抗渗阻裂水泥砂浆材料在灌溉渠道中的应用研究

王冶志

(东港市水资源服务中心，辽宁 东港 118300)

我国是一个水资源严重短缺的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，属于世界13个严重缺水国家之一[1-2]。目前我国农业灌溉用水约占全社会用水的80%，但灌溉用水效率仅为世界先进水平的60%～70%，节水潜力巨大[3]。发展高效节水灌溉是我国农业发展的必然趋势，也是解决我国水资源短缺问题的重要途径。但目前我国高效节水灌溉技术还不够成熟，特别是灌溉渠道工程存在着严重渗漏和裂缝等问题，制约了灌溉工程的发展[4-5]。因此，开发出一种新材料或新技术来解决这些问题具有十分重要的意义。抗渗阻裂水泥砂浆作为一种新型的防渗材料，可有效解决水泥砂浆渠道渗漏问题，提高水泥砂浆衬砌结构的抗渗性能，降低工程造价[6]。目前抗渗阻裂水泥砂浆主要用于新建渠道衬砌结构和老旧渠道改造工程[7]。研究通过将膨润土和玄武岩纤维掺入到水泥砂浆中，测定其抗渗透力及开裂指标，探讨玄武岩纤维和膨润土对其抗渗透及抗裂特性的影响，并对玄武岩与膨润土的最佳配比范围进行研究。

1 灌区概况

东港灌溉工程位于辽宁省东南，鸭绿江、大洋河的下游地区，东西长65km，南北宽40km，总控制面积达1352km2。该灌区原计划灌溉面积为74.88万亩，实际灌溉水田面积55.61万亩，是辽宁省三大灌区之一，也是丹东市的主粮区。现有大中型水库20个，年总调蓄量32163万m3。

2 灌溉渠道防渗衬砌工程现状及存在的问题

第一，灌排标准低。灌区地形平缓，灌(排)渠(沟)坡度小，不利于输沙，往往导致渠道和排水沟淤积，既影响了灌溉用水，又导致排洪、排涝能力下降。灌区现在灌溉渠道大多建于20世纪60—70年代，前11期工程对部分严重影响灌溉输水功能的渠道段进行了改造。但仍然有部分灌溉渠道淤积严重，杂草丛生，过流能力不满足要求。

第二，灌区的渠系建筑物老化损坏严重，不能正常发挥功能。灌区现在支渠以上配套建筑物1027座，其中渡槽35座，倒虹吸28座，桥涵301座，隧洞7座，各类闸及其他建筑物656座，工程完好率仅为68.1%。排水沟系现配套建筑物898座，其中各类涵闸141座，桥涵757座，工程完好率73.2%。

由于存在上述问题，致使灌区约20万亩水田的供水得不到保障，经常处于抗旱供水的被动状态。同时无法按水稻作物生育阶段的需要及时建立适宜田间面水层和调控地下水位，使灌区内的地下水位偏高，地温偏低，水稻平均亩产仅为370kg，属于中低产田。为了使灌区的生产条件和生态环境条件得到改善，研究开发了一种抗渗阻裂水泥砂浆，将其应用于灌区灌溉渠道衬砌工程中，以期提高水的利用效率，促进节水高效农业发展，确保农业增产、农民增收。

3 改性砂浆在灌溉渠道防渗修复方面的应用研究

3.1 水泥砂浆抗阻性能研究

在灌溉渠道的修建过程中，水泥砂浆材料容易开裂和渗漏等问题。在混凝土结构中，一旦发生此类现象，就极易遭受有害物质的侵蚀和冻融损伤，从而降低混凝土的耐久性，影响工程的质量和服役寿命，对人们的生命和财产造成危害[8]。造成这一现象的根本原因是由于水泥砂浆在水化过程中产生体积收缩，进而产生裂缝与变形[9]。目前，抗裂主要从两个方面进行，一种是通过掺加防裂材料，利用其早龄期产生的微膨胀对收缩进行补偿，降低其空隙率，从而改善混凝土的抗裂性能。二是提高基材的抗拉强度，减少基材内部的一些应力，以到达抗裂的目的。然而一般的水泥基材料由于其抗拉强度偏低，在承受超过其承受能力的拉应力时，会在其薄弱部位产生裂纹。玄武岩纤维作为一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，其除了具有较高的抗拉强度外，还具有许多优良的特性，如电绝缘、耐腐蚀、耐高温等。故研究选择向水泥砂浆中增添玄武岩纤维以增加其抗裂性能。

纤维间隔理论可以很好地阐明纤维的断裂机理，阻裂机理示意图如图1所示。该理论认为水泥砂浆中普遍存在着诸如裂缝、孔洞之类的缺陷，在外力的作用下，裂缝、空洞容易产生集中的应力，从而导致水泥砂浆产生裂缝。而均匀分布的纤维可有效缓解该问题，通过降低裂纹尖端处应力集中程度，抑制裂纹扩展，从而实现增韧和阻裂。

图1 阻裂机理示意图

纤维在水泥基体中呈立体网状结构，可有效抑制或减缓基体内部裂纹的成型，加入玄武岩纤维后，可在裂纹端面产生反作用应力，以减小整体应力[10]。通过以上分析，可以得出纤维间距与单位体积掺量的关系式，具体如式(1)。

(1)

式中，S—纤维间距；df—纤维直径；Vf—纤维体积掺量。从式(1)中可以看出，随着纤维用量的增加，水泥砂浆的抗裂性会提高，并且随着纤维直径的减小，水泥砂浆的抗裂性会提高。

研究采用《纤维混凝土试验方法标准》等有关规定进行抗裂性测试。阻裂性能试验装置的示意图如图2所示，限制板尺寸为550mm×550mm×30mm，在板上放置栓钉，每1根栓钉间距50mm，每1根栓钉的长度100mm。将配制好的水水泥砂浆灌入，抹平，然后在上面盖上1层塑胶膜，待样品完全成型后，揭去塑胶膜，用风扇对着样品的表面吹风。24h后，以在水泥砂浆表面上可以用肉眼看到的裂纹为标准，对裂纹的数量和长度进行观测，其中裂纹的最大宽度通过读数显微镜进行测定。

图2 阻裂性能试验装置的示意图

根据裂缝降低系数法，可以得出阻裂性能评价指标的计算方式，具体见式(2)。

(2)

式中，a—平均每条裂缝面积；b—单位面积发生开裂的裂缝总数量；c—单位面积的总裂缝面积；A—约束平板的低面面积；An—裂缝总面积；η—裂缝的降低系数；Wi，max—第i条裂缝的缝宽；li—第i条裂缝的总长度；Am—普通砂浆的产生开裂的裂缝总面积。

3.2 抗渗性能研究

灌溉渠道衬砌工程除了要求需要有良好的阻裂性能提高使用寿命，还需要有优秀的抗渗性能，以保证灌渠使用过程中在最低水量损失的情况下完成输水灌溉任务[11-13]。众多研究表明膨润土改性水泥基材料后抗渗性能得到了显著提升。膨润土具有吸湿性和膨胀性，吸水能力是自身体积的8～15倍，体积膨胀可以达到数倍到30倍，并且在水相中可分散为胶体或悬浮两种状态，并表现出较好的黏性、触变性及润滑性能[14]。同时，膨润土能有效地提高水泥砂浆的保水性能，防止水分的损失，从而有利于玄武岩纤维和基材的相互作用。

抗渗性是一种物质自身能够抵抗最大水压的能力，抗渗性能的优劣与物质的密度及内部孔隙结构有很大关系[15]。图3是膨润土在水泥砂浆中的抗渗机理示意图。当膨润土和水泥粉混合后，夹杂在水泥粉的中间，当遇到水时膨润土会吸收水分进而膨胀，各组分矿物组成之间相互挤压，会产生一种类似于薄膜状的胶体，这一作用可以填充水泥粉之间的空隙，从而起到防水防渗漏的作用。

图3 膨润土的抗渗机制模型

膨润土是一种具有很强分散性的材料，在发生水化反应之后，它会在基质中均匀地分布，对基质中的孔隙进行细化处理，从而能够降低基质中的孔隙，将水泥砂浆中的孔隙完全填满。在掺入了膨润土后，水泥砂浆的孔隙体积分数主要集中在6～50nm的无害或少害孔隙中，从而提高了水泥砂浆的抗渗性。另外膨润土的主要成分是由火山玻璃触变或沉积形成的微晶高岭土，化学成分是含水硅酸盐，是由云母状薄片层堆垒而成的单个颗粒。这些薄片层的上，下表面带负电，因而膨润土的构成单位是互相排斥的。膨润土在水化时，水分子沿着Si-Si结构单位的硅层表面吸附起来，使相邻接的结构单位层之间的距离加大，大幅提高了水泥砂浆的抗渗性。

抗渗性能的测试按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》等有关规定进行。将养护至龄期28d的试件周边封闭，然后装入到砂浆渗透仪上，由0.2MPa起逐步增压，在恒压2h后，增压至0.3MPa。每间隔1h，再次增压0.1MPa，待6件试件中第3件出现表层渗漏时，结束试验，并将此时的水压记录下来。如果试样28d有水渗出来，说明试样没有完全封好，需要将试样再次封好，用相同的方法进行测试。水泥砂浆抗渗性能的计算方式见式(3)。

P=H-0.1

(3)

式中，P—水泥砂浆抗渗压力值；H—6个试件中有3个试件出现渗水的水压力。

4 新型水泥砂浆材料的抗渗阻裂性能分析

研究所用材料为辽阳千山水泥有限责任公司产的普通硅酸盐水泥；辽宁鑫盛膨润土有限公司生产的膨润土，平均粒径为10.01μm；辽宁金石科技集团有限公司生产的玄武岩纤维，直径为12mm；辽宁润裕精细化工有限公司生产的聚羧酸高性减水剂；细集料为辽宁地区的普通河砂。实验采用IBM SPSS Statistics 22.0进行数据分析，Origin 9.1进行绘图。

图4为玄武岩纤维与膨润土掺量对水泥砂浆防渗效果的研究，其中不掺膨润土和玄武岩纤维的为对照组。由图3可以看出，在只掺膨润土的情况下，随着膨润土掺量的增大，抗渗压力也随之增大。当膨润土的用量由2%增加到8%，相比于对照组的抗渗透压，其抗渗透压的增加幅度为9.41%、30.65%、54.76%、73.55%。玄武岩纤维与膨润土共掺时，在0.2%、0.4%、0.6%的情况下，水泥砂浆的抗渗性随膨润土用量的增加呈现出先上升后下降的趋势，并在4%的膨润土用量下达到最大值，其抗渗透力为0.87MPa，较对照组增加61%。玄武岩纤维单独掺入时，其抗渗透力随纤维含量的增加而增加，随后逐渐降低，当其含量为0.4%时，其抗渗透力为0.63MPa，比对照组提高15.49%。上述研究结果显示，膨润土和玄武岩纤维均可显著改善水泥砂浆的抗渗能力，但膨润土的作用更为显著，且过量掺入玄武岩纤维会降低混凝土的抗渗能力。

图4 膨润土-玄武岩纤维防渗水泥砂浆的渗透实验

为了评价水泥砂浆的抗裂性能，研究根据裂缝降低系数设置如下评价标准：η≥70%(Ⅰ级)，55%≤η<70%(Ⅱ级)，0≤η<55%(Ⅲ级)。表1是不同膨润土和玄武岩纤维掺量的抗裂等级。由表1可知，在单掺膨润土的时候，裂缝降低系数都低于50%，均为Ⅲ级抗裂，抗裂效果并不理想。玄武岩纤维与膨润土混合后，裂缝降低系数随膨润土用量的增加而先略有上升，而后下降，最后趋于平稳。在膨润土和玄武岩纤维掺量分别为4%和0.6%的情况下，水泥砂浆的裂缝降低系数最高，达90.59%。玄武岩纤维单独添加时，随着掺量的增加，其裂缝降低系数也随之提高，但其裂缝降低系数比较4%膨润土和0.6%纤维混合降低了1.34%。因此，添加4%的膨润土与0.6%的玄武岩纤维时，水泥砂浆的阻裂作用最为明显。

表1 抗裂等级表

图5表示不同掺量膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆抗裂性能的影响。图5(a)是裂缝最大宽度的比较结果，在膨润土用量为4%时，裂缝最大宽度均为最小，最大裂纹宽度下降幅度最大，比对照组减少65.87%。图5(b)是单位面积裂缝数量的比较结果，膨润土含量越高，单位面积裂缝数量越少，随着掺量的增加趋势逐渐减缓。其中，膨胀土含量6%、纤维含量0.6%时，裂缝数量最少。在单一添加玄武岩纤维的情况下，纤维用量为0.6%时，裂纹数量最少，但该最小值仍高于混合掺入6%膨润土和0.6%时。图5(c)是水泥砂浆单位面积的裂缝总面积的比较结果，与其他组分比较，在0.6%的纤维用量下，单位面积开裂面积最小。图5(d)是裂缝降低系数的比较结果，在膨润土掺量为4%，玄武岩纤维掺量为0.6%时，裂缝降低系数最大，较单掺纤维砂浆增加1.33%，表明适当的膨润土与纤维对其抗裂性有较好的促进作用。综上分析，在4%的膨润土与0.6%的玄武岩纤维掺量的情况下，阻裂作用最为明显。

图5 不同膨润土和玄武岩纤维掺量对水泥砂浆阻裂性能的影响

5 结语

研究针对东港灌区灌渠易变形、易开裂、易渗漏的缺点，研制出了一种新型的防渗阻裂水泥砂浆材料，并进行了不同掺量配比的玄武岩纤维和膨润土的抗渗、阻裂性能影响规律研究。结果表明，混掺玄武岩纤维与膨润土时，在4%的膨润土掺量下抗渗性都表现最好。在膨润土与玄武岩纤维混合、单掺膨润土与玄武岩纤维3种方法中，混掺效果最好。当膨润土掺量为4%、玄武岩纤维掺量为0.6%时，其减裂系数为90.59%。新型水泥砂浆材料的抗渗阻裂性能得到了显著提升，可以满足灌渠工程质量要求，后续可研究砂浆的抗冻融、抗腐蚀性能，以满足于长期作用下的使用性能。