0#胶晶对渠道混凝土衬砌抗冻胀性影响的试验研究

史长莹,刘欢欢

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)



0#胶晶对渠道混凝土衬砌抗冻胀性影响的试验研究

史长莹,刘欢欢

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

摘要：渠道衬砌的冻胀破坏不仅影响渠道的正常使用，而且增加了工程费用和修复次数，因此渠道衬砌的防冻胀技术研究成为一个非常严峻的工程问题。0#胶晶是为配制生产水泥基灌浆料而研制的一种有机高分子添加剂，其所具有的许多特性可对混凝土渠道衬砌的抗冻胀性起到改善作用。对普通混凝土和添加了0#胶晶的混凝土进行室内试验，以探求0#胶晶对混凝土抗冻胀性的改善效果。

关键词：0#胶晶；混凝土；抗冻胀性；试验

0引言

国内现有的许多渠道衬砌工程，特别是东北的季节性、永久性冻土地区和华北西北的季节性冻土地区的衬砌渠道工程，有很多出现了不同程度的冻胀破坏，渠道衬砌的冻胀破坏不但直接影响了渠道的正常使用，而且增加了工程费用和修复次数，渠道衬砌的防冻胀成为了一个非常严峻的工程问题。因此，人们一直在寻求和探索改善其缺点的途径，以保证混凝土能够达到工程要求。

0#胶晶是为配制生产水泥基灌浆料而研制的一种有机高分子添加剂，其所具有的许多特性可对混凝土渠道衬砌的抗冻胀性起到改善作用。本文将南水北调工程一期二线工程的混凝土渠道衬砌防治冻胀破坏的措施作为重点研究对象，针对0#胶晶对混凝土强度特性的影响进行试验分析，以探求0#胶晶对混凝土特性的改善机理和改善效果。

1室内试验研究

本文对添加5 kg/m3的0#胶晶和未添加0#胶晶的混凝土分别进行了强度特性、变形特性、抗折韧性及微观试验，为工程应用提供可靠的依据。

1.1试验用原材料及配合比

试验用原材料：①水泥：冀中能源水泥有限公司生产的PO42.5水泥。②粉煤灰：邯郸热电厂Ⅱ级粉煤灰。③细集料：河砂。④粗集料：碎石，粒径为5～20 mm。⑤减水剂：DpG。⑥引气剂：DH9。⑦0#胶晶：有机高分子添加剂。⑧水：地下水。

本次试验将两组试件进行对比，D组为未添加0#胶晶的混凝土试件，E组为添加0#胶晶的混凝土试件，各组的原材料配合比见表1。

表1　混凝土配合比

1.20#胶晶对混凝土流动性的影响

混凝土由于坍落度和坍落扩展度较大，往往产生泌水、离析等不良现象[1]。添加了0#胶晶的混凝土其流动性可能会发生变化。根据SL352-2006《水工混凝土试验规程》[2]，本次试验使用坍落度筒、钢尺等仪器，试验按照规定步骤进行。

试验结果： D组坍落度为58 mm，E组坍落度为60 mm。结果表明，添加0#胶晶对提高混凝土的流动性有一定帮助。

1.30#胶晶对混凝土含气量的影响

混凝土的耐久性与混凝土的含气量有关[3]，混凝土拌合物的含气量试验按文献[2]进行。

试验结果：D组和E组含气量均为4.5% 。结果表明，是否添加0#胶晶对混凝土的含气量没有影响。

1.40#胶晶对混凝土抗冻性的影响

抗冻性作为混凝土耐久性的重要评价指标，是大体积混凝土的重要设计参数之一[4]。本节抗冻性试验依据GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[5]中的慢冻法进行。试验分两组进行，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体。试验结果见表2。

表2　混凝土抗冻性试验结果

由表2可见，E组质量损失率明显低于D组。因此，掺加0#胶晶能明显地提高混凝土的抗冻性。

1.50#胶晶对混凝土抗渗性的影响

混凝土的抗渗性能对混凝土的耐久性起着重要作用，除关系到混凝土的挡水及防水外，还直接影响混凝土的抗冻性及抗侵蚀性等[6]。本节抗渗试验依据文献[5]进行，分别通过逐级加压法和渗水高度法来比较两组试件的抗渗性。结果如下：

1)逐级加压法的实验结果：D组与E组抗渗等级均达到设计要求的W6，两组的抗渗性能无明显差距。

2)渗水高度法的实验结果：E组渗水高度为10.5 mm，较D组14.3 mm有明显的降低。

试验结果表明，添加0#胶晶可提高混凝土的抗渗性能。

1.60#胶晶对混凝土强度特性的影响

混凝土能够承受荷载的能力大小是其强度和耐久性的一个重要表现，对D组和E组的混凝土强度特性的变化进行试验分析。

1.6.10#胶晶对混凝土抗压强度的影响

混凝土的抗压强度分为立方体抗压强度和棱柱体抗压强度。根据文献[2]的规定，立方体抗压强度试验成型了两组150 mm×150 mm×150 mm的立方体共18块，试验测试在YE-2000型数显压力试验机上进行。棱柱体抗压强度试验过程参照GB/T50081-2002《普通混凝土土力学性能试验方法》[7]进行，试验试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。试验结果取各组平均值见表3。

表3　抗压强度试验结果

试验结果表明：0#胶晶会降低混凝土的棱柱体抗压强度，对立方体抗压强度影响不大。

1.6.20#胶晶对混凝土抗折强度的影响

混凝土弯曲性能是影响结构使用的重要因素，而混凝土的抗折强度是其弯曲性能的一个综合指标[8]。根据文献[7]，本次试验共成型两组试件，试件的尺寸为150 mm×150 mm×550 mm。试验结果见表4。

表4　抗折强度试验结果

试验结果表明：添加0#胶晶可提高混凝土的抗折强度。

1.70#胶晶对混凝土弹性模量的影响

弹性模量是混凝土重要的力学性能之一，是计算混凝土结构的应力、变形和大体积混凝土的温度应力所必需的参数之一[9]。混凝土的弹性模量分为轴心抗压弹模和抗折弹模。

根据文献[1]，轴心抗压弹模试验和抗折弹模试验的试件尺寸与抗压强度和抗折强度的试件尺寸相同。试验采用BX120-100A型混凝土应变片来测定混凝土的变形，试验结果见表5。

表5　弹性模量(104 MPa)试验结果

试验结果表明：添加0#胶晶会降低混凝土的抗压和抗折弹模性模量。

1.80#胶晶对混凝土抗折韧性的影响

韧性是指混凝土开裂后能继续保持承受较大荷载的能力，是评价混凝土的一个重要指标[9]。本节试验采用上节中的试验数据进行，试验方法采用能量比值法。依据试验数据自身特点，取1.1和1.3倍应变进行计算，试验结果见表6。

表6　抗折韧性试验结果

由表6可见，添加了0#胶晶的E组混凝土抗折韧性好于未添加0#胶晶的D组普通混凝土。

1.9混凝土的微观试验

混凝土是一种典型的多孔介质材料，孔隙分布错综复杂，孔径分布也较广泛[10]。混凝土的孔隙率和孔径分布等微观结构也决定着其宏观力学性能[11]。本节试验分别采用压汞测孔法(MIP)和扫描电镜法(SEM)对两组混凝土试件的微观结构进行分析和探讨。

1)压汞法：试验直接从硬化混凝土中取样。将规定龄期的混凝土破碎成3～5 mm的颗粒，清洗干净后用烘箱烘干，选择其中的砂浆颗粒进行测试[12-13]。混凝土的孔径分为4级：孔径<20 nm的为无害孔，20～100 nm为少害孔，100～200 nm为有害孔，>200 nm为多害孔，压汞法试验结果见表7。

表7　压汞法试验结果

2)扫描电镜法：试件直接取自硬化混凝土，试验前将两组试件用小锤分别轻轻敲下类似5分硬币大小薄厚的样品并在烘箱烘干备用。对成型的两组试件进行电镜扫描，拍出的SEM照片见图1和图2。

图1　D组和E组混凝土试件SEM照片(放大2 000倍)Fig.1　SEM photos of concrete specimen (magnified 2 000 times)

图2　D组和E组混凝土试件SEM照片(放大5 000倍)Fig.2　SEM photos of concrete specimen (magnified 5 000 times)

综合以上两种试验方法可见：

1)添加了0#胶晶后混凝土孔结构有了很大改善。从混凝土的孔径分布来看，混凝土中添加0#胶晶后，混凝土中有害孔比例明显下降。

2)添加了0#胶晶的样品，其结构连续性好，孔隙率较低，强度较高，因此其力学性能和耐久性均大幅度提高。

2结论

经上述室内试验数据结果分析可以得出如下结论：0#胶晶可以改善混凝土的流动性、抗冻性和抗渗性，并且能够提高混凝土的抗折强度和抗折韧性等强度特性。0#胶晶对提高混凝土的孔隙结构也起到了明显的作用。因此，0#胶晶确实对混凝土衬砌的防冻胀性有明显的改善，且其实用性也较好。该项试验成果，可以为南水北调中线工程的其他高含水率土壤地区的渠道衬砌工程提供经验，并可供同类工程的设计和施工单位借鉴。

参考文献：

[1]张佳阳. 粉煤灰与石灰石粉对混凝土浆体流动性能的影响研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2014.

[2]SL 352-2006，水工混凝土试验规程[S].

[3]李晓鄂,李珍,朱永国,等.骨料对混凝土拌合物含气量影响的试验研究[J].长江科学院院报,2007,24(4)：60-63.

[4]纪国晋,姜荣梅,姜福田. 影响碾压混凝土含气量的试验研究[J]. 水力发电,2007,3(4)：62-64.

[5]GB 50082-2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].

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[13] 马文国,王影,海明月,等. 压汞法研究岩心孔隙结构特征[J].实验技术与管理，2013,30(1):66-69.

Experimental study of the influence of 0# crystal glue on channel concrete lining anti-freezing performance

SHI Chang-Ying,LIU Huan-Huan

(CollegeofHydraulicandElectricPower,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：Frost heaving destruction of canal liner engineering not only affected the normal working of channels, but also increased project cost and times of restoration. Study on anti-freezing technology becomes a very serious engineering problem. 0# crystal glue is a kind of organic polymer additives that developed for production of cement grouting materials, many features of 0# crystal glue may improve the effect of concrete channel lining anti-freezing. We did indoor experiments with common concrete and concrete with 0# crystal, to explore the 0# crystal’s improvement for concrete anti-freezing performance.

Key words：0# crystal glue; concrete; anti-freezing performance; experiment

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.002

收稿日期：2015-12-29；修改日期：2016-01-21

基金项目：河北省南水北调工程科技项目；黑龙江大学研究生创新科研项目资金资助(YJSCX2015-034HLJU)

作者简介：史长莹(1964-)，男，河北乐亭人，教授，博士，研究方向：水利工程，E-mail:shicy2004@126.com。

中图分类号：TV431

文献标志码：A

文章编号：2095-008X(2016)01-0007-05

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160309.0909.002.html