气泡混合轻质土对寒区渠道防冻胀的作用和厚度优化

付勇

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003）

我国北方大部分地区都属于季节性冻土区，由于冻融作用的存在，混凝土衬砌渠道冬季冻胀问题广泛存在，输水工程都会面临严重的冻害，并给渠道的正常运行和耐久性造成严重影响。有些工程虽然没有完全损毁，但是也需要投入大量的人力和物力进行维修。因此，深入研究渠道冻胀机理和防治措施是亟待解决的工程技术问题[1]。目前，我国北方灌区渠道的防冻胀措施主要是提高衬砌结构的强度和耐久性，在衬砌结构下铺设保温板及渠基土的固化和换填等，但是缺乏新材料的探索和应用[2]。基于此，此次研究主要探讨气泡混合轻质土在渠道防冻胀领域的工程价值，具有重要的工程价值和作用。

1.1 材料特性与工程价值

气泡混合轻质土属于一种新型人工制作材料，主要特点：由于气泡混合轻质土中含有大量的微小气泡群，因此，容重与普通土体相比要小很多，同时还可以通过对各种组分配合比的设计，将其强度调节在0.5～5.0 MPa之间；
由于气泡混合轻质土中使用水泥作为固化剂，因此，在施工后5 h即可实现固化，不影响后续工序的施工作业；
气泡混合轻质土属于水泥类材料，和普通高分子材料相比，具有良好的隔热性和耐久性[3]。一定厚度的气泡混合轻质土可以实现良好的保温性能。

目前，虽然气泡混合轻质土主要用于公路的路基施工，但是将其作为衬砌结构下的保温层具有良好的工程优势。首先，气泡混合轻质土内气泡体积含有率达40%～60%，具有良好的隔热性能，将其用于渠道施工建设可以取得良好的保温效果，有效控制渠道衬砌结构的冻胀破坏。其次，气泡混合轻质土的材料强度较大，明显大于聚苯乙烯保温板，且具有良好的耐久性，将其用于渠道施工可以提高衬砌结构和基土的整体性，对提升渠道工程的耐久性极为有利。最后，气泡混合轻质土的工程造价较低且施工方便，仅为聚苯乙烯保温板的1/2左右。

1.2 制备工艺

气泡混合轻质土制备需要的主要原料有水泥、发泡剂和水[4]。其中，试验用水泥为辽宁本溪北方水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，对样品的测定结果显示，其各项指标均满足GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》的相关要求。试验用发泡剂为重庆黑曜科技有限公司生产的HY-F80复合型发泡剂，其稀释倍率为80倍，气泡群密度为49.5 kg/m3，沉降距为1.3 mm，沁水量为20.2 ml，其各项指标均满足CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》。试验用水为工程现场的自来水。

气泡混合轻质土制备过程采用物理发泡的方式进行。此次研究中参照CJJ/T 177-2012，通过对现有技术的总结确定具体的施工工艺流程，如图1所示。

图1 气泡混合轻质土制备工艺流程

2.1 试验段选择

试验中选择辽宁省某灌区节水改造工程2号支渠CZ1+100-CZ1+150段作为试验段。试验段渠道为梯形断面设计，边坡的坡度为1.5，渠底宽2.0 m，渠深1.5 m，采用现浇型混凝土衬砌，地下水位在渠道底板以下0.2 m部位。

2.2 试验方法

为了验证气泡混合轻质土的防冻胀工程效果，试验中需要对试验段的渠基土的温度及衬砌结构冻胀量进行试验和测定[5]。其中，试验中对基土温度监测采用单点温度传感器，在渠道两侧的顶部和渠底各布置1组温度传感器，共4组[6]。鉴于灌区冬季的最大冻深为1.2 m，地表2.0 m以下部位基土的温度变化对冻胀的影响作用不大，因此，各组温度传感器的钻孔深度为2.0 m，孔内每隔20 cm布置1个温度传感器，自上而下共布置11个[7]。为了避免传感器位置变化，应将所有的温度传感器串联固定并放入PVC管后，再放入温度孔。

冻胀量的监测采用冻胀位移传感器[8]。在埋设过程中，首先需要钻孔到设计深度，然后在钻孔内放入延长杆，在延长杆上设置防冻结套筒，使延长杆的底座和土体紧密接触，然后在孔中回填原状土并压实。

2.3 试验方案设计

试验段的衬砌结构为厚6 cm的C35现浇混凝土，表层为3 cm的水泥砂浆抹面。在衬砌结构和渠基土之间设置气泡混合轻质土保温层，结合相关工程经验及材料的导热系数，对比研究15，20，25，30，35 cm等不同厚度气泡混合轻质土保温层的防冻胀效果。为了进行对比研究，将厚6 cm聚苯乙烯保温板方案作为对比方案。试验段在2020年12月1日完工并开始试验，12月30日试验结束，试验周期为30 d。

3.1 冻深

对试验中获得的温度垂向分布数据，整理获取典型时段的最大冻深，结果如表1所示。由表1可以看出，随着环境温度的逐步降低，各方案的基土最大冻深也呈现出逐步增加的变化特征，但是增加的幅度逐渐减小，最终趋于稳定。从不同厚度气泡混合轻质土试验方案数据的对比来看，在相同的试验时段，随着气泡混合轻质土保温层厚度的增加，基土最大冻深呈现出逐渐减小的变化特点，但是变化的幅度逐渐减小。由此可见，增加气泡混合轻质土保温层厚度可以有效减小渠道基土冬季的最大冻深，这对于防冻胀设计是有利的。但是，随着气泡混合轻质土保温层厚度的不断增加，上述工程效果会趋于减弱，当气泡混合轻质土保温层厚度小于25 cm时，增加厚度可以显著降低渠基土的最大冻深；
当气泡混合轻质土保温层厚度大于30 cm时，厚度增加并不能显著降低渠基土最大冻深。从对比方案来看，其最大冻深试验结果介于厚度为25 cm和30 cm的气泡混合轻质土保温层方案之间。由此可见，采用厚度为25～30 cm的气泡混合轻质保温层可以获得与厚6 cm的聚苯乙烯保温板相同的工程效果。

表1 不同试验方案的最大冻深 m

3.2 冻胀量

对试验中冻胀量试验数据进行整理，获取如表2所示的典型时段衬砌结构最大冻胀量。由表2中的数据可以看出，渠道衬砌结构的冻胀量随着试验的进行呈现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的特点，原因是施工完成之后基土存在一定的沉降变形，之后逐渐产生冻胀变形。从不同厚度气泡混合轻质土方案的冻胀量试验数据来看，在相同的试验时段，随着气泡混合轻质土保温层厚度的增加，基土最大冻胀量呈现出逐渐减小的变化特点，同时变化的幅度逐渐减小。由此可见，增加气泡混合轻质土保温层厚度可以有效减小渠道基土冬季的最大冻胀量，但是随着气泡混合轻质土保温层厚度的增加，控制效果会趋于减弱。当气泡混合轻质土保温层厚度小于25 cm时，冻胀量的控制效果较为明显；
当气泡混合轻质土保温层厚度大于30 cm时，冻胀量的控制效果不明显。从对比方案来看，其最大冻胀量试验结果介于厚度为25 cm和30 cm的气泡混合轻质土保温层方案之间。由此可见，采用厚度为25～30 cm的气泡混合轻质保温层可以获得与厚6 cm的聚苯乙烯保温板相同的冻胀量控制工程效果。

表2 不同试验方案的最大冻胀量 mm

通过上述对气泡混合和轻质土在寒区渠道防冻胀领域应用的探讨，可以得出：随着气泡混合轻质土保温层厚度的增加，渠基土的最大冻深和最大冻胀量不断减小，但是厚度超过30 cm之后的减小幅度极为有限；
厚25～30 cm的气泡混合轻质土保温层可以取得与厚6 cm的聚苯乙烯保温板相同的防冻胀工程效果。气泡混合和轻质土具有良好的隔热效果、强度和价格优势，可以用于寒区渠道防冻胀设计施工。