CN110409490A - 一种水利工程抗冻挡土墙 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水利工程抗冻挡土墙，包括挡土墙本体，挡土墙本体包括由内至外依次设置的缓冲层、渗水层及抗冻混凝土层；缓冲层远离渗水层的一面为弧形面且内凹，弧形面上设有多个锚杆，锚杆均朝向远离渗水层的方向水平设置；缓冲层和渗水层内均设置有多个加强筋；缓冲层、渗水层及抗冻混凝土层的底端设有透水板，缓冲层、渗水层及抗冻混凝土层的顶面及外周设有隔热层，隔热层的外周设有蓄水层，蓄水层的外周设有生态毯；挡土墙本体内设有多个排水管，排水管的一端位于蓄水层内，另一端并位于缓冲层外。本发明挡土墙的结构简单、抗冻性好，能够很好的抵抗低温环境对墙体的影响，使墙体在低温环境中依然保持稳定性，不易发生冻害而倾倒。
Description
技术领域
本发明属于挡土墙技术领域，具体涉及一种水利工程抗冻挡土墙。
背景技术
挡土墙是水利工程中常用的支挡建筑物，水利工程中的桥、涵闸建筑物都有挡土墙组成部分。但是在季节冻土区，水工建筑物挡土墙的冻害破坏是相当普遍的，尤其是祖国的北部地区，年气温低，冻结历时长，加之水工挡土墙多位于江河岸边及渠、泡等低洼地段，地基土的含水量大，冻胀性强，所以冻害尤为严重，从而影响工程的正常运行和效益的充分发挥。
为了解决这一问题，研究者们开发了各种各样的抗冻挡土墙，这些挡土墙一般都侧重于在墙体内设置各种排水结构以将墙体内水分排出，减少墙体含水量，进而减少墙体受冻害影响的程度，但是，这种结构的挡土墙虽然含水量少，但是孔隙率大，孔隙也大，墙体强度低，使用一段时间之后，墙体内部结构会变得松散不稳定，在受到支承土体膨胀压力时，挡土墙易于倒塌。因此，很有必要对挡土墙的抗冻性能进行改善，在增强其排水效果的同时，也保持其足够大的力学强度，以避免挡土墙受冻害影响而倒塌。
发明内容
本发明的目的是提供一种水利工程抗冻挡土墙，其能够有效避免冻害对挡土墙的影响，使其在低温下仍然能够发挥作用。
本发明提供了一种水利工程抗冻挡土墙，包括挡土墙本体，所述挡土墙本体包括由内至外依次设置的缓冲层、渗水层以及抗冻混凝土层；
所述缓冲层远离所述渗水层的一面为弧形面且内凹，所述弧形面上间隔固设有多个锚杆，且多个锚杆均朝向远离所述渗水层的方向水平设置；所述缓冲层和所述渗水层内均设置有多个纵横交错的加强筋；
所述缓冲层、所述渗水层以及所述抗冻混凝土层的底端共同设置有透水板，所述缓冲层、所述渗水层、所述抗冻混凝土层的顶面以及不与支承土体接触的侧面共同设置有隔热层，所述隔热层的外周设置有蓄水层，所述蓄水层的外周设置有生态毯；
所述挡土墙本体内水平且间隔设置有多个排水管，所述排水管的一端位于所述蓄水层内，另一端向外延伸，并位于所述缓冲层外。
优选的，所述缓冲层为蜂窝状混凝土层；所述渗水层为卵石层，且所述卵石层中卵石粒径为3-5mm。
优选的，所述抗冻混凝土层由抗冻混凝土砌成，所述抗冻混凝土由以下重量份数的组分制成：水泥250-300份、河沙650-700份、碎石950-1000份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石15-20份、乙二醇3-5份、纤维素纳米晶3-5份、RSD-8型高效减水剂5-10份、水80-100份。
优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5；所述河砂的细度模数为2.83，表观密度为2532kg/m3；所述碎石为石灰岩碎石，粒径为5-20mm，表观密度2703kg/m3。
优选的，所述马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石的制备方法如下：
将蛭石分散于水中，然后用氢氧化钠调节体系的pH为10，超声处理15min，得到浓度为10g/L的悬浮液；
在搅拌条件下，将邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯滴加到悬浮液中，滴加完毕后超声处理30min，然后离心分离，得到预处理蛭石；其中，邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯与蛭石的用量比为1ml：100mg；
将预处理蛭石分散到水中，然后用氢氧化钠调节体系的pH为10，并超声处理15min，然后加入马来酸酐酰化壳聚糖，在60℃下反应30min，然后离心分离，得到马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石；其中，预处理蛭石与马来酸酐酰化壳聚糖的质量比为65:1。
优选的，所述抗冻混凝土的制备方法如下：
S1，按重量份称取水泥250-300份、河沙650-700份、碎石950-1000份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石15-20份、乙二醇3-5份、纤维素纳米晶3-5份、RSD-8型高效减水剂5-10份、水80-100份；
S2，将S1中称取的水、乙二醇、RSD-8型高效减水剂混合均匀，得到混合物A；
S3，将S1中称取的水泥、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石、纤维素纳米晶混合均匀，然后往其中加入1/2重量的混合物A，搅拌均匀，得到混合物B；
S4，将S1中称取的河砂、碎石预搅拌60s，然后往其中加入剩余的混合物A，搅拌2min，再加入S3中制得的混合物B，搅拌均匀，即得到所述抗冻混凝土。
优选的，所述锚杆位于所述缓冲层内的一端固接在所述加强筋上。
优选的，所述透水板上开设有多个透水孔。
优选的，所述隔热层为聚氨酯层。
优选的，所述蓄水层为蓄水陶瓷颗粒层，所述蓄水陶瓷颗粒的粒径为0.2-0.5mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中设置有蜂窝状混凝土结构的缓冲层，蜂窝状混凝土的多孔性使其具有低的弹性模量，从而使其对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用；渗水层能够将支撑土体中排入的水分导入地下水，避免大量水分滞留在挡土墙内，对挡土墙造成冻害。
抗冻混凝土层制备材料中含有马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石、乙二醇和纤维素纳米晶，一般来说，在低温条件下，混凝土拌合物的聚集状态会发生变化，还会有沉积现象发生，从而使混凝土的整体性降低，进而减弱粗集料与水泥浆体之间的粘结，马来酸酐酰化壳聚糖是带有功能侧基的高分子材料，其在混凝土拌合物中能够形成空间网架结构，粗细集料以及水泥浆均匀的分散在空间网架结构之间，从而使粗细集料与水泥浆之间分散均匀，在马来酸酐酰化壳聚糖的作用下，二者之间的结合更为紧密，在低温条件下也不易发生聚集状态改变的现象；蛭石具有大量孔隙，能够促进抗冻混凝土排水，减少混凝土内含水量，进而减小冻害影响；蛭石经马来酸酐酰化壳聚糖改性后，能在其表面能够形成一层有机-无机物复合层，该复合层具有热障效应，能够阻碍热量的传递，在一定程度上减弱了混凝土本身的热传递效率。
纤维素纳米晶是一种内部缺陷少、强度高、模量高的晶体，其具有很好的强度，能够增强墙体力学性能，其还具有很好的弹性，添加到混凝土中后，作为细小的料群，起到了微小弹簧的作用，一方面能够约束混凝土的微观裂纹，另一方面可以降低混凝土内部因温度和湿度变化产生的内部应力，避免混凝土膨胀、开裂。此外，纤维素纳米晶分布在混合凝土中稳定且均匀，可以视作固体引气剂，能够改善混凝土的抗冻性能。
乙二醇为有机冰点降低剂，能够进一步增加混凝土的抗冻性能。
本发明挡土墙的结构简单、稳定性好，抗冻性也好，渗水层和排水管排除墙体内积水，减少水份对墙体的影响；蓄水层吸收渗水层没有排尽的水，进一步减少水份对墙体的影响，同时还将存储水，用于生态毯的植物的生长；抗冻混凝土层中因为添加了抗冻成分，能够很好的抵抗低温环境对墙体的影响，使墙体在低温环境中依然保持稳定性，不易发生冻害而倾倒。
附图说明
图1是本发明水利工程抗冻挡土墙的结构示意图。
附图标记说明：1-缓冲层，2-渗水层，3-抗冻混凝土层，4-锚杆，5-加强筋，6-透水板，7-隔热层，8-蓄水层，9-生态毯，10-排水管。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
需要说明的是，下述实施例中蓄水陶瓷颗粒购买自江西全兴化工填料有限公司，规格为15mm，吸水率大于50％，堆积密度为400kg/m3；水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5；河砂的细度模数为2.83，表观密度为2532kg/m3；碎石为石灰岩碎石，粒径为5-20mm，表观密度2703kg/m3；纤维素纳米晶的长度为500nm，宽度为10nm；
马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石的制备方法如下：
将蛭石分散于水中，然后用氢氧化钠调节体系的pH为10，以300W的超声功率超声处理15min，得到浓度为10g/L的悬浮液；
在300r/min的搅拌速度下，将邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯滴加到悬浮液中，滴加完毕后以300W的超声功率超声处理30min，然后离心分离，得到预处理蛭石；其中，邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯与蛭石的用量比为1ml：100mg；
将预处理蛭石与水按照1g：200ml的比例混合后分散，然后用氢氧化钠调节体系的pH为10，并以300W的超声功率超声处理15min，然后加入马来酸酐酰化壳聚糖，在60℃下反应30min，然后离心分离，得到马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石；其中，预处理蛭石与马来酸酐酰化壳聚糖的质量比为65:1。
其中，马来酸酐酰化壳聚糖的制备方法是参照孙新枝2005年发表在化学研究与应用第17卷第2期上的论文《马来酸酐酰化壳聚糖的合成》做出来的。
实施例1
一种水利工程抗冻挡土墙，具体如图1所示，包括挡土墙本体，挡土墙本体包括由内至外依次设置的缓冲层1、渗水层2以及抗冻混凝土层3；缓冲层1为蜂窝状混凝土层，其与土体接触，能够对土体压力形成缓冲，避免土体压力挤压导致的挡土墙本体变形、开裂，甚至是崩塌。
渗水层2为卵石层，卵石层中卵石粒径为3-5mm，卵石层不吸水，且有很好的穿透能力，能够使从支承土体进入挡土墙本体的水经卵石层过滤后导入地下，减少进入后续抗冻混凝土层3内的水量。
抗冻混凝土层3由抗冻混凝土砌成，本发明中抗冻混凝土层3的制备材料中含有马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石、乙二醇和纤维素纳米晶，马来酸酐酰化壳聚糖是带有功能侧基的高分子材料，在混凝土拌合物中能够形成空间网架结构，粗细集料以及水泥浆均匀的分散在空间网架结构之间，从而使粗细集料与水泥浆之间分散均匀，结合更为紧密，在低温条件下也不易发生聚集状态改变的现象；蛭石具有大量孔隙，能够减少混凝土内含水量，进而减小冻害影响；蛭石经马来酸酐酰化壳聚糖改性后，其表面能够形成一层有机-无机物复合层，该复合层具有热障效应，能够阻碍热量的传递。纤维素纳米晶具有很好的强度，能够增强墙体力学性能，其还具有很好的弹性，添加到混凝土中后，作为细小的料群，起到了微小弹簧的作用，一方面能够约束混凝土的微观裂纹，另一方面可以降低混凝土内部因温度和湿度变化产生的内部应力，避免混凝土膨胀、开裂。乙二醇为有机冰点降低剂，能够进一步增加混凝土的抗冻性能。
缓冲层1远离渗水层2的一面为弧形面且内凹，内凹的弧形面能够进一步承载支承土体带来的压力，进一步减少支承土体受冻膨胀对挡土墙本体带来的压力。弧形面上间隔固设有多个锚杆4，且多个锚杆4均朝向远离渗水层2的方向水平设置；缓冲层1和渗水层2内均设置有多个纵横交错的加强筋5；锚杆4位于缓冲层1内的一端固接在加强筋5上。锚杆4的一端固接在加强筋5上，另一端插接在支承土体内，使挡土墙本体与支承土体结合牢固，在支承土体受冻膨胀向挡土墙本体倾斜时，由于锚杆4的结合作用，挡土墙本体不易受到支承土体的压力向外倾倒，而是会有一个反方向的作用力来加强挡土墙本体对支承土体的支承，从而有利于维持支承土体和挡土墙本体的稳定。
加强筋5能够对结构相对疏松的缓冲层1和渗水层2的结构进行加强，避免其受到支承土体压力后变形崩塌。
缓冲层1、渗水层2以及抗冻混凝土层3的底端共同设置有透水板6，透水板6上开设有多个透水孔；透水孔能够将大量的缓冲层1和渗水层2的过滤水导入地下，并进入地下水，同时也能将抗冻混凝土层3内少量的水导入地下水。
缓冲层1、渗水层2以及抗冻混凝土层3的顶面以及外周共同设置有隔热层7，隔热层7用于对挡土墙本体内部结构进行保温，减少其受外部冷空气的影响程度，其和抗冻混凝土层3配合作用，能够进一步加强挡土墙本体的抗冻性能。
隔热层7的外周设置有蓄水层8，蓄水层8为蓄水陶瓷颗粒层，蓄水陶瓷颗粒的粒径为0.2-0.5mm，蓄水层8的外周设置有生态毯9。
生态毯9的设置能够起到美化挡土墙本体的作用，同时植物也具备很好的保温作用，能够在挡土墙本体的表面形成天然保温屏障，蓄水层8利用蓄水陶瓷颗粒蓄水，以满足生态毯9的需要。本发明还在挡土墙本体内水平且间隔设置有多个排水管10，排水管10的一端位于蓄水层8内，另一端向外延伸，并位于缓冲层1外，下雨的时候，排水管10可以将支撑土体内的水部分导入蓄水层8蓄存，一方面减少进入缓冲层1、渗水层2内的水量，另一方面，蓄存的水能够供生态毯9长期使用，从而可以减少在非雨天气对生态毯9的喷洒水量。
实施例2
实施例1中的抗冻混凝土层3由抗冻混凝土砌成，抗冻混凝土由以下重量份数的组分制成：水泥250份、河沙650份、碎石950份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石15份、乙二醇3份、纤维素纳米晶5份、RSD-8型高效减水剂10份、水80份。
抗冻混凝土的制备方法如下：
S1，按重量份称取水泥250份、河沙650份、碎石950份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石15份、乙二醇3份、纤维素纳米晶5份、RSD-8型高效减水剂10份、水80份；
S2，将S1中称取的水、乙二醇、RSD-8型高效减水剂混合均匀，得到混合物A；
S3，将S1中称取的水泥、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石、纤维素纳米晶混合均匀，然后往其中加入1/2重量的混合物A，搅拌均匀，得到混合物B；
S4，将S1中称取的河砂、碎石预搅拌60s，然后往其中加入剩余的混合物A，搅拌2min，再加入S3中制得的混合物B，搅拌均匀，即得到抗冻混凝土。
实施例3
实施例1中的抗冻混凝土层3由抗冻混凝土砌成，抗冻混凝土由以下重量份数的组分制成：水泥280份、河沙680份、碎石980份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石20份、乙二醇4份、纤维素纳米晶4份、RSD-8型高效减水剂8份、水100份。
制备方法同实施例2，不同之处在于将实施2的配方换成实施例3的。
实施例4
实施例1中的抗冻混凝土层3由抗冻混凝土砌成，抗冻混凝土由以下重量份数的组分制成：水泥300份、河沙700份、碎石1000份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石18份、乙二醇5份、纤维素纳米晶3份、RSD-8型高效减水剂5份、水90份。
制备方法同实施例2，不同之处在于将实施2的配方换成实施例4的。
对比例1
实施例1中的抗冻混凝土层3由抗冻混凝土砌成，抗冻混凝土由以下重量份数的组分制成：水泥250份、河沙650份、碎石950份、乙二醇3份、RSD-8型高效减水剂10份、水80份。
抗冻混凝土的制备方法如下：
S1，按重量份称取水泥250份、河沙650份、碎石950份、乙二醇3份、RSD-8型高效减水剂10份、水80份；
S2，将S1中称取的水、乙二醇、RSD-8型高效减水剂混合均匀，得到混合物A；
S3，往S1称取的水泥中加入1/2重量的混合物A，搅拌均匀，得到混合物B；
S4，将S1中称取的河砂、碎石预搅拌60s，然后往其中加入剩余的混合物A，搅拌2min，再加入S3中制得的混合物B，搅拌均匀，即得到抗冻混凝土。
对实施例2-4和对比例1制备出的混凝土进行性能测定，检测结果见表1。其中，采用CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》检测混凝土透水率和孔隙率，采用GB/T50082-2009标准中的快速冻融循环实验方法进行冻融循环实验，采用GB/T50081-2016标准中的方法进行脱膜后养护和抗压强度测试。
表1实施例2-4和对比例1制备出的抗冻混凝土的性能指标
由表1可知，本发明混凝土的透水性能优良，抗冻融循环次数能够达到216次以上，抗冻性能优良，7d的抗压强度最高达到45MPa以上，28d的抗压强度最高达到72MPa以上，均优于对比例1中混凝土。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种水利工程抗冻挡土墙，包括挡土墙本体，其特征在于，所述挡土墙本体包括由内至外依次设置的缓冲层(1)、渗水层(2)以及抗冻混凝土层(3)；
所述缓冲层(1)远离所述渗水层(2)的一面为弧形面且内凹，所述弧形面上间隔固设有多个锚杆(4)，且多个锚杆(4)均朝向远离所述渗水层(2)的方向水平设置；所述缓冲层(1)和所述渗水层(2)内均设置有多个纵横交错的加强筋(5)；
所述缓冲层(1)、所述渗水层(2)以及所述抗冻混凝土层(3)的底端共同设置有透水板(6)，所述缓冲层(1)、所述渗水层(2)、所述抗冻混凝土层(3)的顶面以及不与支承土体接触的侧面共同设置有隔热层(7)，所述隔热层(7)的外周设置有蓄水层(8)，所述蓄水层(8)的外周设置有生态毯(9)；
所述挡土墙本体内水平且间隔设置有多个排水管(10)，所述排水管(10)的一端位于所述蓄水层(8)内，另一端向外延伸，并位于所述缓冲层(1)外。
2.根据权利要求1所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述缓冲层(1)为蜂窝状混凝土层；所述渗水层(2)为卵石层，且所述卵石层中卵石粒径为3-5mm。
3.根据权利要求1所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述抗冻混凝土层(3)由抗冻混凝土砌成，所述抗冻混凝土由以下重量份数的组分制成：水泥250-300份、河沙650-700份、碎石950-1000份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石15-20份、乙二醇3-5份、纤维素纳米晶3-5份、RSD-8型高效减水剂5-10份、水80-100份。
4.根据权利要求3所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5；所述河砂的细度模数为2.83，表观密度为2532kg/m3；所述碎石为石灰岩碎石，粒径为5-20mm，表观密度2703kg/m3。
5.根据权利要求3所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石的制备方法如下：
将蛭石分散于水中，然后用氢氧化钠调节体系的pH为10，超声处理15min，得到浓度为10g/L的悬浮液；
在搅拌条件下，将邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯滴加到悬浮液中，滴加完毕后超声处理30min，然后离心分离，得到预处理蛭石；其中，邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯与蛭石的用量比为1ml：100mg；
将预处理蛭石分散到水中，然后用氢氧化钠调节体系的pH为10，并超声处理15min，然后加入马来酸酐酰化壳聚糖，在60℃下反应30min，然后离心分离，得到马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石；其中，预处理蛭石与马来酸酐酰化壳聚糖的质量比为65:1。
6.根据权利要求3所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述抗冻混凝土的制备方法如下：
S1，按重量份称取水泥250-300份、河沙650-700份、碎石950-1000份、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石15-20份、乙二醇3-5份、纤维素纳米晶3-5份、RSD-8型高效减水剂5-10份、水80-100份；
S2，将S1中称取的水、乙二醇、RSD-8型高效减水剂混合均匀，得到混合物A；
S3，将S1中称取的水泥、马来酸酐酰化壳聚糖改性蛭石、纤维素纳米晶混合均匀，然后往其中加入1/2重量的混合物A，搅拌均匀，得到混合物B；
S4，将S1中称取的河砂、碎石预搅拌60s，然后往其中加入剩余的混合物A，搅拌2min，再加入S3中制得的混合物B，搅拌均匀，即得到所述抗冻混凝土。
7.根据权利要求1所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述锚杆(4)位于所述缓冲层(1)内的一端固接在所述加强筋(5)上。
8.根据权利要求1所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述透水板(6)上开设有多个透水孔。
9.根据权利要求1所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述隔热层(7)为聚氨酯层。
10.根据权利要求1所述的水利工程抗冻挡土墙，其特征在于，所述蓄水层(8)为蓄水陶瓷颗粒层，所述蓄水陶瓷颗粒的粒径为0.2-0.5mm。
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