚度的加大而逐渐缩小的特点,并且变动速度渐渐降低。因此可知,冬天渠基土的最大冻胀量可通过泡沫轻质混凝土保温层厚度的增加而得到有效降低,不过随着泡沫轻质混凝土保温层厚度的增加,抑制作用会越来越弱。厚度在25 cm以下的泡沫轻质混凝土保温层,冻胀量的抑制作用比较显著;厚度在30 cm以上的泡沫轻质混凝土保温层,冻胀量的抑制作用不佳。从比较方案可知,它的最大冻结深度测试成果在25 cm厚与30 cm厚的泡沫轻质混凝土保温层方案间。因此可知,泡沫轻质混凝土保温层选25～30 cm厚时能达到和6 cm厚度的聚苯乙烯保温板同样的功效。

5 结论

经过研究严寒地区渠道防冻胀方面泡沫轻质混凝土的运用,能够推断出:渠道基土的最大冻结深度与最大冻胀量随泡沫轻质混凝土保温层厚度的加大而逐渐降低,不过当厚度达到30 cm以上后下降程度就非常小了;泡沫轻质混凝土保温层在25～30 cm厚度时与厚度为6 cm的聚苯乙烯保温板具有同样的防冻胀效果。泡沫轻质混凝土具有隔热作用好、强度和价钱优势,可用于高寒地区渠道防冻胀设计施工。