东北地区季节性冻土期水工混凝土冻融膨胀观测试验研究

汪海龙

(大石桥市水利工程移民局,辽宁 营口 115100)

季节性冻土在北方地区较为普遍,而在季节性冻土期水工混凝土的冻融膨胀对水工建筑物的安全造成影响。因此在北方地区,水利工程设计时,需要考虑水工混凝土在季节性冻土期的冻融膨胀问题。国内学者对于混凝土冻融膨胀的研究起步较晚[1- 5],主要还是采用观测试验的方式,对混凝土冻融膨胀阶段的含水率变化进行试验分析。但这部分研究成果大都针对道路工程研究较多[6- 9],水利工程研究还较少,蔡正银[10]对某输水工程地基土盐-冻胀特性进行试验研究,研究结果表明地基土样冻融膨胀造成输水工程较为严重的水头损失。在辽宁地区冬季较为寒冷,季节性冻土更为明显,为此水利工程设计需要考虑地区季节性冻土期的水工混凝土的冻融膨胀,本文以辽宁某工程为研究实例,对该区域进行冻融膨胀观测试验。分析成果可以为水利工程设计提供参考价值。

1 土样制备及试验方法

1.1 土样采集方法

土样采集时,主要采集地表深度为3～4m的样土,密封包装后结合GB/T50123- 1999《土工试验方法标准》对试验土样进行四分方法的剔除和筛选。首先对试验土样进行溶解性试验。土样溶解性试验结果见表1。从表1中可以看出,土样中Ca2+的含量溶解性较高,而阴离子中Cl-的含量较高。对试验土体的颗粒粒径进行级配分析,分析结果见表2。

表1 试验土样溶解性试验结果

表2 试验土样的粒径分布曲线

1.2 观测试验仪器

本次冻融观测试验仪器主要分为3个部分,第一部分为冻融观测试验筒，第二部分温度控制和监测系统,第三部分为土样冻融膨胀变形监测仪器。其中冻融观测试验筒的直径为100mm,其内壁厚度为35mm,整个筒的高度为150mm,在其筒深纵向每隔30mm安装一个热源灵敏传感器。在冻融观测试验筒顶部安装冻结底板,底板直径为300m,底板厚度为30mm,在冻结底板设置多个单孔,保证冷却液的循环制动,在其顶部设置4个进出排水孔,试验筒的底部安装固定板,固定板的厚度为15mm,在其内部安装环形凹槽用于固定,固定底板与支撑板中间安装钢架,保证底板在冻融观测试验不因膨胀而变形。第二部分的温度控制和监测系统,主要采用国产的温控系统,其温控的精度为0.2℃。第三部分为混凝土变形监测仪器,该仪器由磁仪器和试验观测筒构成,本次变形监测的测试高程为60mm,膨胀试验的精度为0.05mm。

1.3 试验步骤

本次混凝土冻融膨胀试验主要分为5个步骤。

(1)对试验土样的主要物理特性进行分析,测定土样的溶解性和颗粒粒径大小。

(2)冻融试验：在试验前可进行空载试验,保证仪器的运转通畅,在观测筒外部包围10cm的保温层,确保试验土样在同一个温度层进行试验。

(3)土样准备：对不同含水率同样土样搅匀后装入试样袋中,为保证试验土样的均匀性,一般需要常温静置20h以上。

(4)冻结试验：结合温度控制系统,对试验土样逐步降低温度,降温速度控制在0.6℃/h。

(5)冻结含水率测定：在冻融膨胀稳定阶段后,关闭温度调控系统,自土样顶部每3cm逐步向下取土,采用烘干方法对取土土样进行含水率的测定。

2 试验结果分析

2.1 冻融膨胀过程试验结果

分别对细粒和粗砂土进行冻融膨胀观测试验,观测试验结果见表3和表4,并绘制了两种质地下冻融膨胀变化曲线,如图1所示。

从表1中可以看出,细粒和粗砂土的冻融膨胀量均随着含水率的增加而增加,这主要是因为含水率的增加,使得冻融阶段冻结率有所增大,在冻融膨胀阶段期水工混凝土的冻融膨胀量也相应有所增加。从图1可以明显看出,细粒在冻融过程分为两个阶段,第一阶段为冻融初始阶段,这一阶段随着冻融时间的增加,冻融膨胀量有所下降,这主要是因为在初始冻融阶段,细粒土孔径较小,不易发生较为明显的冻融膨胀,在冻融阶段,冻融膨胀量有较为明显的上升过程,冻融膨胀曲线梯度逐步增加,并达到最大,在冻融稳定阶段,冻融膨胀量较为稳定。粗砂土的冻融初始阶段,冻融膨胀量逐渐上升,这主要是因为粗砂土粒径较大,冻融量明显高于细粒。在冻融阶段和稳定阶段,冻融量的发展过程和细粒过程较为相似。在冻结阶段粗砂土冻融量增加较为明显,而在冻融稳定阶段,冻融量较为稳定。

表3 细粒土不同含水率下的冻融膨胀变化试验结果

表4 粗砂土不同含水率下的冻融膨胀变化曲线

图1 不同土样不同含水率下的冻融膨胀变化曲线过程图

2.2 土样含水率与冻融膨胀率相关性试验结果

结合冻融膨胀试验含水率测定结果,分析了细粒和粗砂土冻融膨胀率和含水率之间的相关性,相关性分析结果如图2所示。

图2 不同土样含水率与冻融膨胀率相关图

从图2可以看出,含水率和冻融膨胀率具有较好的相关性。细粒土的含水率和冻融膨胀率相关系数为0.8472,粗砂土含水率和冻融膨胀率的相关系数达到0.8761,其相关性好于细粒土,这主要和细粒土以及粗砂土的粒径相关,粒径较大,其相关性较好,粒径较小的细粒土相关性略低。但总体上,两种土样的含水率和冻融膨胀率具有较好的相关性。土样中的含水率大小是影响水工混凝土冻融膨胀的主要影响因素。

2.3 冻融阶段含水率纵向变化试验结果

结合试验成果,分析了不同土样在冻融膨胀阶段含水率纵向分布,结果如图3和图4所示。

图3 细粒土含水率纵向变化试验结果

从图3可以看出,随着初始含水率的增加,其含水率在顶部逐渐增加,底部含水率较低,在试验6～9cm之间,属于冻结较为严重的区域。而在1～3cm的区域属于不易冻结的区域。随着土样高度的降低,含水率也逐步增加,不易发生冻融膨胀。对于粗砂土而言,初始含水率的不

图4 粗砂土含水率纵向变化试验结果

同,其含水率纵向分布不同,在试验8～9cm之间,属于冻结较为严重的区域,而在2～3cm属于不易冻结的区域,可见不同材质的土样,其冻融膨胀发生阶段的深度不同。

3 结语

通过对东北地区季节性冻土期水工混凝土冻融膨胀进行观测试验研究,得出结论：冻融膨胀阶段,水工混凝土冻融膨胀曲线梯度逐步增大,土样膨胀速率较快,到稳定阶段,其冻融膨胀率逐步较小,冻融膨胀增长率最低；含水率与冻融膨胀率具有较好的线性关系,在施工阶段,应注重施工混凝土中的土样含水率,降低其冻融膨胀率；含水率是水工混凝土冻融膨胀的主要制约因素,水分纵向变化是水工混凝土冻融膨胀的主因。

[1] 董伟. 复杂环境下浮石轻骨料混凝土耐久性研究与应用分析[D]. 内蒙古农业大学, 2016.

[2] 李建清, 王燕. 日本NEXSUS聚合物砂浆在潘家口水库混凝土大坝溢流面修补试验中的应用[J]. 水利技术监督, 2017(05): 137- 139.

[3] 朱方之. 受冻融混凝土耐久性及荷载耦合下钢筋混凝土粘结性能研究[D]. 西安建筑科技大学, 2013.

[4] 李昕. 碳化及硫酸盐侵蚀作用对混凝土质量损失的影响分析[J]. 水利技术监督, 2017(02): 64- 67.

[5] 王宗海. 水利工程混凝土冬季施工研究[J]. 水利规划与设计, 2015(12): 93- 95.

[6] 宿晓萍. 吉林省西部地区盐渍土环境下混凝土耐久性研究[D]. 吉林大学, 2013.

[7] 占宝剑. 盐水侵蚀和冻融对混凝土性能的影响研究[D]. 武汉理工大学, 2009.

[8] 宁作君. 冻融作用下混凝土的损伤与断裂研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2009.

[9] 李蕾蕾. 复杂环境下混凝土破坏机理研究[D]. 南昌大学, 2008.

[10] 蔡正银, 吴志强, 黄英豪, 等. 北疆渠道基土盐-冻胀特性的试验研究[J]. 水利学报, 2016, 47(07): 900- 906.