輸水渠開裂纖維混凝土襯砌滲透系數試驗研究

魯鵬

（遼寧西北供水有限責任公司，遼寧桓仁117200）

1 研究背景

在農田水利工程建設中，輸水渠道是不可或缺的組成部分[1]。襯砌滲水是輸水渠道工程建設中最常見的病害之一，對輸水渠道的耐久性和功能發揮存在巨大影響，而混凝土襯砌裂縫無疑是造成上述情況的主要因素[2]。為了提高輸水渠道混凝土襯砌的耐久性和抗滲性能，近年來在輸水渠道設計和施工中開始大量運用纖維混凝土襯砌。這種以水泥基料為基礎適當添加各種纖維材料形成的新型材料，具有強度大、抗裂性強、耐久性好等諸多優勢[3]。另一方面，混凝土裂縫形成原因是十分復雜的，往往是多種因素相互作用和影響的結果，因此在實際施工過程中并不能完全避免[4]。特別是在正常施工和工作的狀態下，纖維混凝土襯砌的表面和內部仍舊存在部分微小的裂縫[5]，因此，在帶縫工作條件下進行滲透問題研究，更具有實際意義和工程價值。此次研究基于劈裂試驗獲得開裂纖維混凝土，對不同纖維摻量和類型條件下的混凝土滲透系數進行試驗研究，以便對纖維混凝土襯砌的設計和施工提供必要的理論和技術支撐。

2 試驗設計

2.1 試驗設備與材料

此次試驗的滲透系數測定采用的是南通市測量儀器儀表廠生產的SL352-01 滲透系數測定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩定平衡兩大系統組成，測量誤差在5%以內，完全可以滿足試驗測定要求。

試驗材料為經過劈裂試驗的3 種不同纖維混凝土試件，其配合比如表1 所示，每組配合比制作3 個試件。在試件制備過程中，首先按照表1 的配比稱量好水泥、石子和砂并干拌至均勻，然后加入減水劑和纖維材料繼續攪拌，最后加入自來水攪拌均勻。將拌制均勻的混凝土倒入磨具搗振成型，最后放入混凝土標準養護箱中養護[6]。對養護完畢的試件進行劈裂試驗，預制出存在裂縫的試件備用。

試驗用密封材料為瀝青和AB膠[7]。其中，瀝青為唐山永豐防水材料有限公司生產的一級防水瀝青；AB 膠為上海華宇化工有限公司生產的高性能結構AB膠。試驗中使用的密封圈為廣州威寧橡膠廠生產的135 mm×5 mm規格O型橡膠密封圈。

2.2 試驗步驟

根據試驗目的和實驗設備的使用要求，確定如下試驗步驟：

1）實驗前將開裂砌纖維混凝土試件放入水中浸泡2 d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和雜質。

表1 各組件配合比kg/m3

2）將試件放入試驗容器，在其下部瀝入80 ℃的瀝青并在四周涂抹均勻，高度應為試件高度的2/3，在上部填入AB膠，保證試驗中的密封防水作用。

3）在密封材料徹底冷卻之后，將容器置于試驗儀器的支撐框架內，并在頂面凹槽部位放好密封圈，然后旋緊緊固螺栓，使容器具有良好的密閉性。

4）接通水源管線和壓力源，對容器注水，排出容器內的空氣，待空氣完全排出后關閉排氣閥，將壓力調節至恒定值。

5）試驗壓力從0.2 MPa 開始，每間隔8 h 增加0.1 MPa 的壓力，直至試件底部全部滲水[8]。然后保持壓力值不變，每隔8 h 讀取一次滲透水量。當單位時間滲透水量不再增加時停止試驗。

6）所有試驗結束之后，對試驗數據進行整理和計算，獲得滲透系數。

2.3 計算原理

實驗過程中以達西定律為依據，不同組別的開裂纖維混凝土滲透系數的計算公式：

式中：k 為滲透系數，cm/s；L 為試件厚度，cm；A試件上表面面積，cm2；△H 為水位差，mm；Q 為單位時間滲流量，cm3/s，計算公式：

式中：V 為滲流體積，ml；T 為對應的滲流時間，s。

3 試驗結果與分析

3.1 滲透系數試驗結果

試驗過程中，開裂纖維混凝土試件的下表面無水壓，上表面為0.35 MPa 的系統設定水壓，對試驗過程中的有關數據進行測定和整理，結果如表2所示。

表2 試驗數據記錄表

以表2 的計算數據為基礎，利用上節的計算方法，計算獲取各個試件的滲透系數，將每組3 個試件的滲透系數均值作為該組試驗的最終滲透系數，具體的滲透系數和滲透系數比如表3 所示。

由表3 的結果可知，B1，B2，B3和B4為單摻聚丙烯纖維，其對應的聚丙烯摻量分別為0.40，0.55，0.70 和0.85 kg/m3，與之對應的滲透系數值分別為6.84×10-8，6.59×10-8，5.30×10-8和5.07×10-8cm/s，與普通混凝土的A1對照組相比，滲透系數分別降低了7.6%，10.9%，28.4%，31.9%。由此可見，摻加聚丙烯纖維可以有效降低開裂混凝土的滲透系數，且摻加量越大，效果越明顯。究其原因，在普通混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維的情況下，由于纖維阻裂作用的影響，混凝土襯砌在塑性期裂紋明顯減少，因此可以起到良好的減滲作用。另一方面，由于攪拌作用，聚丙烯纖維在混凝土中處于無規則排列狀態，雖然帶來一些孔隙，但是可以使混凝土中的大部分裂縫轉變為微裂縫，進而使混凝土中的滲流通道大幅減少，因此混凝土的抗滲性能也可以獲得大幅提升。

C1，C2，C3和C4為單摻鋼烯纖維，其對應的鋼纖維摻量分別為30.1 ，45.7 ，61.3 和77.5 kg/m3，與之對應的滲透系數值分別為6.78×10-8，6.50×10-8，6.07×10-8和5.95×10-8cm/s，與普通混凝土的A1對照組相比，滲透系數分別降低了8.4%，12.2%，18.0%和19.6%。由此可見，摻加鋼纖維也可以有效降低開裂混凝土的滲透系數，且摻加量越大，效果越明顯，其原因和纖維混凝土類似，這里不再敷述。摻加鋼纖維與摻加聚丙烯纖維相比，其滲透系數的下降幅度較小，說明摻加鋼纖維對提升混凝土抗滲性的作用效果不如摻加聚丙烯纖維。

D1和D2為鋼纖維和聚丙烯纖維混摻的工況，從實驗結果看，兩組試驗的滲透系數值分別為4.98×10-8cm/s 和5.23×10-8cm/s，與對照組A1相比，滲透系數分別下降了32.7%和29.3%。兩者相比可以發現，混凝土的滲透系數和聚丙烯纖維的摻量存在十分顯著的正相關關系。另一方面，D1和D2兩組試件的滲透系數明顯小于其他各組試件，說明纖維混摻在降低混凝土滲透系數方面的作用和效果要好于纖維單摻。因此，在輸水渠道襯砌施工過程中，建議采用混摻纖維混凝土，以提升襯砌自身的抗滲性能。

4 結論

鑒于優異的抗滲和抗裂性能，纖維混凝土得到日益廣泛的應用，但是微裂縫仍舊是不可避免的問題，因此，研究開裂纖維混凝土的滲透性具有重要的理論和工程價值。此次研究以實驗室試驗的方法對不同類型、不同摻量的開裂纖維混凝土的滲透系數進行研究，獲得的主要結論如下：

表3 滲透系數計算結果

1）單獨摻加聚丙烯纖維或鋼纖維可以有效降低開裂混凝土的滲透系數，且摻加量越大，效果越明顯。兩者相比，摻加聚丙烯纖維的抗滲效果更佳。

2）兩種纖維混摻在降低混凝土滲透系數方面的作用和效果要好于纖維單摻。因此，在輸水渠道襯砌施工過程中，建議采用混摻纖維混凝土，以提升襯砌本身的抗滲性能。