稻殼混凝土熱工性能的試驗研究

謝 瓊,婁宗科,殷彥平

(1.楊凌職業技術學院,陜西楊凌 712100;2.西北農林科技大學,陜西楊凌 712100)

稻殼混凝土熱工性能的試驗研究

謝 瓊1,婁宗科2,殷彥平2

(1.楊凌職業技術學院,陜西楊凌 712100;2.西北農林科技大學,陜西楊凌 712100)

渠道襯砌凍害已成為北方渠灌區生產實踐中亟待解決的問題。而稻殼具有多孔性、低密度、低導熱系數等特點,首次利用農業生產的廢棄物——稻殼為骨料制備混凝土,通過試驗研究了不同稻殼摻量混凝土的導熱系數。結果表明:摻入稻殼后,混凝土的導熱系數大幅度降低,約為同等級普通混凝土導熱系數的14%～20%。通過對稻殼混凝土襯砌保溫效果的分析表明:利用稻殼混凝土襯砌渠道,有助解決像陜西關中這類微寒地區渠道襯砌的凍脹破壞問題。

稻殼混凝土;渠道襯砌;導熱系數;保溫效果分析

渠道襯砌凍脹破壞在我國北方寒冷地區普遍存在,經過多年的研究實踐,我國提出了“允許一定凍脹位移量”的設計標準[1],在過去的渠道襯砌的凍害防治的實踐中采用過基土換填、排水隔水、物理化學、結構措施和保溫措施等方法[2-5]。這些研究雖然取得了不少成果,但仍未完全解決這一問題。特別是在地下水淺埋,渠基土水分不易或無法排出時,換填法和排水隔水法不能發揮效能,保溫措施應用較為普遍。現行保溫法的通常做法是在混凝土板后鋪設防滲膜料和保溫層,這種復合式襯砌結構造價高、施工麻煩、管理不便,常因為防滲層破壞造成保溫層失效。雖然聚苯乙烯板等作為保溫材料在渠道襯砌凍害防治中已取得成功運用,但其價格昂貴,難以在量大面廣的中小型渠道中推廣應用。因此,從季節凍土地區渠道襯砌材料應滿足防滲和保溫防凍脹的雙重要求出發,開發研制新型集保溫、防滲于一體、廉價、便于施工的渠道襯砌新材料極為重要。

稻殼混凝土的研究思路是利用稻殼本身的低密度、高孔隙率的特性制備具有保溫性能的渠道襯砌材料,導熱系數是保溫材料最基本的熱工性能指標。稻殼混凝土導熱系數的研究對于保溫型渠道襯砌材料是必不可少的一項指標。

試驗是在力學性能試驗及耐久性試驗的基礎上進行的,在考慮滿足強度要求的最大稻殼摻量的同時考慮水泥的用量,分別選取水灰比0.45、0.5、0.55,稻殼摻量9%、10.5%共6組試驗,每組2塊試件,共12塊試件。

1 稻殼混凝土導熱系數試驗

1.1 試驗方案

試驗方案見表1。

表1 稻殼混凝土導熱系數試驗方案

1.2 試驗結果與分析

稻殼混凝土導熱系數試驗結果見表2。

表2 稻殼混凝土導熱系數

由稻殼混凝土導熱系數試驗結果可知,摻入稻殼后,混凝土的導熱系數有大幅度的降低,約為普通混凝土導熱系數(1.8 W/m?k)的14%～20%。當水灰比小于0.55時,稻殼摻量對導熱系數有較大影響。隨著稻殼摻量的增大,混凝土導熱系數降低;當水灰比為0.55時,稻殼摻量的影響很小,稻殼有9%增大到10.5%,導熱系數幾乎保持不變。當水灰比為0.5,稻殼摻量為10.5%時,稻殼混凝土導熱系數達到最小值0.2452 W/m?k。

2 稻殼混凝土襯砌保溫效果分析

通過試驗,得到了導熱系數最小稻殼混凝土的配合比。為了將此材料用于渠道襯砌,進行必要的熱工計算就很有意義,其主要內容有:①已知工程地點的氣候、土質、水分等條件,確定使渠基土不凍結時的最小襯砌厚度,我們將此厚度稱為臨界厚度;②當實際厚度小于臨界厚度時,確定渠基土的凍結深度,進而確定凍脹量,為防凍脹設計提供基礎數據。

渠道襯砌與渠基土一起構成了非均質地層,熱工計算時通常將渠道襯砌看成渠基土的人工保溫層,該層內認為不存在水分的相變。關于不均勻體系熱工計算的模型和方法很多,但都不同程度的利用了英國人隆頓和謝班于1943年提出的當量層厚度的概念。當量層厚度可按式(1)計算:

式中:S為當量層厚度;λM為凍土層導熱系數;h為保溫層厚度;λi為保溫層導熱系數。

根據上述思想,人們采用過多種計算模式和方法,現按照《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23—2006)中規定的方法對稻殼混凝土的保溫效果進行分析。該方法的主要內容包括:

(1)計算工程地點的設計凍深Zd

式中:Zd為渠系工程設計凍深(cm);Zm為歷年最大凍深(cm),若沒有當地資料可參考JGJ 118—98中的“中國季節凍土標準凍深線圖”選取;ψd為考慮日照及遮陰程度的修正系數,按式(3)計算,按東西走向的典型斷面陰坡為例;ψw為地下水影響系數,按式(4)計算,為計算簡便本例按0.85計算;ψi為典型斷面某部位的日照及遮陰程度修正系數,可由《渠系工程抗凍脹設計規范》中查得。;α為系數,可根據工程所在的氣候區由《渠系工程抗凍脹設計規范》中查得。

(2)確定基礎設計凍深Zf

式中:Ri為底板熱阻(m2? ℃/W);δc為基礎板厚度(m);R0為設計熱阻(m2?℃/W);I0為工程地點的凍結指數(℃?d);Zd為工程地點自然設計凍深(m);Zf為基礎下的設計凍深(m);δw為基礎板之上冰層厚度,本例為0;λc為基礎板熱導率,本例為0.25W/m?℃。

(3)計算臨界襯砌厚度δ0

如果能找到一個合適的保溫層,作用于地面時剛好消除了凍層,則保溫層的保溫機能和原有凍土層的作用是完全相同的,是最好的等效。即Zf=0時,襯砌厚度就處于臨界狀態,此時有:

(4)凍脹量計算

式中:h為工程地點天然凍土層產生的凍脹量(cm),可由《渠系工程抗凍脹設計規范》中查得,本例按地下水位為Zm=0.6查表;hf為基礎結構下產生的凍脹量(cm)。

現選擇幾個有代表型的地區進行保溫計算,計算如下:

2.1 渭南交口抽渭灌區

氣象資料[6]:歷年最大凍深Zm=20 cm,凍結指數I0=34.3℃?d

(1)設計凍深ZdZd=20×1.58×0.85=26.86 cm

(2)襯砌臨界厚度 δ0

(4)10 cm襯砌下凍脹量計算

即襯砌10 cm的稻殼混凝土可避免除凍脹破壞,而普通混凝土襯砌必然發生凍脹破壞。

2.2 分析討論

為了便于比較分析,同時計算了楊凌與甘肅白銀地區的設計凍深、襯砌臨界厚度、襯砌10 cm厚板下凍深、10 cm襯砌下凍脹量等物理量,現將上述計算成果列于表3中。

表3 保溫計算成果表

由表3可見:

(1)對于凍結指數小于100℃?d的陜西關中地區,當采用14 cm～19 cm的稻殼混凝土襯砌時,渠道襯砌不會發生凍脹破壞;當采用10 cm的稻殼混凝土襯砌時,雖有凍脹,但凍脹量在允許范圍以內。因此,采用稻殼混凝土襯砌時,不需要特殊的結構形式和施工工藝。

(2)普通混凝土采用通常的襯砌厚度,無法滿足抗凍脹要求,故單一采用加大厚度的作法是不可取的,應考慮用其它抗凍脹措施。

(3)對于像甘肅白銀這類深季節凍土地區采用稻殼混凝土保溫防凍脹,顯然不夠合適,今后應設法繼續降低襯砌材料的導熱系數。

3 結 論

(1)摻入稻殼后,混凝土的導熱系數有大幅度的降低,約為普通混凝土導熱系數(1.8 W/m?k)的14%～20%。

(2)當水灰比小于0.55時,稻殼摻量對導熱系數有較大影響。隨著稻殼摻量的增大,混凝土導熱系數降低;當水灰比為0.55時,稻殼摻量的影響很小,稻殼有9%增大到10.5%,導熱系數幾乎保持不變。當水灰比為0.5,稻殼摻量為10.5%時,稻殼混凝土導熱系數達到最小值0.2452 W/m?k。

(3)對于凍結指數小于100℃?d的陜西關中地區,當采用14 cm～19 cm的稻殼混凝土襯砌時,渠道襯砌不會發生凍脹破壞;當采用10 cm的稻殼混凝土襯砌時,雖有凍脹,但凍脹量在允許范圍以內。因此,采用稻殼混凝土襯砌時,不需要特殊的結構形式和施工工藝。對于像甘肅白銀這類深季節凍土地區采用稻殼混凝土保溫防凍脹,顯然不夠合適,今后應設法繼續降低襯砌材料的導熱系數。

[1]中華人民共和國水利部.SL 18-2004.渠道防滲工程技術規范[M].北京:水利水電出版社,2004.

[2]李安國.我國渠道防滲工程綜述[J].防滲技術,2000,6(1):1-4,16.

[3]李學軍,費良軍,穆紅文.U形襯砌渠道凍脹機理與防滲技術研究[J].干旱地區農業研究,2006,24(3):194-195.

[4]朱 強.我國渠道凍脹防治綜述[J].防滲技術,1996,2(2):7-17.

[5]張文淵.混凝土防滲渠道凍脹破壞的原因分析及防治措施[C].渠道防滲技術論文集,2003.

[6]婁宗科,蔣云濤,李宗利,等.抗凍抗滲保溫型渠道襯砌材料的研究[D].楊凌:西北農業大學,1996.

[7]婁宗科,張慧莉,閻寧霞,等.渠道防滲防凍脹襯砌技術研究[J].水土保持研究,2002,9(2):19-22.

[8]郭殿祥,等.渠道防滲防凍害復合襯砌結構的試驗研究[J].水利水電技術,1992,(11):41-45.

Experimental Research on Thermal Performance of Rice Husk Concrete

XIE Qiong1,LOU Zong-ke2,YIN Yan-ping2
(1.Yangling Vocational&Technical College,Yangling,Shaanxi712100,China;2.Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi712100,China)

The freezing damage prevention of canal lining has become one of the pressing problems which should be solved in the production and practice in north canal irrigation areas.The rice husk has the characteristics such as porosity,low density,low thermal conductivity and so on.In this study,the agricultural production waste-rice husk is used firstly asone of the materials in the production of concrete,and the apparent density and compressive strength under different rice husk amounts of concrete are studied through experiments.The results show that after mixing with the rice husk,the thermal conductivity of concrete would reduce in large scale,and is about 14%～20%of common concrete's thermal conductivity.Through analyzing the insulation effect of the rice husk concrete lining,it is shown that the rice husk concrete would help to solve the frost-heave damage problem of the lining canal in the micro-cold area such as Guanzhong area in Shaanxi.

rice husk concrete;canal lining;thermal conductivity;insulation effect analysis

TU528.36

A

1672—1144(2012)05—0045—03

2012-03-01

2012-04-20

謝 瓊(1977—),女(漢族),陜西寶雞人,碩士,主要從事工程監理教學工作及建筑材料的研究。

婁宗科(1962—),男(漢族),陜西鳳翔人,碩士,教授,主要從事水工材料與工程結構方面的教學科研工作。