干濕與凍融交替作用下渠道復(fù)合襯砌劣化規(guī)律研究

王正一， 李 剛， 王 沖， 張明義， 李博譽(yù)

（1. 石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003； 2. 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷朝著節(jié)約資源、高效灌溉的方向發(fā)展［1］，但是在北方季節(jié)性凍土地區(qū)，輸水渠道坐落于凍土之上，常年遭受基土凍脹與融沉作用，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的凍融破壞，襯砌材料也出現(xiàn)不同程度的損傷與劣化［2-6］。針對渠道襯砌面臨的基土凍融問題，目前的研究主要是在渠道襯砌板下部設(shè)置一種或多種墊層，主要材料包括聚苯乙烯泡沫板、復(fù)合土工膜和砂礫石防凍排水層等，將上述材料單獨(dú)鋪設(shè)或多種材料組合鋪設(shè)得到各具優(yōu)勢的襯砌墊層［7-8］。從保溫的角度出發(fā)，聚苯乙烯泡沫（EPS）板是目前渠系工程最常用的保溫材料，有學(xué)者對渠系工程采用聚苯乙烯泡沫板的方式展開了詳細(xì)研究，根據(jù)熱工計算提出了經(jīng)濟(jì)合理的部分保溫法，同時，利用固體材料接觸熱阻原理，從理論和數(shù)值模擬層面解釋了EPS板的作用機(jī)理及效果［5，9-10］。復(fù)合土工膜與砂礫石換填層常組合使用，多用于高水位和凍脹敏感性土壤地區(qū)，在渠道襯砌板下部鋪設(shè)復(fù)合土工膜，再對一定深度的凍脹敏感性土進(jìn)行換填，可起到排水與防滲的雙重作用［11-13］。渠道襯砌在設(shè)置墊層的同時，也應(yīng)考慮渠道邊坡板在基土融化期的滑移穩(wěn)定性，為此，有學(xué)者開展了墊層對邊坡板穩(wěn)定性影響的研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合土工膜、EPS板與下部基土之間的摩擦力過小，坡板存在較大的滑塌風(fēng)險［14］，同時，EPS 板本身強(qiáng)度較低，與混凝土板粘結(jié)面的抗剪強(qiáng)度較弱，在該界面易出現(xiàn)剪切破壞，導(dǎo)致坡板向渠內(nèi)滑移［15-18］。上述研究對渠道常用墊層材料進(jìn)行了較為全面的探索，但大多都是針對保溫或防滲一方面而言，將渠道抗凍脹與防滑相結(jié)合的墊層研究還有待開展；此外，由于墊層材料與渠道襯砌需共同抵抗周圍環(huán)境的變化，而這種季節(jié)性周期變化的環(huán)境條件對材料各項性能會有較大影響，因此，在墊層材料設(shè)計時還需考慮材料的耐久性問題。

綜上，在EPS 板墊層的基礎(chǔ)之上，考慮春融階段基土融化引起的坡板滑移問題，提出一種由多層材料粘結(jié)組合而成的多層組合墊層措施。通過干濕與凍融交替試驗(yàn)來探究此墊層在數(shù)次試驗(yàn)后的隔熱性、粘結(jié)強(qiáng)度，以及對混凝土的保護(hù)作用，明確該墊層材料在復(fù)雜環(huán)境下的耐久性能及劣化趨勢，同時，從粘結(jié)強(qiáng)度和隔熱性兩方面確定陶砂的最佳摻量，最終得到一個較優(yōu)的墊層措施，為未來渠道復(fù)合襯砌設(shè)計及耐久性研究提供一定參考。

1 試驗(yàn)方法與材料

1.1 墊層設(shè)計

EPS 板通過陶砂環(huán)氧樹脂（EP）膜與上部渠道混凝土板粘結(jié)成一體，其組合形式見圖1。EP 膜由環(huán)氧樹脂WSR6101、固化劑T31 和無水乙醇按照質(zhì)量比為5∶1∶1 的比例配制而成。陶砂EP 膜不僅作為混凝土板與保溫板的粘結(jié)材料，同時也可起到隔熱作用，其中，復(fù)合襯砌由混凝土板和多層組合墊層組成，而多層組合墊層則由陶砂EP 膜和EPS板粘結(jié)而成，如圖1 所示，其粘結(jié)過程如下：（1）按照環(huán)氧樹脂WSR6101、固化劑T31 和無水乙醇質(zhì)量比為5∶1∶1 的比例配制EP 溶液；（2）將陶砂顆粒摻入EP 溶液中，充分?jǐn)嚢?，使其均勻分布于EP 溶液中，制得陶砂EP 溶液；（3）將配制好的陶砂EP 溶液澆筑于EPS 板表面，養(yǎng)護(hù)7 d 即可得到陶砂EP 膜與EPS 板粘結(jié)成一體的試件。多層組合墊層與混凝土板粘結(jié)成一體，故采用與混凝土同等的試驗(yàn)條件。

圖1 復(fù)合襯砌組合形式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of composite lining

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

在我國西北地區(qū)，部分土壤含鹽量較高，同時，該地區(qū)氣候干旱少雨，晝夜溫差大，在春秋季節(jié)常發(fā)生日凍融循環(huán)，而在此過程中往往伴隨的干濕交替，渠道復(fù)合襯砌在此環(huán)境下易遭受干濕與凍融的交替作用，故本試驗(yàn)采用連續(xù)15次干濕循環(huán)與連續(xù)25 次凍融循環(huán)先后交替的方式來研究復(fù)合襯砌的耐久性。干濕循環(huán)過程采用5%硫酸鈉溶液（鹽溶液）作為浸泡溶液，將試件在環(huán)境溫度為26 ℃條件下浸泡15 h，隨后風(fēng)干1 h，再在環(huán)境溫度為80 ℃條件下干燥6 h，隨后在25～30 ℃室溫條件下自然冷卻2 h，此過程為1 次干濕循環(huán)，試驗(yàn)過程如圖2（a）所示；而凍融過程采用慢凍法，“氣凍水融”的形式，其中，降溫與升溫過程均為2 h，此過程環(huán)境溫度分別為-18 ℃與18 ℃，凍結(jié)與融化過程各持續(xù)5 h，環(huán)境溫度分別為-18 ℃與18 ℃［19-20］，試驗(yàn)過程如圖2（b）所示。將15 次干濕循環(huán)與25 次凍融循環(huán)作為一個完整試驗(yàn)周期，并循環(huán)往復(fù)4 次，在每15 次干濕循環(huán)與25 次凍融循環(huán)結(jié)束后分別測取材料的各項性能。干濕與凍融具體試驗(yàn)設(shè)計參數(shù)如圖2 所示。

圖2 干濕與凍融過程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of wet-dry and freeze-thaw processes

陶砂摻量以其與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為依據(jù)，因陶砂EP膜作為粘結(jié)層，厚度相對于混凝土板與EPS板較薄，須考慮陶砂與EP膜在該層的體積占比，同時，還要滿足一定的粘結(jié)強(qiáng)度，經(jīng)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陶砂摻量與有效粘結(jié)面積成反比［21］，故選取0～15%，梯度為5%的陶砂摻量方式，陶砂各摻比下的質(zhì)量計算式如下：

式中：H2為陶砂EP 膜厚度（m）；L1為試件長度（m）；L2為試件寬度（m）；ρEP、ρT分別為環(huán)氧樹脂和陶砂的表觀密度（g·cm-3）；n為陶砂摻量質(zhì)量比。

1.2.1 隔熱性

復(fù)合襯砌及各層材料的隔熱性通過導(dǎo)熱系數(shù)來反映，本試驗(yàn)參考GB/T 10801.1—2002《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》和GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》進(jìn)行，將復(fù)合襯砌制成邊長為100 mm 的立方體試件，在干濕與凍融交替試驗(yàn)后，采用迅速導(dǎo)熱系數(shù)測定儀QTM-710 來測定不同交替次數(shù)下試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2.2 粘結(jié)強(qiáng)度

粘結(jié)面B（聚苯乙烯泡沫板接觸面）的粘結(jié)強(qiáng)度參照GB/T 30804—2014《建筑用絕熱制品 垂直于表面抗拉強(qiáng)度的測定》測定，將試件上下兩面用結(jié)構(gòu)膠粘于預(yù)制鋼板，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖3 所示；其中，為分別獲取粘結(jié)面A（混凝土接觸面）、B 的強(qiáng)度劣化規(guī)律，本文采用兩層EPS 板中間用陶砂EP 膜粘結(jié)的方式來測取粘結(jié)面B 的強(qiáng)度，同理，粘結(jié)面A 則是通過陶砂EP 膜粘結(jié)兩層混凝土板來進(jìn)行試驗(yàn)，將制備完成的陶砂EP混凝土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，測取兩混凝土板之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

圖3 B面粘結(jié)強(qiáng)度測試過程Fig. 3 Test procedure for bond strength of surface B

1.2.3 混凝土與EP 膜混凝土表觀形貌、質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度

原位渠道的復(fù)合襯砌處在一個復(fù)雜環(huán)境中，周圍水分條件與溫度條件隨著時間不斷變化，而且，土壤中的鹽分會隨基土自由水不斷遷移，因此，為測得EP 膜對混凝土的保護(hù)作用，考慮在無EPS 板的極端情況，本試驗(yàn)采用在100 mm 標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方塊試件表面涂抹EP 膜，將該試件在數(shù)次干濕與凍融交替試驗(yàn)后的質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度作為定量評判指標(biāo)，表觀形貌破損程度作為定性評判指標(biāo)［19-20］。

各試驗(yàn)內(nèi)容所對應(yīng)的試件參數(shù)詳見表1，混凝土配合比設(shè)計見表2，陶砂選用新疆沙灣縣盛源保溫材料廠生產(chǎn)的陶砂，其性能參數(shù)見表3，級配見表4。

表1 試件試驗(yàn)內(nèi)容與參數(shù)Table 1 Contents and parameters of test specimens

表3 頁巖陶砂的基本性能Table 3 Properties of shale ceramic sand

表4 陶砂的級配Table 4 Distribution of particle size for ceramic sand

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合襯砌隔熱性劣化規(guī)律分析

根據(jù)1.2.1 節(jié)所述測試方法對復(fù)合襯砌及墊層進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定，結(jié)果如圖4 所示。復(fù)合襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)隨著干濕、凍融交替次數(shù)的增加而增加，幾乎呈線性關(guān)系，平均增長率為45.33%，陶砂摻量大小對多層組合墊層導(dǎo)熱系數(shù)有一定影響，摻量與隔熱性成正比，隨著干濕與凍融交替試驗(yàn)次數(shù)的增加，陶砂的隔熱作用越明顯，此外，陶砂摻量少于5%的試件導(dǎo)熱系數(shù)增長率略高于其他摻量試件。

圖4 復(fù)合襯砌不同陶砂摻量的導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 4 Thermal conductivity of cushion with different content of ceramics

為更好地研究復(fù)合襯砌在數(shù)次交替試驗(yàn)后的劣化情況，分別對EPS 板和混凝土板進(jìn)行干濕與凍融交替試驗(yàn)，測試結(jié)果見圖5。隨著試驗(yàn)交替次數(shù)的增多，EPS板導(dǎo)熱系數(shù)線性增大，其導(dǎo)熱系數(shù)最終增幅為51.22%。這是由于鹽溶液通過EPS 板開口孔隙進(jìn)入其內(nèi)部，加速EPS 板老化，鹽溶液密度大，閉口孔隙在周圍較大的溶液壓力下易破裂開口，鹽溶液進(jìn)入閉口孔隙內(nèi)部，在干燥加熱階段，閉口孔隙內(nèi)部壓力增大，內(nèi)外形成較強(qiáng)的壓力差，此時，開口裂隙在內(nèi)外壓力差下進(jìn)一步擴(kuò)展，與此同時，留存于閉口孔隙內(nèi)部的鹽溶液結(jié)晶析出，硫酸鈉結(jié)晶在正溫環(huán)境下的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.543 W·m-1·K-1，與EPS板相比較高，所以，鹽溶液的結(jié)晶析出對復(fù)合襯砌的隔熱性有不利影響。

圖5 EPS板與混凝土板的導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 5 Thermal conductivity of EPS slab and concrete slab

經(jīng)過數(shù)次干濕循環(huán)后，EPS 板內(nèi)部部分氣泡失效。凍融過程中，水分進(jìn)入EPS 板內(nèi)部，溫度降低，水分發(fā)生相變，體積膨脹，EPS板內(nèi)部的水分結(jié)冰凍脹，對周圍EPS 板顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓作用，裂隙再次擴(kuò)展，部分未破壞的閉口孔隙在周圍冰劇烈的擠壓作用下變形，進(jìn)而發(fā)生破壞。在如此循環(huán)往復(fù)的干濕、凍融作用下，EPS板內(nèi)部孔隙破裂、發(fā)育，氣泡間的間隙也逐步減小，EPS 板上下表面熱流通道增多且路徑縮短，從而導(dǎo)致EPS 板導(dǎo)熱系數(shù)增大，隔熱性降低。

從圖5 中還可知，混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)先降低后增大的情況，最終漲幅為13.62%。在首次干濕循環(huán)中，濕熱環(huán)境為混凝土創(chuàng)造了良好的水化反應(yīng)條件，混凝土內(nèi)部進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物對內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)降低現(xiàn)象。在后續(xù)交替試驗(yàn)中，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)持續(xù)增大，這也與混凝土孔隙破壞和裂縫發(fā)育有關(guān)。在干濕循環(huán)中，鹽溶液通過混凝土表面微小裂隙滲入，一方面，與混凝土板發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石等產(chǎn)物，生成物膨脹，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，另一方面，混凝土裂隙中的鹽溶液結(jié)晶析出，體積膨脹，裂縫不斷擴(kuò)展延伸。在干濕破壞的基礎(chǔ)之上，凍融作用對混凝土的破壞是一個冰脹與充水的惡性循環(huán)過程，內(nèi)部孔隙在周圍壓應(yīng)力增大情況下出現(xiàn)破碎，多個孔隙相連，形成較大的孔隙，這為傳熱提供了較好的路徑，熱量散失速度加快，隔熱性降低。干濕與凍融交替作用，相互促進(jìn)各自的不良作用，對混凝土的導(dǎo)熱性影響較大。

2.2 EPS板粘結(jié)面強(qiáng)度劣化規(guī)律分析

為方便對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計與分析，本文選取陶砂摻量為0、5%、10%和15%時的結(jié)果進(jìn)行分析，其余中間陶砂摻量試驗(yàn)結(jié)果在此結(jié)果區(qū)間之內(nèi)，趨勢相同。粘結(jié)面A、B 的粘結(jié)強(qiáng)度均隨干濕與凍融交替次數(shù)的增加而降低，與交替試驗(yàn)次數(shù)幾乎呈線性降低關(guān)系。從圖6 可以看出，陶砂摻量對粘結(jié)面A的強(qiáng)度有較大影響，且呈非線性關(guān)系。在對不同陶砂摻量試件進(jìn)行4 次干濕、凍融交替試驗(yàn)后，0、5%、10%和15%陶砂摻量A 粘結(jié)面的強(qiáng)度降幅分別為37.34%、36.35%、45.08%、54.12%，可以看出，5%陶砂摻量的粘結(jié)面強(qiáng)度降幅最小，15%陶砂摻量降幅最大。陶砂的加入會減小粘結(jié)面的有效接觸面積，在陶砂高摻量時表現(xiàn)得尤為明顯，陶砂顆粒與EP膜在靠近上下EPS 板表面時會出現(xiàn)填充空腔，而且，陶砂顆粒在加入EP 膠泥后，顆粒之間存在潤濕凝聚作用，顆粒表面包裹一層具有較強(qiáng)粘性的EP膜，因此，顆粒間的粘性和粘結(jié)作用變得明顯，隨著顆粒碰撞的發(fā)生，顆粒彼此粘附在一起，進(jìn)而形成團(tuán)聚，陶砂顆粒越多，顆粒間碰撞可能性越大，團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯，如圖8 所示。在EP 膜進(jìn)行粘結(jié)時，陶砂顆粒團(tuán)會占據(jù)大量接觸面積，從而使得有效粘結(jié)面積降低，加之混凝土EPS 板本身抗拉強(qiáng)度較低，在劈裂抗拉試驗(yàn)過程中，混凝土表面受到粘結(jié)層的較大軸向拉應(yīng)力，進(jìn)而混凝土表面發(fā)生表皮剝離破壞，粘結(jié)作用失效，有效面積越小，則能承受的軸向抗拉強(qiáng)度越小，受力時也更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。而粘結(jié)面B 的強(qiáng)度劣化規(guī)律與粘結(jié)面A 不完全一樣，最主要的區(qū)別在于陶砂對粘結(jié)面強(qiáng)度的影響，在圖7 中，可以明顯看到有無陶砂以及陶砂摻量多少對粘結(jié)面強(qiáng)度幾乎無影響，從六組數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果來看，粘結(jié)面B的破壞均是EPS板的拉伸破壞，該界面的粘結(jié)強(qiáng)度取決于EPS 板的強(qiáng)度，如圖9（a）、9（b）所示。隨著交替試驗(yàn)次數(shù)的增加，破壞強(qiáng)度依然呈近乎線性的降低，平均降幅為33.96%。這是由于EP 膜在涂抹至兩EPS 板之間時，EP 會沿著EPS 板的空隙入滲，填充粘結(jié)面附近EPS板的空隙，在EPS板與EP 膜層接觸面附近形成一個具有一定厚度的粘結(jié)強(qiáng)化層，故在進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)時，破壞截面在EPS層，破壞強(qiáng)度也就由EPS板所決定。

圖6 A面不同陶砂摻量的粘結(jié)強(qiáng)度Fig. 6 Bond strength of surface A with different dosages of ceramics

圖7 B面不同陶砂摻量的粘結(jié)強(qiáng)度Fig. 7 Bond strength of different ceramic content on surface B

圖8 不同陶砂摻量平面圖Fig. 8 Plan view of ceramic sand with different amounts of admixture： 0（a）， 5%（b）， 10%（c）， 15%（d）

圖9 各材料軸向拉伸破壞形態(tài)Fig. 9 Damage pattern of axial tensile test for each material：EPS slab （a）， surface B （b）， cushion without EP membrane （c）， cushion with EP membrane （d）

與此同時，混凝土板與EPS 板的強(qiáng)度會隨干濕、凍融交替次數(shù)增多而出現(xiàn)降低，EPS板內(nèi)部結(jié)構(gòu)在反復(fù)干濕與凍融作用下出現(xiàn)劣化。在干濕循環(huán)中，混凝土表面與溶液直接接觸，首先在表面一定厚度出現(xiàn)脆化，而凍融循環(huán)則是水分通過表面裂隙進(jìn)入混凝土，使得混凝土遭受強(qiáng)烈的凍脹作用；EPS板在干濕、凍融循環(huán)中也是如此，空隙不斷增大，EPS板內(nèi)部的連接作用削弱，孔隙破裂，裂紋相互連接貫穿，強(qiáng)度大大降低，進(jìn)而呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢。

對比粘結(jié)面A 與B 的強(qiáng)度，由圖6 和圖7 可知，粘結(jié)面A 的強(qiáng)度是B 面強(qiáng)度的10 倍左右，在無陶砂EP 膜的情況下，破壞截面為上部混凝土板與下部EPS 板的接觸面，如圖9（c）所示。當(dāng)設(shè)置有陶砂EP膜時，多層組合墊層將破壞截面轉(zhuǎn)移至粘結(jié)面B 下部附近，如圖9（d）所示，在渠道襯砌凍脹翹曲過程中，混凝土板在自身重力作用下會沿著某一滑移面向下滑移；在極端情況下，混凝土板的翹曲量超過混凝土板的厚度時，若陶砂EP膜與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度不夠，粘結(jié)面A將成為滑移面，若粘結(jié)面A強(qiáng)度足夠，則需要更大的翹曲量，滑移面也進(jìn)而向下推移至粘結(jié)面B 附近，所以，EP 膜的存在使混凝土板滑塌的可能性降低。

2.3 EP膜對混凝土耐久性影響分析

在1.2.3 節(jié)所述條件下，考慮EP 膜對混凝土作用的極端情況，對EP 膜混凝土進(jìn)行交替試驗(yàn)，并與普通混凝土試件對比，表觀形貌結(jié)果如圖10（a）、10（b）所示，質(zhì)量損失率變化情況見圖11，而抗壓強(qiáng)度的劣化過程見圖12所示。

圖10 不同試件表觀形貌Fig.10 Surface morphology of different specimens： （a） ordinary concrete， （b） EP-concrete

圖11 EP膜混凝土與普通混凝土質(zhì)量損失變化情況Fig. 11 Change of quality loss of EP-concrete and ordinary concrete

圖12 EP膜混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度變化情況Fig. 12 Compressive strength change of EP-concrete and ordinary concrete

2.3.1 表觀形貌

現(xiàn)對普通混凝土試件進(jìn)行分析，由圖10（a）可知，普通混凝土試件表面破壞程度隨干濕、凍融交替試驗(yàn)次數(shù)的增多而加深。普通混凝土試件在完成首次交替試驗(yàn)后，表面基本上保持平整，僅有部分區(qū)域出現(xiàn)輕微的剝蝕，試件完整性較好；在進(jìn)行2次干濕、凍融交替試驗(yàn)后，試件表面平整度降低，出現(xiàn)點(diǎn)狀坑槽，試件棱角部位輕微剝落，表面還伴隨著部分顆粒，有裂紋出現(xiàn)；當(dāng)試件完成3 次交替試驗(yàn)后，表面平整度急劇下降，面部坑槽增多，棱角部位損傷較為嚴(yán)重，骨料有裸露的傾向，裂紋發(fā)育；當(dāng)試件完成4次干濕、凍融交替試驗(yàn)后，破損程度嚴(yán)重，表面粗骨料裸露，棱角成曲面，裂紋擴(kuò)展明顯，表面一定厚度的砂漿層剝落，少量白色區(qū)域?yàn)楦綆}結(jié)晶。

EP膜混凝土試驗(yàn)結(jié)果不同于普通混凝土試件，從圖10（b）可知，EP膜混凝土在數(shù)次交替試驗(yàn)后，表面EP膜呈現(xiàn)脫落狀態(tài)，而內(nèi)部混凝土試件則較為完整，交替試驗(yàn)對其影響不大，這得益于外部EP 膜對混凝土試件的保護(hù)作用。EP 膜混凝土在經(jīng)歷初次交替試驗(yàn)后，基本無變化，表面仍光滑平整，無破損現(xiàn)象出現(xiàn)；第2次交替試驗(yàn)完成后，EP膜混凝土表面出現(xiàn)少許膜脫落現(xiàn)象，平整度較初次試驗(yàn)有明顯降低，大部分EP 膜依舊與混凝土粘結(jié)，試件整體完整性較好；在3 次試驗(yàn)結(jié)束后，EP 膜出現(xiàn)老化，表面剝離嚴(yán)重，部分混凝土試件受到輕微侵蝕，EP 膜的粘結(jié)性也出現(xiàn)一定程度的下降，但內(nèi)部混凝土試件未出現(xiàn)明顯破壞；當(dāng)試件進(jìn)行4次交替試驗(yàn)后，表面EP膜脫落嚴(yán)重，內(nèi)部混凝土試件暴露，但試件平整度和完整性均較好，無鹽結(jié)晶附著，外部EP膜老化嚴(yán)重，基本喪失粘結(jié)能力，EP膜出現(xiàn)硬化和脆化現(xiàn)象。

2.3.2 質(zhì)量損失

圖11 是EP 膜混凝土與普通混凝土質(zhì)量損失變化情況，可以看出，EP 膜混凝土與普通混凝土試件質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)增長趨勢，純混凝土試件的質(zhì)量損失速度較快，且損失量較大，而EP 膜混凝土試件質(zhì)量損失率增長速度先慢后快，與混凝土試件相比，質(zhì)量損失程度存在滯后現(xiàn)象。純混凝土試件質(zhì)量損失整體呈加速上升趨勢，4 次完整交替試驗(yàn)后最大質(zhì)量損失可達(dá)2.57%，而EP膜混凝土前期幾乎無質(zhì)量損失，從第3 個干濕、凍融交替試驗(yàn)開始，EP膜脫落程度嚴(yán)重，內(nèi)部混凝土試件逐步受到環(huán)境的影響，開始出現(xiàn)剝皮現(xiàn)象，質(zhì)量損失逐步增大，最終可達(dá)1.53%。

混凝土試件在第一次干濕循環(huán)過程中出現(xiàn)質(zhì)量損失為負(fù)的情況，主要有兩方面的原因，一方面，鹽溶液通過混凝土裂隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，溶液結(jié)晶析出，填充混凝土內(nèi)部空隙；另一方面，在干濕循環(huán)過程中，混凝土所含氫氧化鈣與鹽溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一系列侵蝕產(chǎn)物，例如鈣礬石、石膏等，這些產(chǎn)物初期填充混凝土內(nèi)部孔隙和缺陷；上述兩方面的原因就導(dǎo)致混凝土在初期試驗(yàn)過程出現(xiàn)質(zhì)量增加的現(xiàn)象。EP膜混凝土則不存在這種問題，試驗(yàn)前期，內(nèi)部混凝土被外膜包裹，與環(huán)境溶液無接觸，僅承受環(huán)境溫度的變化，EP膜混凝土在此過程無明顯變化，故質(zhì)量損失幾乎為零，而在后期，隨著外表面EP膜的脫落，質(zhì)量損失也在逐步增大?；炷猎嚰笃谠邴}侵和凍融的雙重作用下，表面開始剝蝕，棱角部分損失嚴(yán)重，裂紋也在此過程快速發(fā)育，試件質(zhì)量損失率不斷上升。

2.3.3 抗壓強(qiáng)度

圖12 是EP 膜混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度變化情況，可以看出，普通混凝土與EP 膜混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨干濕與凍融累計試驗(yàn)次數(shù)的增加呈先上升后降低趨勢，但整體呈降低趨勢，普通混凝土強(qiáng)度降低速率與幅值均大于EP膜混凝土；普通混凝土試件強(qiáng)度降低速率近似線性，其值為0.063 MPa/次，而EP膜混凝土強(qiáng)度降低速率先慢后快，強(qiáng)度平均劣化速率為0.039 MPa/次，該值小于未采取保護(hù)措施的普通混凝土試件。

普通混凝土試件在初次干濕循環(huán)后表現(xiàn)出強(qiáng)度增長的現(xiàn)象，發(fā)生此情況的原因與上述試件初期質(zhì)量增加原因一致，也是上述兩方面原因引起的，而隨著交替試驗(yàn)次數(shù)的增加，強(qiáng)度急劇下降，這是因?yàn)樵诔醮胃蓾裱h(huán)后，凍融過程中的水分沿著裂紋進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在負(fù)溫作用下，水的成冰作用會在試件內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，而外部的水分結(jié)冰則對試件產(chǎn)生各個方向的擠壓應(yīng)力，在內(nèi)外復(fù)雜應(yīng)力的共同作用下，普通混凝土原生裂紋擴(kuò)展，薄弱部位產(chǎn)生新的裂縫，為下一次干濕循環(huán)提供有利的侵蝕條件；當(dāng)試件經(jīng)過上一次的凍融循環(huán)后，裂紋發(fā)展，干濕循環(huán)中鹽溶液有充分的侵蝕面積，產(chǎn)生大量侵蝕產(chǎn)物，與鹽結(jié)晶共同對裂紋周圍混凝土施加膨脹應(yīng)力，普通混凝土劣化持續(xù)加深。在這種“擴(kuò)張-填充-擴(kuò)張”的循環(huán)作用下，混凝土結(jié)構(gòu)緩慢瓦解，強(qiáng)度逐步下降。而EP膜混凝土前期強(qiáng)度降低較為緩慢，主要是試件外部EP膜阻擋鹽溶液和水分進(jìn)入，內(nèi)部混凝土試件處于一個干燥環(huán)境，僅承受環(huán)境溫度的改變，不涉及侵蝕反應(yīng)、結(jié)晶膨脹和冰脹作用，強(qiáng)度變化不大，而在外部EP 膜開始脫落的時候，內(nèi)部混凝土開始發(fā)生與普通混凝土試件一樣的變化，但由于EP 膜并未完全脫落，內(nèi)部混凝土試件與外溶液也是部分接觸，不良作用僅在局部產(chǎn)生，而后EP 膜脫落，內(nèi)部混凝土暴露，在交替作用下強(qiáng)度開始快速降低。

3 陶砂最佳摻量設(shè)計

由于陶砂摻量對多層組合墊層的隔熱性和A面粘結(jié)強(qiáng)度有較大影響，因此，確定陶砂最佳摻量時以隔熱性和A 面粘結(jié)強(qiáng)度為參考指標(biāo)，為更好反映陶砂摻量對多層組合墊層的影響，同時考慮在摻量分析過程中的簡便性與實(shí)用性，將導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)熱阻作為隔熱性大小的判斷指標(biāo)，熱阻越大，隔熱性越好。將陶砂摻量對多層組合墊層熱阻與A面粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律繪制如圖13 所示，由圖13可以看出，墊層熱阻與A 面粘結(jié)強(qiáng)度隨陶砂摻量不同而呈現(xiàn)相反變化趨勢。對下圖熱阻與粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如下表5所示。

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表5 不同交替試驗(yàn)次數(shù)下A面粘結(jié)強(qiáng)度和墊層熱阻擬合結(jié)果表Table 5 Fitting results of bonding strength of surface A and thermal resistance of cushion under different test times

圖13 不同交替試驗(yàn)次數(shù)下陶砂摻量對A面粘結(jié)強(qiáng)度和墊層熱阻的影響Fig. 13 Effect of pottery content on the bonding strength of surface A and thermal resistance of cushion under different test times

對上述粘結(jié)強(qiáng)度與隔熱性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行Logistic歸一化處理［22-23］，并對歸一化后的結(jié)果進(jìn)行擬合，得到熱阻、粘結(jié)強(qiáng)度分別與陶砂摻量之間的函數(shù)關(guān)系，如表6所示。

表6 不同交替試驗(yàn)次數(shù)下A面粘結(jié)強(qiáng)度和墊層熱阻性歸一化結(jié)果表Table 6 Normalized results of bond strength of surface A and thermal resistance of cushion

不同渠道所處環(huán)境不一樣，因此，考慮不同環(huán)境下渠道防治重點(diǎn)，以及粘結(jié)性與隔熱性需求不一致的情況，通過不同權(quán)重來描述隔熱性和粘結(jié)強(qiáng)度的重要程度，計算表達(dá)式如下：

式中：c為墊層隔熱性（熱阻）設(shè)計權(quán)重，0 ≤c≤1。

式（2）中隔熱性設(shè)計權(quán)重c的取值考慮引起原位渠道凍脹破壞的主要因素，減少凍脹量，本文主要從地下水與土壤溫度入手，而土壤溫度與渠道系統(tǒng)中各材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，其中，凍脹量與地下水位高度、各材料導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系為［24-25］：

式中：h為渠道邊坡板平均凍脹量（cm）；αP為荷載修正系數(shù)，取值與基土干密度和上部荷載大小有關(guān)；a、b、d和k均為與溫度、土質(zhì)相關(guān)的參數(shù)；z為邊坡板地下水位平均埋深（m）；w為基土初始含水率（%）；wp為土壤塑限含水率（%）；λf為基土凍結(jié)時的導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）；Hd為工程設(shè)計凍深（m）；λd為渠道復(fù)合襯砌設(shè)計導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）；Hc為渠道混凝土板厚度（m）；λc為混凝土板導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）；HS為墊層厚度（m）；y＇s為墊層的熱阻（m·K·W-1）；hL為地下水位深、淺臨界深度（m），當(dāng)z≤hL時，地下水位埋深較淺，z>hL時，地下水位埋深較深，其計算式如下：

式中：Hmax為渠道歷年來最大凍深（m）；Δh為渠道最大凍深與地下水位之間的臨界距離，取值如表7所示。

表7 Δh參考取值表Table 7 Reference values of Δh

以新疆維吾爾自治區(qū)某灌區(qū)渠道為計算依據(jù)，對式（3）進(jìn)行分析，相關(guān)計算參數(shù)如表8 所示，在設(shè)計凍深、土質(zhì)情況、襯砌厚度和隔熱層厚度一定的情況下，地下水位埋深較淺時，渠道凍脹破壞程度主要由地下水位高度決定，隔熱性對渠道凍脹量的影響較小，地下水位與熱阻對渠道凍脹量的影響曲線如圖14（a）、圖14（b）所示；而當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^深時，影響渠道凍脹量的因素主要是墊層的熱阻大小，影響曲線如圖15 所示。所以，在進(jìn)行陶砂摻量設(shè)計時，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時，陶砂EP 膜的熱阻對渠道抗凍脹影響較小，此時主要考慮陶砂EP膜與A面的粘結(jié)強(qiáng)度，防止混凝土板發(fā)生滑塌破壞；地下水位埋深較深時，影響渠道凍脹量的主要因素為陶砂EP 膜的熱阻大小，故此時主要考慮陶砂摻量對EP膜的熱阻影響。

表8 新疆維吾爾自治區(qū)某灌區(qū)渠道計算參數(shù)Table 8 Parameters of a canal in an irrigation area in Xinjiang Uygur Autonomous Region

圖14 地下水位埋深較淺時各因素對渠道邊坡板凍脹量的影響曲線Fig. 14 Influence curve of the amounts of factors on the frost heave under a shallow groundwater table

圖15 地下水位埋深較深時熱阻對渠道邊坡板凍脹量的影響曲線Fig. 15 Influence curve of the amount of frost heave at the deeper groundwater table

為安全起見，本文以混凝土板的厚度來衡量凍脹量大小，同時考慮不同凍脹量情況下設(shè)計權(quán)重c的取值，計算式如下：

式中：h1max為地下水位較淺時的最大凍脹量，cm；h2max為地下水位較深時的最大凍脹量，cm。

將式（5）代入式（3）可得隔熱性設(shè)計權(quán)重c的取值，計算式如下：

為求得多層組合墊層隔熱性與粘結(jié)性的最佳組合比，同時確定該組合下的陶砂摻量，對式（2）進(jìn)行極值處理，其計算式如下所示：

本文僅給出部分設(shè)計權(quán)重c所對應(yīng)的最佳陶砂摻量，其結(jié)果如表9 所示，其余設(shè)計權(quán)重c所對應(yīng)的最佳陶砂摻量計算方法亦是如此。

表9 陶砂摻量參考表Table 9 Quantity reference values of ceramic sand

4 結(jié)論

在EPS 板保溫墊層的基礎(chǔ)之上，針對渠道墊層與襯砌材料粘結(jié)面強(qiáng)度不夠、基土水分侵蝕襯砌等問題，提出多層組合墊層，在室內(nèi)制作渠道墊層局部試件，并進(jìn)行干濕與凍融交替試驗(yàn)，探究該墊層的耐久性，得到如下結(jié)論。

（1）陶砂摻量與復(fù)合襯砌的隔熱性成正相關(guān)，干濕與凍融交替次數(shù)越多，陶砂對墊層的隔熱作用越明顯。EPS板與混凝土板在干濕與凍融交替試驗(yàn)過程中也出現(xiàn)不同程度的劣化，二者導(dǎo)熱系數(shù)隨干濕與凍融累計試驗(yàn)次數(shù)增大基本呈線性增加，隔熱性也隨之降低。

（2）陶砂EP 膜使得復(fù)合襯砌滑移時的破壞截面下移，降低了渠道邊坡板滑移的可能性。就多層組合墊層而言，陶砂摻量對粘結(jié)面B 的強(qiáng)度幾乎無影響，而對粘結(jié)面A的強(qiáng)度有較大影響，摻量與強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)，陶砂顆粒團(tuán)聚會占據(jù)有效接觸面積，使得兩材料在受拉時所提供的粘結(jié)面不足，進(jìn)而導(dǎo)致材料所能提供的抗拉應(yīng)力過低，易發(fā)生受拉破壞。

（3）與普通混凝土相比，EP 膜對混凝土有明顯的保護(hù)作用，質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度劣化現(xiàn)象向后明顯推移，延長了混凝土板的使用壽命，在質(zhì)量與抗壓強(qiáng)度損失方面分別降低1.04%和8.58%，可有效提高混凝土板對基土水分侵蝕的抵抗作用。

（4）通過研究陶砂摻量與墊層隔熱性、A面粘結(jié)強(qiáng)度的大小影響，利用統(tǒng)計的方法對不同試驗(yàn)交替次數(shù)下陶砂的最佳摻量進(jìn)行計算分析，確定陶砂在不同隔熱性與粘結(jié)強(qiáng)度雙目標(biāo)需求下的最佳摻量，并給出了確定陶砂摻量的計算方法。