渠道衬砌混凝土抗冻蚀施工工艺研究

金　游,张振宇

(葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北省宜昌市　443002)



渠道衬砌混凝土抗冻蚀施工工艺研究

金游,张振宇

(葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北省宜昌市443002)

摘要：以南水北调中线工程京石段为依托，针对渠道衬砌现浇混凝土存在混凝土质量控制难、受冻胀、冻融破坏严重等问题，研究了施工工艺对渠道衬砌混凝土抗冻蚀性能的影响。通过研究振捣方式、抹面方式及养护方法对混凝土抗冻蚀性能的影响、成型混凝土大板进行快速冻融试验、定期观察混凝土大板表面情况、记录混凝土大板受破坏时的冻融次数，最终优选出了抗冻蚀效果好的施工工艺。关键词：渠道；衬砌；混凝土；抗冻蚀；性能；施工；工艺

0前言

在南水北调工程的建筑物中，采用得最多最普遍的是明渠渠道，而在明渠渠道结构中，又广泛采用了混凝土衬砌方式。混凝土衬砌主要存在混凝土质量控制难、受冻胀、冻融破坏严重等问题。尤其是渠道底面混凝土过水后，极易吸水饱和，遇干冷冬季，温度变化，受冻融破坏，常常出现表面剥落，起皮起粉现象。这种破坏首先造成渠道糙率增加，降低输水能力，最后随着破坏程度的逐年加深，混凝土功能完全丧失，缩短了渠道运行寿命。

在国外发达国家，近年来多采用“抵抗”冻胀的技术措施，用钢筋混凝土取代素混凝土，如日本现在多采用钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料复合形式，美国、俄罗斯则多采用混凝土或钢筋混凝土大型平板形式。国内研究渠道衬砌混凝土抗冻问题主要集中在断面结构形式的改进、土壤固化及改良、新材料的研究及应用等方面。比如，在混凝土中掺入玻纤-钢纤维提高抗冻性能[1]；引气天然浮石轻骨料混凝土[2-3]；聚合物涂层与沥青混凝土的应用[4]；UF500纤维素纤维混凝土在南水北调工程中的应用[5]等等。从施工工艺的角度来研究渠道衬砌混凝土抗冻蚀技术，资料报道较少，尚没见系统研究。

本文以南水北调中线工程为依托，拟通过研究寻找抗冻蚀效果好的施工工艺，形成一套适合寒冷地区渠道衬砌工程的经济、可行、可靠的施工工艺，为寒冷地区渠道衬砌工程施工提供技术指导，并为工程质量提供可靠保证。

1原材料及试验方法

1.1原材料

(1) 水泥和粉煤灰

水泥采用鹿泉东方鼎鑫水泥有限公司生产的鼎鑫牌P·O42.5水泥，初凝时间136 min，终凝时间238 min，其它指标均满足规范要求[6]。粉煤灰采用原工程使用过的河北衡水发电厂粉煤灰，细度为14.2%，烧失量为3.30%，需水量比为100%，满足Ⅱ级灰的要求。

(2) 骨料

采用中易水料场天然砂以及东垒子料场生产的(5～20) mm、(20～40) mm人工碎石，除5～20 mm碎石超逊径不满足要求外,其余所检项目均满足标准要求[7]。

(3) 外加剂

减水剂采用北京科宁混凝土外加剂有限公司生产的ADD-3型粉状缓凝高效减水剂，掺量为1.0%时减水率为15.5%。引气剂采用北京科宁混凝土外加剂有限公司生产的ADD-15型粉状引气剂，掺量为0.005%时含气量5.2%。

1.2配合比

配合比相关参数见表1。

表1　工艺试验用配合比表

1.3试验方法

(1) 试件成型

为了更好地观察混凝土表面情况，同时考虑开展抗冻试验的可行性，室内试验成型400 mm×200 mm×80 mm混凝土板进行冻融试验。

(2) 快速冻融试验

快速冻融试验按DL/T5150《水工混凝土试验规程 》开展试验[8]，不同的是25次冻融循环后对试件检测第1次，观察表面情况并做外观描述，称重和测定自振频率，以后每做5次冻融循环对试件检查1次，观察混凝土板表面情况并做外观描述拍照；每25次冻融循环除观察表面情况并拍照外，称重和测定自振频率。

2施工工艺选定

施工工艺通常主要包括振捣、抹面及养护。本文试验振捣工艺选取过振工艺、二次振捣工艺；抹面工艺选取洒水抹面、洒水撒灰抹面、振捣完立即抹面及较晚抹面工艺；养护工艺选取碘钨灯直接照射、碘钨灯麻袋洒水养护和真空吸水工艺。采用单因素变化的试验方法，分别选取上述工艺的一种与标准施工工艺进行组合，具体见表2所示。

表2　施工工艺方案及试验组数表

3结果与讨论

根据抗冻等级及相对动弹性模量由大到小进行排序，并提供相应抗冻等级的质量损失率。具体试验结果见表3、图1、2、3所示。

表3　各种工艺试件抗冻等级表

立即抹面工艺是所有施工工艺中起皮最早最严重的工艺。试件在未冻融之前初始表面粗糙，有少量气孔。初始自振频率最低，相对动弹性模量损失较大，混凝土密实度最差，且质量损失较大，说明采用该工艺的试件内外部混凝土质量均差。收光过早并不容易将表面抹光，还会在表面留下很多缺陷，在经历冻融循环后，表面很快就被破坏，析水产生较多渗水通道，还会导致混凝土密实度及抗冻融能力均较差。

图1　相对动弹模与冻融次数关系图

图2　质量损失百分率与冻融次数关系图

图3　冻融循环175次后试件表面情况图

洒水抹面工艺也是起皮较早较严重的工艺。试件在25次就出现起皮，且为局部片状起皮。抗冻等级居中，质量损失较大。洒水抹面是在初凝前2 h抹面时人为的在表面洒水，由于其抹面时间正常，且经过振捣提浆抹面，因此相对动弹性模量比立即抹面要大一些。但表面洒水人为的放大了表面的水胶比，降低了表面砂浆的强度，导致混凝土在经历冻融循环后较早起皮。

碘钨灯直接照射工艺虽然表面起皮程度虽比较轻微，165次冻融后表面仍有较多水泥砂浆包裹，未出现完全脱皮，但动弹性模量损失较大，125次冻融循环后已经不合格，相对动弹性模量为54.93%，抗冻等级最低。分析原因为由于碘钨灯直接照射混凝土表面，试件表面和底面温差较大，试件内部强度发展不均匀，产生较大的内应力，导致混凝土抗冻融能力变差，动弹性模量下降。混凝土早期处于干燥状态且没有采取适当的养护措施会导致混凝土在经历冻融后较早起皮，还会影响混凝土整体抗冻性能。因此，碘钨灯直接照射工艺不能作为推荐施工工艺用于工程实践中。

过振工艺起皮较早，整体起皮也较早，开始出现质量损失也较早，混凝土表面质量一般，抗冻等级居中。过振容易引起离析、泌水，对混凝土表面质量产生影响；也可导致混凝土实际含气量偏小，对混凝土抗冻融能力有产生影响。因此，在工程实践中应避免局部过振，防止其影响混凝土的抗冻性能。

较晚抹面工艺起皮较早，整体起皮也较早，质量损失居中，相对动弹性模量损失较大。由于混凝土收面过晚，对已形成的混凝土结构产生扰动，导致混凝土抗冻融能力较差。因此，在工程实践中，抹面过晚对混凝土抗冻能力会产生一定不利影响，应该引起重视，不能因为任何原因过晚抹面。

标准工艺与以上工艺一样，开始起皮较早，但整体起皮的时间较晚，质量损失较小，抗冻融能力较好。可见，规范中制定的振捣、抹面及养护工艺具有较强的指导意义，施工单位应严格按规范施工，避免出现过早或过晚抹面、洒水抹面、过振及干燥养护等不规范操作。但是标准工艺无论在抗冻等级，还是在解决表面起皮的效果上并不是最好的工艺。抗冻能力上碘钨灯麻袋洒水工艺及真空吸水工艺优于标准工艺，表面抗冻蚀效果上二次振捣工艺及洒水撒灰优于标准工艺。

碘钨灯麻袋洒水养护工艺延缓了试件开始起皮的时间，65次冻融循环后才出现边缘少量点状起皮，整体起皮的时间与标准工艺差不多。冻融100次时试件开始有质量损失，且质量损失较小，抗冻等级较高，说明采用该工艺的试件内外部混凝土质量均较好。由于碘钨灯照射麻袋，使得通过麻袋的养护水温度升高，相当于对混凝土进行加热养护，加快了混凝土早期强度发展，又因洒水养护，使混凝土表面一直保湿，避免了因收缩产生裂纹。因此，该工艺的实质是加温保湿养护，可推荐作为一种抗冻施工养护工艺应用于工程实践。

洒水撒灰工艺室内控制得当，取得了很好的抗冻效果。65次冻融循环后才出现少量点状起皮，整个实验过程未出现整体脱皮。但从175次冻融后表面情况来看，洒水撒灰工艺试件最终的破坏形式为脱壳。这种破坏现象说明了该工艺表面涂撒的水泥浆形成了一个整体的保护层，对于防止冻融起皮起了关键作用，水泥浆与混凝土表面的粘结程度直接决定混凝土表面脱壳破坏的时间，当界面连接处受冻融破坏，表面就会出现脱壳。但考虑到洒水撒灰工艺是不规范的操作，现场施工面积较大时洒灰量及抹面难以控制，实际工程中也不乏操作不当导致脱壳的实例。因此，不推荐作为抗冻蚀施工工艺用于工程实践。

二次振捣工艺在控制混凝土表面冻融起皮方面也取得了良好的效果。虽然二次振捣试件起皮较早，在35次冻融循环后就出现了表面麻点，但起皮比较轻微，且起皮加深的速度较慢，冻融175次以后仅边缘局部起皮。冻融100次质量损失仍为0，说明混凝土表面质量较好。由于二次振捣也可能导致混凝土实际含气量偏小，对混凝土抗冻融能力产生影响，冻融175次时相对动弹模勉强达到60%，混凝土抗冻等级达到F175。可见，与其他工艺相比，该工艺的试件内外部混凝土质量均较好。二次振捣工艺在施工中容易操作，简单方便，抗冻效果良好，可推荐作为一种施工抗冻蚀工艺应用于工程实践中。

真空吸水工艺作为一种特殊工艺，研究发现它能提高试件抗冻融能力。采用真空吸水的试件初始自振频率最高，说明混凝土密实度最好，抗冻等级在所有试件中最高。分析由于真空吸水工艺将混凝土中多余水分吸走，混凝土实际水胶比变小，混凝土密实度增加，强度提高，混凝土与骨料界面得到改善，混凝土抗冻融能力最高。但真空吸水工艺在解决混凝土冻融后表面起皮问题上未能取得较好的效果，35次出现表面麻点，105次整体起皮，而从质量损失率上来看，是所有工艺里最小的，可知尽管表面起皮，但仍存在很多浆体。整体起皮较早可能由于抹面收光过早导致的，真空吸水工艺在吸水完成后立即振捣提浆抹面一次性收光后预养，较早的抹面对表面质量产生了一定的影响，但对侧面和底面不会产生影响。因为真空吸水工艺试件的底面和侧面在经历了200次冻融循环后破坏很小，试件底面中间大面积气孔在试件拆模后就已经产生，在经历了200次冻融后未出现变化，只有边缘出现少量起粉现象。真空吸水工艺抗冻融能力最好，可用于辅助其他工艺或对抹面时间进一步的控制，有望取得较好的抗冻效果，解决表面起皮问题。

4结语

通过上述研究，得到如下结论：

(1) 抹面时机对混凝土表面抗冻性能影响较大。振捣完过早或过晚抹面降低了混凝土表面抗冻性能；

(2) 二次振捣工艺和加温保湿养护能提高混凝土抗冻性能；

(3) 真空吸水工艺能提高混凝土内部抗冻性能；

(4) 洒水抹面工艺、过振工艺降低了混凝土表面抗冻性能；

(5) 碘钨灯直接照射工艺降低了混凝土抗冻性能。

考虑施工工艺对抗冻性能的影响及施工的可操作性，推荐寒冷地区渠道衬砌混凝土施工优化工艺为：真空吸水工艺+二次振捣工艺+标准抹面工艺+加温保湿工艺。

参考文献:

[1]魏束强,赵彦波.混凝土衬砌渠道冻害原因分析及预防措施[J].水科学与工程技术,2009(05):79-80.

[2]罗辉,曲卓杰,张晶.大型渠道设计与施工新技术研究综述[J].南水北调与水利科技,2009(06):50-53.

[3]曹宏亮.浅谈混凝土抗冻理论及控制措施[J].山西建筑,2010(24):171-172.

[4]那文杰,张扬,李国忠.寒冷地区渠道混凝土衬砌防冻害的几个问题[J].黑龙江水专学报,2001(09):83-84.

[5]中华人民共和国水利部.渠道防渗工程技术规范：SLl8-2004[S].北京:中国水利水电出版社,2004.

[6]中华人民共和国水利部.渠系工程抗冻胀设计规范：SL23-2006[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[7]中华人民共和国国家贸易委员会.水工混凝土施工规范：DL/T5144-2001[S].北京：中国电力出版社,2002.

[8]中华人民共和国国家贸易委员会.水工混凝土试验规程：DL/T5150-2001[S].北京：中国电力出版社,2002.

Study on Frost-corrosion Resistance Construction Technology of Canal Lining Concrete

JIN You, ZHANG Zhenyu

(Test and Detection Co., Ltd, Gezhouba Group, Yichang, Hubei443002,China)

Abstract:In accordance with practice of construction of Beijing-Shijiazhuang section of the middle route works of South-to-North Water Diversion Project and aiming at such issues as the difficult quality control, frost heaving and freezing-thawing of the cast-in-situ concrete of canal lining, impacts of the construction technology on the frost-corrosion resistance performance of the canal lining concrete are studied. Through studies of impacts on the frost-corrosion resistance performance by vibrating mode, finishing mode and curing method, quick freezing-thawing test on finished concrete slab, regular monitoring of concrete slab surface, and record of the freezing-thawing times of the concrete slab failure, the construction technology with good frost-corrosion resistance is selected finally.Key words:canal; lining; concrete; freezing-erosion resistance; performance; construction; technology

文章编号：1006—2610(2016)03—0037—04

收稿日期：2015-10-11

作者简介：金游(1975- )，女，湖北省十堰市人，助理工程师，主要从事建筑材料检测工作.

中图分类号：TU528

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.010