古丽苏玛依·阿不都萨塔尔

(新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心，新疆 昌吉 831100)

北方大部分地区均处于季节性冻土地区，许多地区渠道均会发生不同程度的冻胀损坏，尤其是在渠基土含水率较高的地区，渠道衬砌混凝土在冻融循环作用下发生冻胀破坏的概率更高，造成渠道水利用效率低下，维修费用大大增加，因此有必要对渠道衬砌混凝土的抗冻胀性能进行改良[1- 8]。0#胶晶是一种有机高分子添加剂，具有高早强性、自流性、低收缩性、抗离析性以及低温施工性等多种特点[9]，对于渠道衬砌混凝土的抗冻胀有一定的改善作用，但是目前关于该材料应用到渠道衬砌混凝土的研究还比较鲜见。

新疆地区整体上为缺水地区，水量分布极度不均，因而需要修建大量的引水渠道工程，本文以某引水渠道工程为例，该渠道工程全长11.3km，渠基土含水率达到22%，边坡坡度为1∶2.25，设计水深6m，渠道边坡和渠底均采用C20W6F150混凝土进行衬砌，衬砌厚度均为15cm。为提升渠道衬砌混凝土抗冻胀性能，对其掺入0#胶晶进行改良，并与设计混凝土进行对比，以期能为类似渠道工程设计施工和维护提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验原材料包括P.O42.5普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰，天然河砂(中砂)，碎石粗骨料(粒径5～20mm)，DH3G型减水剂，DH9型引气剂，0#胶晶(有机高分子添加剂)，现场地下水。

1.2 试验方案

试验共分为两组：一组是不添加0#胶晶(A组)；另外一组为添加0#胶晶(B组)，0#胶晶的掺入量为5kg/m3。具体配合比方案见表1。

表1 渠道衬砌混凝土配合比

1.3 试验方法

试验分为两个部分：一是在室内进行试验，主要针对两种配合比渠道衬砌混凝土进行流动性、含气量、抗压强度、抗折强度、抗冻性、抗渗性以及微观试验，对比两种混凝土的基本物理力学性质；二是进行现场原型试验，通过两种配合比渠道衬砌混凝土的孔隙水压力、沉降、温度和位移变形等进行监测，对比防冻胀效果。

2 室内试验结果

2.1 流动性和含气量

流动性是混凝土配合比比较重要的一个指标，而含气量对于混凝土耐久性有重要影响。对两种配合比混凝土的坍落度和含气量指标进行了测试，结果显示：A组的坍落度为58mm，B组的坍落度为60mm，A、B两组的含气量均为4.5%，由此可见，掺入0#胶晶对混凝土的流动性有一定程度影响，但并不明显，对于混凝土内部含气量则没有影响。

2.2 强度

对两种配合比混凝土标准养护28d后的试件进行了强度试验(每种配合比下均做3次，取3次试验的平均值作为强度特征值)，结果见表2。从表中可知：掺入0#胶晶对混凝土的强度有一定影响，B组与A组相比，抗压强度降低约2%，劈裂强度降低约13%，但抗折强度提升约6%，这主要是因为0#胶晶起到了骨架连接作用，这种效果类似于纤维，可以提升混凝土的抗折强度，但当掺量一定时，对混凝土的抗压强度有一定影响，但影响程度较小。

表2 强度试验结果

2.3 耐久性

抗渗性和抗冻性是评价混凝土耐久性的两个重要指标。在抗渗试验中，利用逐级加压法和渗水高度法来评价两种配合比混凝土的抗渗性；在抗冻性试验中，采用快速冻融法，在-18～20℃条件下冷冻2h，然后在20℃室温条件下融解2h，每4h为1次冻融循环周期。共进行150次冻融循环。

两种混凝土的耐久性试验结果见表3。从表中可知：A组、B租均满足设计要求的W6的抗渗等级要求，且掺入0#胶晶后，抗渗等级可以达到W8；A组的平均渗水高度为14.3mm，而B组的平均渗水高度为10.5mm，掺入0#胶晶后，渗水高度降低26.6%，说明0#胶晶可以起到增强渠道衬砌混凝土抗渗性的效果。经过150次冻融循环后，A组的强度损失率和质量损失率分别为15%和3.9%，B组的强度损失率和质量损失率分别为11%和1.4%，强度损失率和质量损失率相比原混凝土配合比方案下降36%和178%，表明0#胶晶可以提升渠道衬砌混凝土的抗冻性。

表3 耐久性试验结果

2.4 孔隙结构

通过压汞试验，对两种配合比下混凝土的孔隙结构进行了统计，结果如图1所示。从图中可知：原混凝土配合比方案(A组)中：<20nm(无害孔)、20～100nm(少害孔)、100～200nm(有害孔)、>200nm(多害孔)的占比分别为14.01%、68.13%、0.98%和16.88%，当掺入0#胶晶后，<20nm(无害孔)、20～100nm(少害孔)、100～200nm(有害孔)、>200nm(多害孔)的占比分别为22.23%、64.32%、2.08%和11.37%，掺入0#胶晶，可以降低混凝土中有害孔5.51%占比，同时无害孔的占比增加了8.22%，表明0#胶晶可以改善混凝土的孔隙结构分布特征，提升混凝土的密实性，从而使抗渗性、抗冻性、强度等特性得到提升。这是因为在原混凝土设计方案中，孔隙率较大且呈不连续分布，导致结构整体比较疏松，而掺入0#胶晶后，混凝土中无针状、纤维桩的水化物增多，孔隙率减小，且微小无害空洞周围会分布很多的细小绒毛，空洞为连续的圆形孔隙，形成比较立体的网架结构，因而整体结构更加完整。

图1 混凝土孔隙结构特征

3 现场原型试验结果

3.1 孔隙水压力

现场原型试验得到的两种配合比衬砌混凝土渠道在同一时间段内的孔隙水压力变化特征如图2所示。从图2中可知：B组衬砌混凝土渠道的孔隙水压力小于A组，这表明掺入0#胶晶可以明显降低渠道衬砌混凝土所受的孔隙水压力，降低幅度可达50%以上；当渠道水位达到设计水位后，B组混凝土中所受的孔隙水压力波动相对较大，这可能与掺入0#胶晶后混凝土的孔隙结构分布有关。

图2 孔隙水压力

3.2 温度

现场监测得到的不同配合比衬砌混凝土的温度变化情况如图3所示。从图3中可知：当渠道水位没有达到设计水位时，A组和B组的温度基本相等，当渠道水位达到设计水位后，B组的温度较A组低；随着渠道水位的上升，B组渠道衬砌混凝土的温度还有降低趋势，待渠道水位稳定后，衬砌混凝土的温度才再次增加，A组衬砌混凝土的温度在渠道水位稳定后变化相对较小，且最终A组和B组两种配合比下衬砌混凝土的温度基本相等，这说明0#胶晶对渠道衬砌混凝土温度场的影响不大。

图3 温度变化特征

3.3 沉降变形

现场监测得到的不同配合比衬砌混凝土的沉降变形情况如图4所示。从图4中可知：随着渠道水位的上升，渠道混凝土的沉降变形变化不大。当渠道水位稳定时，衬砌混凝土的衬砌变形也相对稳定；相同时间点，B组的沉降变形明显小于A组，且渠基处的沉降变形要大于渠道边坡处的沉降变形，这说明渠道衬砌混凝土沉降受渠道水位的影响较大，但0#胶晶可以使混凝土具备网架结构，因而可以抵御冻胀引起的沉降变形。

图4 沉降变形规律

3.4 水平应变

现场监测得到的不同配合比衬砌混凝土的水平应变情况如图5所示。从图5中可知：随着渠道水位的上升，B组衬砌混凝土的水平应变有增大趋势，而A组衬砌混凝土的水平应变则有降低趋势，相同时间点，A组衬砌混凝土的水平应变明显小于B组，这说明掺入0#胶晶可以降低沉降变形，但又可以增大水平应变，主要是由于掺入0#胶晶后，可以增强混凝土的抗拉性能和塑性变形变形性能，使得混凝土具有较好的柔性变形特性，因而可以承受更大的水平变形。

图5 水平应变规律

4 结语

通过掺入0#胶晶与未掺入0#胶晶的渠道衬砌混凝土室内试验和现场原型试验，得出如下结论。

(1)掺入0#胶晶对混凝土流动性和含气量影响不大，但可以明显提升混凝土的抗渗性和抗冻性，同时还可以改善混凝土的孔隙分布情况，使有害孔降低5.51%，无害孔增加8.22%。

(2)掺入0#胶晶可以减小渠道衬砌混凝土所受的孔隙水压力和沉降变形，同时可以增强渠道衬砌混凝土的水平柔性变形能力，可提升混凝土的抗冻胀能力，但0#胶晶对温度场的影响不大。

(3)文章仅针对0#胶晶在5kg/m3掺量下的抗冻胀性能进行了试验分析，对于不同0#胶晶掺量下混凝土的抗冻胀性能试验将在今后进一步补充，以期能为实际工程提供更好的指导。