排水沟无砂混凝土配合比设计研究

(辽宁省桓仁县水务局水土保持站，辽宁 桓仁 117200)

农业是国民经济的基础产业，保护和提升耕地质量，大力推进中低产田改造，对保证农业的良好发展具有十分重要的意义和作用。我国沿海地区的农田往往存在地势低洼、盐碱度高的现象，对农作物的生长十分不利。无砂混凝土衬砌排水沟具有良好的排水效果，可以有效降低上述农田的盐碱危害，对农田经济发展具有十分重要的价值和作用[1]。

1 工程概况

水源灌区位于辽宁省营口市大石桥市水源镇境内，属于典型的滨海水田灌区。灌区紧邻辽河入海通道，水资源比较丰富，灌区灌溉面积8.5万亩。由于水源灌区位于辽河下游滨海盐碱区，灌区土壤盐碱化情况比较严重，是灌区农业生产的重要的制约因素。为了提升灌区的生产水平，营口市和大石桥市两级政府投入专项资金于2018年实施水源灌区土地整治项目。该项目涉及土地面积443.24hm2，其中建设规模为398.43hm2。为了提高项目区抗盐碱化能力，拟建设无砂混凝土衬砌排水沟21条，总长度约14650m。根据排水沟原始设计，其断面为梯形，田面以下深度1.20m，上口宽2.34m，下底宽0.54m。考虑到排水沟的透水性要求，其底部和侧面均采用六角形预制块铺设，中间利用无砂混凝土填充。排水沟每隔10m设置一道横向格埂，每隔20m设置一道伸缩缝。在排水沟的底部设置厚度为0.18m的无砂混凝土基础。设计断面见图1。

图1 无砂混凝土衬砌排水沟断面设计示意图(尺寸单位：cm)

2 无砂混凝土试验设计

2.1 试验材料

试验用水泥采用P.O425普通硅酸盐水泥。之所以选用普通硅酸盐水泥是由于双液材料的凝胶时间较短，不会产生严重析水现象，同时这种水泥成本较低，具有显著的经济优势[2]。粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的主要作用是替代水泥，以达到减少水泥用量、降低工程成本的目的[3]。粗骨料采用10～20mm石灰岩碎石。水选用普通自来水。

2.2 试验方法

在混凝土构成材料确定之后，配合比就成为影响混凝土质量的主要因素。因此，在本次研究中依据相关研究成果和实际施工经验，采用正交法进行材料配合比试验[4]。本次试验在能够保证试验结果的科学性与可靠性的基础上，选用正交法适当精简试验次数以缩短试验时间。

2.3 试验方案设计

根据相关文献，无砂混凝土水灰比一般取0.3，具体比例可依据混凝土工作性能进行适当调整[5]。由于本次研究的混凝土需要作为排水沟的衬砌，因此，应当加大水灰比的试验范围，水灰比取0.30、0.35、0.40和0.45四个不同数值；灰骨比则选择0.20、0.24和0.28三个不同数值，利用正交试验法获得试验方案(见表1)。

表1 试验方案设计

2.4 试验过程

按照表1的24种正交试验方案，分别制作棱长为150mm的72个无砂混凝土试块。在试块制作过程中，需要将混凝土振捣密实。在36h后释放模具，然后按照标准养护条件养护28天[6]。由于试样规则且具有较大孔隙率，因此，采用体积法测量孔隙率[7]。渗透系数是对多孔介质输运流体能力进行表征的标量，其在数值上等于当水力坡度为1时的渗透速度[8]。利用液压压力试验机对试块的破坏荷载进行测试，并将三个试块的平均值作为强度的最终试验值。

2.5 试验结果

按照设计的试验方案和试验方法进行试验，获得相应试验结果(见表2)。

表2 无砂混凝土试验结果

3 试验结果分析

3.1 强度结果分析

相同条件下无砂混凝土的强度要小于普通混凝土。显然，孔隙率偏大是造成上述结果的主因。同时，其强度还与水灰比、孔隙率、水泥用量以及骨料粒径有明显关系。通过对表2中试验结果的分析可知，无砂混凝土的强度会随着孔隙率的增大而降低。究其原因，主要是无砂混凝土的有效抵抗面积较小，因此，强度也比普通混凝土小很多；在同一骨料粒径条件下，抗压强度会随着水灰比的增加而增大，并且此因素的影响比较明显。

3.2 孔隙率分析

无砂混凝土的孔隙率是影响其强度和透水性的重要因素，从表2的试验结果来看，孔隙率的影响因素主要有粒径、水灰比和灰骨比。其中，在水灰比和灰骨比一定的前提下，无砂混凝土的孔隙率会随着骨料粒径的增大而增大，究其原因，主要是随着骨料粒径的增大，骨料之间的接触面积会减小，进而造成孔隙率的增大；在同一灰骨比的条件下，无砂混凝土的孔隙率会随着水灰比的增大而减小，究其原因，主要是水灰比的增大会造成拌和后的混凝土流动性增强；在相同骨料粒径和水灰比的条件下，无砂混凝土的孔隙率会随着水灰比的增大而减小，究其原因，主要是水泥使用量的增加会导致混凝土骨料之间的连接更为紧密，因此孔隙率会减小；在其他因素相同时，无砂混凝土的有效孔隙率会随着孔隙率的增大而增大，这说明随着孔隙率的增大，有效孔隙率也会变多，占孔隙率的比例也会相应增大。

3.3 渗透系数分析

从试验结果来看，无砂混凝土的渗透系数主要和孔隙率、水灰比、灰骨比以及骨料粒径有关。具体而言，无砂混凝土的渗透系数会随着孔隙率的增大而增大，究其原因，主要是孔隙率的增大会使混凝土中的连通孔隙变多和有效孔隙率变大，因此，渗透系数也会显著增大。

利用表2中的数据，绘制出图2和图3的渗透系数随水灰比的变化曲线。由图可知，渗透系数会随着水灰比的增大而减小。究其原因，主要是水泥的水化需要消耗水泥质量10%～15%左右的水，而在混凝土的拌制过程中，为了保证一定的和易性，往往会加大水灰比，造成试块下部水泥浆数量的增加，造成有效孔隙率的减小，进而渗透系数也明显减小。此外，无砂混凝土的渗透系数会随着灰骨比的增大而减小，会随着骨料粒径的增大而增大。

图2 渗透系数和水灰比关系(骨料粒径10mm)

图3 渗透系数和水灰比关系(骨料粒径20mm)

4 配合比确定

无砂混凝土中不含有普通混凝土所需要的细骨料，主要依靠粗骨料和水泥浆形成一种蜂窝状结构，因此，在混凝土的内部存在大量的孔隙。由于上述孔隙的大量存在，一方面会造成混凝土强度的降低，另一方面使混凝土本身具有良好的渗透性。

由此可见，在进行无砂混凝土的配合比设计过程中，需要对混凝土的强度、透水性以及经济性进行综合考量。根据以上分析结果以及水源灌区土地整治项目的实施要求，选择无砂混凝土参数(见表3)，并将其作为后续工程设计的主要标准。

表3 无砂混凝土配合比参数

5 结 语

针对辽宁省营口市土地盐碱化比较严重的情况，本文以水源灌区农田整治项目为例，提出了无砂混凝土衬砌排水沟设计思路。本次研究中依据相关研究成果和实际施工经验，采用正交法进行材料配合比试验，深入研究了不同影响因素对无砂混凝土属性的影响，结合灌区实际情况，综合考虑混凝土的强度、透水性以及经济性，选取10～20mm粒径骨料、水灰比0.4、灰骨比1∶5以及水泥等级为42.5的无砂混凝土作为排水沟衬砌的主要材料。最终的工程实践检验结果显示，本次研究所得到的无砂混凝土配合比完全可以满足排水沟衬砌施工要求，同时，无砂混凝土衬砌排水沟的排水效果良好，可以在沿海农田水利建设中推广使用。