一种混凝土衬砌板及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及混凝土领域，具体涉及一种混凝土衬砌板及其制备方法和应用。
背景技术
渠道输水是我国农田灌溉的主要输水方式，传统的土渠输水渠系水利用系数低，大部分水都在输送过程中由于渗漏和蒸发损失掉了，渠道渗漏是农田灌溉用水损失的主要方面。采用渠道防渗技术后可使渠系水利用系数提高50％-70％，渠道防渗还具有输水快、有利于农业生产抢季节、节省土地等优点，是当前我国节水灌溉的主要措施之一，有力推动了农业灌溉的发展。设置防渗层，即进行渠道衬砌，是一种重要的渠道防渗手段，可用混凝土、塑料薄膜、砌石、砌砖、沥青、三合土、水泥土、粘土等材料衬砌渠床，其中混凝土衬砌是一种较普遍的渠道防渗形式，具有防渗防冲效果好的优点。
混凝土板衬砌结构由于具有施工简单、防渗效果好、工程运行安全的优点，已是新疆水利工程建设中广泛使用的一种渠道防渗技术，并取得了良好的经济效益。但是混凝土常发生冻融破坏的现象，影响渠道防渗效果。
混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性(简称抗冻性)即是饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能，混凝土的抗冻性是混凝土耐久性中最重要的问题之一。混凝土在水化的过程中很容易产生一些空隙，加上砂石的吸水性，当混凝土衬砌板长期被水浸泡以后，尤其是在冬季寒冷的气温条件下，混凝土内部空隙中的水会因为结冰而发生膨胀，在冻胀产生的应力大于混凝土的拉应力时，混凝土就很容易产生裂缝，经过反复的冻融的循环，冻胀的反复作用，混凝土衬砌板的冻融破坏便很容易产生。新疆地域辽阔，冬季气候寒冷，负温时间长，各地冻胀土的组成、物理力学指标和冻胀特性也不尽相同。如何采用经济、合理的防冻胀措施，防止由于渠基土冻胀破坏而引起刚性混凝土衬砌渠道破坏、危害工程运行安全，成为严寒地区混凝土防渗渠道设计迫切需要解决的问题。
目前用于渠道衬砌的混凝土衬砌板通常是由普通混凝土制得的，是以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子和其他掺合料按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材板。这种混凝土衬砌板由于冻融循环产生的破坏作用发生冻胀开裂和表面剥蚀，耐久性差。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的混凝土衬砌板由于冻融循环产生的破坏作用发生冻胀开裂和表面剥蚀，耐久性差的缺陷，从而提供一种混凝土衬砌板及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提供一种混凝土衬砌板，按重量份数计，包括以下原料组分：胶凝材料1份、河沙1.5～2.5份、沙漠沙0.2～0.7份和EPS颗粒0.1～0.3份。
进一步地，所述的混凝土衬砌板，按重量份数计，包括以下原料组分：胶凝材料1份、河沙2份、沙漠沙0.5份和EPS颗粒0.1份。
进一步地，所述的混凝土衬砌板，还包括：减水剂0.06～0.12份和水0.4～0.6份。
进一步地，所述的混凝土衬砌板，还包括：减水剂0.06份和水0.4份。
进一步地，所述胶凝材料为水泥。
进一步地，所述河沙的细度模数为MX＝2.93，堆积密度为1624kg/m3。
进一步地，所述沙漠沙的细度模数MX＝0.334，平均粒径为0.224mm。
进一步地，所述沙漠沙的表观密度为2630kg/m3，堆积密度为1615kg/m3，孔隙率为35％，含水量为1.9％，含水率为1.5％。
进一步地，所述EPS颗粒的直径为0.5～1.5mm。
进一步地，所述减水剂为有机硅防水剂，减水率为18.85％。
第二方面，本发明提供一种混凝土衬砌板的制备方法，包括：
将所述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将所述混合料装入模具后依次进行静置、拆模和养护，得到所述混凝土衬砌板。
进一步地，所述静置为在阴凉干燥条件下静置2～3天，所述养护为在18～22℃下养护28天。
第三方面，本发明提供所述的混凝土衬砌板或所述的制备方法得到的混凝土衬砌板在渠道防渗中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的混凝土衬砌板，以河沙和沙漠沙作为细骨料，并添加EPS(聚苯乙烯泡沫)颗粒，由胶凝材料形成板状材料，各原料相互协同、相互配合，得到的混凝土衬砌板具有较高的抗压强度(最高达到18.6MPa)、较强的抗渗性能(4级)、较低的导热系数(0.18～0.26W/m·K)，从而可以有效抵抗冻融破坏，提高混凝土衬砌板的耐久性。
2.本发明提供的混凝土衬砌板，添加EPS颗粒可以增强混凝土的保温、隔热、防渗性能，并且为衬砌板提供了引气作用，可以填充混凝土中的有害气孔，有效防止衬砌板冻胀破坏，此外对于盐碱地区域，还能够增加混凝土的耐盐碱性能，提高衬砌板的耐久性。沙漠沙的使用，一方面可大量节省河沙，充分利用丰富的沙漠资源，有效地缓解衬砌板用沙的供需矛盾，降低生产成本，遵循因地制宜、就地取材和合理开发利用自然资源的原则，高效利用当地可再生资源，另一方面增强EPS颗粒与其余原料的结合，降低混凝土中的孔隙率、提高保温性能。本发明可以利用废弃的EPS颗粒为原料，例如，建筑施工中废弃的边角料、织物中的填充料EPS颗粒，可以对以上材料进行回收利用，节能环保，提高废料利用率。
3.本发明提供的混凝土衬砌板的制备方法，包括混料、装模、静置、拆模和养护的步骤，制作工艺简单、制作流程快捷、成本低廉，无需在衬砌板内制作空腔，并向其中填充保温材料，无需提前预定和定制，可实现批量生产，降低劳动力成本，可以在施工地点制作，有效较低衬砌板的运输成本；当在使用过程中局部遇到破坏时，易于修护，可以直接在现场操作，修护成本较低。
4.本发明提供的混凝土衬砌板或所述的制备方法得到的混凝土衬砌板在渠道防渗中的应用，将该混凝土衬砌板应用于渠道衬砌，施工方便，并且可以有效抵抗冻融破坏，对促进地方农业经济发展、推动行业技术进步有积极意义。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中的原料：
河沙来源于玛纳斯河，细度模数为MX＝2.93，堆积密度为1624kg/m3；
沙漠沙来源新疆古尔班通古特沙漠，细度模数MX＝0.334，平均粒径为0.224mm，表观密度为2630kg/m3，堆积密度为1615kg/m3，孔隙率为35％，含水量为1.9％，含水率为1.5％；
EPS颗粒的直径为0.5-1mm；
减水剂为有机硅防水剂，减水率为18.85％。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙200kg、沙漠沙50kg和EPS颗粒10kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置2～3天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例2
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙150kg、沙漠沙70kg和EPS颗粒30kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置2天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例3
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙250kg、沙漠沙50kg和EPS颗粒30kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置4天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例4
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙150kg、沙漠沙50kg和EPS颗粒20kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置2天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例5
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙250kg、沙漠沙70kg和EPS颗粒10kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置3天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例6
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙200kg、沙漠沙70kg和EPS颗粒20kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置2天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例7
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙200kg、沙漠沙20kg和EPS颗粒30kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置4天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例8
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙150kg、沙漠沙20kg和EPS颗粒10kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置3天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例9
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙250kg、沙漠沙20kg和EPS颗粒20kg、减水剂6kg和水40kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置4天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
实施例10
一种混凝土衬砌板，原料如下：
硅酸盐水泥100kg、河沙250kg、沙漠沙70kg和EPS颗粒30kg、减水剂12kg和水60kg。
上述混凝土衬砌板的制备方法，操作如下：
将上述混凝土衬砌板的原料混合均匀，得到混合料；
将上述混合料装入模具后在阴凉干燥条件下静置3天后拆模；
在养护箱中养护28天(养护箱内温度18-22℃)，即得。
对比例1
一种混凝土衬砌板，其与实施例1的不同之处仅在于，省去EPS颗粒。
对比例2
一种混凝土衬砌板，其与实施例1的不同之处仅在于，省去沙漠沙，河沙用量为250kg。
对比例3
一种混凝土衬砌板，其与实施例1的不同之处仅在于，省去EPS颗粒和沙漠沙，河沙用量为250kg。
实验例
按照实施例1-10和对比例1-3提供的混凝土衬砌板的原料，参照实施例1提供的混凝土衬砌板制备方法进行混凝土标准试块的制备，依据中华人民共和国国家标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度测试、依据GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定》进行导热系数测试，依据GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》和《水工混凝土试验规程》SD105-82进行抗渗性能的测试，测试结果如表1所示。
表1混凝土性能测试结果
由表1中的测试结果可知，本发明提供的混凝土衬砌板的抗压强度最高可达到18.6MPa，导热系数为0.18～0.26W/M·K，抗渗性能均为4级。
由实施例1和对比例1的实验结果可以看出，省去EPS颗粒虽然能够增加抗压强度，但是导热系数明显增大，证明加入EPS颗粒能够提高混凝土衬砌板的保温性能，从而提高抗冻融破坏能力。由实施例1和对比例2的实验结果可以看出，省去沙漠沙后抗压强度略增加，但是导热系数也略有增加，证明使用沙漠沙替代部分河沙后能够改善保温性能，提高混凝土衬砌板的抗冻融破坏能力，并且沙漠沙的使用，可大量节省河沙，充分利用丰富的沙漠资源，有效地缓解衬砌板用沙的供需矛盾，降低生产成本，遵循因地制宜、就地取材和合理开发利用自然资源的原则，高效利用当地可再生资源。由实施例1和对比例3的实验结果可以看出，不添加EPS颗粒和沙漠沙，仅使用河沙作为细骨料，虽然抗压强度略高，但是其导热系数也显著增大，证明加入EPS颗粒、使用沙漠沙代替部分河沙能够提高混凝土衬砌板的保温性能，从而提高抗冻融破坏能力。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
