環(huán)保型超疏水混凝土制備及在寒區(qū)長距離輸水渠道應用

1、環(huán)保型超疏水混凝土制備及在寒區(qū)長距離輸水渠道應用水資源南多北少 , 區(qū)域配置不均衡。為協(xié)調(diào)區(qū)域供水矛盾 , 南水北調(diào)等大批長距離跨流域調(diào)水工程應運而生, 混凝土襯砌渠道由于造價低、易于施工、便于管理等優(yōu)點已成為骨干輸水設施之一。但位于北方旱寒區(qū)的長距離混凝土襯砌渠道由于其水頭損失大、防滲能力及適應變形能力差 , 致使其過流能力不足 , 產(chǎn)生嚴重的凍脹、凍融破壞問題, 制約著“生命線”工程安全運行及效益發(fā)揮。因此, 利用橡膠再生混凝土彈性模量低、適應變形能力強 , 超疏水涂料防滲效果好、 減阻效果顯著等材料特性, 研發(fā)一種工藝簡單、經(jīng)久耐用且成本較低的, 集防滲、減阻、抗凍脹于一體的環(huán)保型超疏水

2、襯砌混凝土 , 對寒區(qū)長距離輸水渠道建設具有現(xiàn)實意義。為此 , 本文基于超疏水“二元 ( 粗糙微結構 +低表面能 ) 協(xié)同作用”制備思路 ,探究了環(huán)保型超疏水混凝土的最佳制備工藝; 并通過系列物性試驗及數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了其力學性能、抗凍脹性、抗?jié)B性、減阻性、疏冰性和超疏水表面穩(wěn)定性 , 論證了其在寒區(qū)長距離輸水渠道的應用價值。論文主要工作和結論如下:(1)環(huán)保型超疏水混凝土制備方式對比研究: 首先制備形成環(huán)保型混凝土( 再生混凝土摻量 30%,廢棄橡膠摻量 5%); 以環(huán)保型混凝土為基體 , 在其表面覆蓋紫銅網(wǎng)或使用砂漿抹面誘導形成表面粗糙微結構并浸漬氟硅烷, 分別形成環(huán)保型超疏水混凝土和

3、, 并以制備工藝及耐久性為優(yōu)選指標, 對制備方式進行優(yōu)選。結果表明 , 環(huán)保型超疏水混凝土最優(yōu)制備方式為使用細砂漿進行環(huán)保型混凝土抹面 , 表面浸漬濃度為 1.5%的氟硅烷。其表面接觸角為153.4 , 表面能僅為2.58 mJ/m2, 達到較好的超疏水狀態(tài)。(2) 研究了普通混凝土、環(huán)保型超疏水混凝土力學性能。環(huán)保型超疏水混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量與普通混凝土相比分別降低18.75%、3.3%和 39.9%, 表明環(huán)保型超疏水混凝土在抗壓、 抗拉強度降低不大的情況下 , 可大幅降低彈性模量。(3) 基于凍土水熱力三場耦合理論 , 建立襯砌渠道凍脹模型 , 分析普通混凝土襯砌渠道和

4、環(huán)保型超疏水混凝土襯砌渠道應力分布規(guī)律。較普通混凝土而言, 環(huán)保型超疏水混凝土制備的渠道襯砌結構最大拉應力和最大壓應力分別降低51.8%和 14.4%, 上、下表面應力均方差分別降低 32.8%和 50.7%, 表明其適應變形能力更強 , 抗凍脹性能更好。(4) 通過“逐級加壓法”抗?jié)B試驗探究了普通混凝土和環(huán)保型超疏水混凝土的抗?jié)B性能。較普通混凝土而言 , 環(huán)保型超疏水混凝土抗?jié)B等級提高了兩倍有余 ,滲水高度僅為普通混凝土的13.9%; 且較防滲復合襯砌而言 , 環(huán)保型超疏水混凝土襯砌每平米造價約減少9.9%, 是一種較理想的防滲、抗凍融材料。(5) 建立了長 25m、縱坡比 1/400 的矩

5、形混凝土襯砌渠道 , 通過水工模型試驗 ,率定了流量為 0.02 、0.039 、0.047 和 0.057m3/s 下普通混凝土和環(huán)保型超疏水混凝土表面糙率。結果表明: 普通混凝土和環(huán)保型超疏水混凝土表面糙率分別為0.01491 和 0.01322, 環(huán)保型超疏水混凝土表面糙率減小11.3%, 具有較顯著的減阻效果 , 可提升渠道輸水效率。(6) 采用自行設計的混凝土破冰儀進行了混凝土疏冰性研究 , 以表面冰殘余率為評價指標。普通混凝土冰殘余率為 74.4%, 環(huán)保型超疏水混凝土冰殘余率為30.9%, 降低 51.8%, 表明環(huán)保型超疏水混凝土具有較好的疏冰性。(7) 通過“水下鋼球法”沖磨試驗 , 以磨蝕時間為自變量 ,