希尼爾水庫防滲墻工程中特種混凝土單軸力學特征試驗研究

才登巴

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水利工程中混凝土材料具有廣泛應(yīng)用前景，而混凝土作為一種人造材料，研究其力學特性對水利設(shè)計具有重要作用[1- 3]。特種混凝土材料包括塑形混凝土、聚丙烯混凝土等，其最大區(qū)別是材料配合比參數(shù)差異，因而研究配合比參數(shù)影響下特種混凝土的力學特征變化，對探討水利工程中混凝土最佳性能具有重要作用[4- 6]?；炷翆嵸|(zhì)上亦是一種顆粒流材料，因而一些學者利用顆粒流軟件仿真模擬研究了混凝土試樣在單軸、剪切等破壞形式下力學特征，為認識混凝土試樣強度變形特征提供參考[7- 9]。國內(nèi)亦有一些學者利用室內(nèi)試驗系統(tǒng)研究了混凝土滲透、壓縮破壞、剪切強度等特性，豐富了混凝土研究成果[10- 11]?；谑覂?nèi)單軸壓縮試驗，設(shè)計不同配合比試驗方案[12- 13]，分別研究不同參數(shù)影響下混凝土力學特征，獲得水利設(shè)計中混凝土配合比最佳參數(shù)，提升工程設(shè)計質(zhì)量。

1 試驗概況

1.1 試驗背景與試驗儀器

希尼爾水庫作為庫爾勒市地區(qū)重要的蓄水設(shè)施，年蓄水量可達11.77億m3，該水庫工程包括重力式壩體與泄洪閘，壩體高程為906～921m，泄洪閘為平面式鋼閘門，采用液壓式啟閉機作為閘門流量調(diào)控設(shè)施；在壩趾處鋪設(shè)細?；炷疗鍪貙樱穸?0cm，面板設(shè)置聚氨酯的填縫材料，為增強重力式壩體整體防滲效果，設(shè)置有厚度為60cm的防滲墻，水庫管理部門考慮采用特種混凝土為原材料，而混凝土材料力學特征與防滲墻防滲性能息息相關(guān)，故而設(shè)計開展特種混凝土單軸力學破壞試驗。

本試驗采用RC150混凝土材料試驗機，該實驗系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，荷載最大可達1000kN，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時查看數(shù)據(jù)，采集間隔為0.5s，力傳感器以及位移傳感器均已在實驗前標定，位移傳感器量程可達12mm，混凝土材料試驗系統(tǒng)如圖1所示。本試驗為單軸壓縮破壞特性試驗研究，故而各實驗組圍壓均為0kPa。

圖1 混凝土材料試驗系統(tǒng)

1.2 試驗方案

本文為研究不同配合比參數(shù)對混凝土試樣力學特征影響，設(shè)計水膠比參數(shù)分別為1.31、1.15、1.02、0.89，膨潤土摻率分別設(shè)定為20%、33%、47%、60%，砂率為40%、50%、60%、70%，配合比單軸試驗參數(shù)表見表1。按照目標配合比方案，以各原材料加水后，經(jīng)混凝土攪拌機攪拌及振動，如圖2所示。為保證顆粒均勻度，將混凝土試樣裝入模具中，如圖3所示，其尺寸為100mm×100mm×100mm，利用模具養(yǎng)護混凝土達規(guī)定時間后，拆除模具，制作出滿足要求的混凝土試樣，原材料粒徑范圍為5～20mm。另為保證試樣內(nèi)部晶體顆粒在單軸實驗中受力均勻，將已成模的試樣，再養(yǎng)護48h，如圖4所示。由于特征混凝土特殊性，目前并無具體試驗規(guī)范，為此本試驗參照水工混凝土試驗規(guī)程[14]進行試驗研究。

圖2 混凝土攪拌機與振動儀器

圖3 試樣模具

圖4 養(yǎng)護后混凝土試樣

試驗步驟如下：

(1)檢查各傳感器測試準確性，在加載臺上安裝試樣，并在儀器臺上安裝位移傳感器，并調(diào)整量程范圍，清零力傳感器；

(2)以雙混方式控制加載，荷載、位移控制加載速率分別為0.01MPa/s、0.04mm/min，實時采集數(shù)據(jù)，峰值應(yīng)力后失穩(wěn)破壞，停止實驗，結(jié)束采集；

(3)卸下荷載，取出試樣，進行下一塊試樣單軸試驗。

表1 各實驗方案具體組合表

2 混凝土單軸強度變形特征

2.1 水膠比參數(shù)影響

基于單軸試驗獲得各配合比試驗結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)所示處理后獲得各配合比參數(shù)影響下力學特征，如圖5所示。從圖中可看出，隨水膠比遞減，加載過程應(yīng)力水平遞增，相同應(yīng)變0.5%時，水膠比1.31試樣應(yīng)力為1.65MPa，而水膠比1.15、1.02、0.89試樣相比前者分別增大了1.3倍、2.5倍、3.45倍，即特種混凝土試樣應(yīng)力水平與水膠比呈負相關(guān)關(guān)系。分析認為，當水膠比參數(shù)較大時，作為試樣內(nèi)部孔隙填充料，膠凝材料占比降低，此時會加劇特種混凝土試樣顆粒突出感，粘結(jié)性降低，試樣孔隙度變大，而顆粒骨架作為混凝土試樣直接承載結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，會造成特種混凝土試樣的承載能力減弱。另對比試樣變形特征可知，在峰值應(yīng)力前階段內(nèi)，相同加載應(yīng)力時，高水膠比參數(shù)試樣應(yīng)變較高，即特種混凝土試樣變形能力與水膠比參數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，在加載應(yīng)均力2MPa時，水膠比1.31、1.15、1.02、0.89試樣的應(yīng)變分別為0.56%、0.27%、0.22%、0.09%，筆者分析高水膠比特征混凝土試樣的強變形能力與自身所具備的保水性有關(guān)，水膠比參數(shù)較大時，試樣保水性較差，試樣顆粒骨架能夠較早承受豎向荷載，因而彈性階段變形以高水膠比試樣較大，即呈現(xiàn)出前文分析現(xiàn)象。

圖5 水膠比參數(shù)影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線

水膠比參數(shù)影響下試樣單軸峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變變化曲線如圖6所示，從圖6中可知，試樣單軸峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變與水膠比參數(shù)關(guān)系與前述加載應(yīng)力、變形關(guān)系基本一致，水膠比1.31下峰值應(yīng)力為2.7MPa，當水膠比參數(shù)分別降低12.2%、32.1%，為1.15、0.89時，試樣峰值應(yīng)力卻相比前者分別增大了66.7%、177.7%，即特種混凝土試樣單軸峰值應(yīng)力增長變化敏感性受水膠比參數(shù)影響顯著。與彈性階段高水膠比試樣變形較大不同，各水膠比試樣的峰值應(yīng)變基本一致或接近，分析認為峰值應(yīng)變與試樣顆粒骨架完整性有關(guān)，當同一批試樣原材料基本一致時，其峰值應(yīng)力點相對應(yīng)的峰值應(yīng)變保持在同一水平。

圖6 水膠比參數(shù)影響下試樣峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變

2.2 膨潤土摻率

當保持試樣配合比中其他原材料相等，僅改變膨潤土摻率時，進行單軸壓縮破壞試驗，獲得膨潤土摻率影響下力學特征，如圖7所示。從圖7中可看出，加載應(yīng)力與膨潤土摻率為負相關(guān)，相同應(yīng)變0.5%時，膨潤土摻率20%試樣的加載應(yīng)力為4.44MPa，而摻率33%、47%、60%相比前者分別降低了75.2%、91%、96.6%；分析表明，特種混凝土材料中膨潤土是其中區(qū)別于其他混凝土材料的一種特殊原材料，當膨潤土摻率增大時，膨潤土含量占比會擠壓骨架顆粒所占空間，造成試樣不僅密實度降低，且實際承載骨架剛度減弱，故而加載應(yīng)力隨膨潤土摻率遞減。從彈性階段變形特征來看，相同加載應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變，以高膨潤土摻率者試樣最大，且高膨脹土摻率試樣峰值應(yīng)力后階段脆性破壞特征減弱，即試樣峰后應(yīng)力下跌較緩；同為加載應(yīng)力1MPa時，膨潤土摻率20%、33%、47%、60%對應(yīng)應(yīng)變分別為0.03%、0.5%、0.75%、1.47%；當膨潤土摻率增大時，混凝土試樣由類巖石材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愅馏w材料，軟化性增強，因而不僅峰后趨于應(yīng)變硬化特征，彈性階段亦以高膨潤土摻率試樣應(yīng)變最大。

圖7 膨潤土摻率參數(shù)影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線

峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變受膨潤土摻率影響曲線如圖8所示。從圖8中可知，膨潤土摻率20%試樣峰值應(yīng)力為4.464MPa，其峰值應(yīng)力分別為摻率33%、47%、60%試樣的1.2倍、1.58倍、4.4倍；另一方面，四個膨潤土摻率峰值應(yīng)變依次為0.48%、1.28%、1.56%、1.71%；筆者認為，峰值應(yīng)力在高摻率下減小幅度顯著，為增強防滲墻安全穩(wěn)定性，膨潤土摻率應(yīng)保持在合理范圍內(nèi)，以摻率20%～33%為最佳。

圖8 膨潤土摻率參數(shù)影響下試樣峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變

2.3 砂率

與前述兩因素分析類似，本文給出砂率影響下特種混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖9所示。從圖9中曲線變化特征可知，加載應(yīng)力隨砂率遞減，砂率抑制特種混凝土試樣應(yīng)力增長，應(yīng)變均為0.5%時，砂率40%對應(yīng)加載應(yīng)力為4.77MPa，而砂率50%、60%、70%的試樣分別相對前者降低了14%、60.6%、72.3%；從最佳砂率考慮，在砂率40%～50%內(nèi)試樣加載應(yīng)力水平基本接近，降低幅度較小，而當砂率增大至60%后，加載應(yīng)力水平降低較快，為防滲墻應(yīng)力安全性考慮，選擇砂率40%～50%最佳。分析表明，當砂率增大時，相同膠凝材料含量條件下，特種混凝土試樣的粘結(jié)性會降低，試樣孔隙度會增大，造成承載能力降低；而砂率增大不僅影響試樣粘結(jié)性，粗骨料占比即會降低，進而造成骨料顆粒骨架安全穩(wěn)定性降低，承載應(yīng)力遞減。從變形來看，高砂率試樣變形能力較強，峰值前彈性變形增長斜率亦較緩，在加載應(yīng)力均為2MPa時，砂率40%、50%、60%、70%應(yīng)變分別為0.16%、0.24%、0.55%、0.77%，合理砂率區(qū)間試樣變形能力基本接近一致，非合理區(qū)間試樣變形普遍高于前者。

圖9 砂率參數(shù)影響下應(yīng)力應(yīng)變曲線

峰值點應(yīng)力應(yīng)變特征如圖10所示。從圖10中變化可知，砂率40%～50%試樣單軸強度變化較小，僅有6.5%變化幅度，而在砂率60%～70%試樣強度相比砂率40%試樣分別降低了36%、52.9%；峰值應(yīng)變與峰值應(yīng)力變化呈相反態(tài)勢，合理砂率區(qū)間內(nèi)變形處于較小范圍，峰值應(yīng)變僅為0.54%～0.74%；分析認為特種混凝土材料最佳砂率為40%～50%。

圖10 砂率參數(shù)影響下試樣峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變

3 混凝土動彈性模量特征

為科學評價特種混凝土試樣力學特性，在進行單軸破壞試驗前，采用動彈性模量(以下簡稱動彈模)測量儀測定材料模量參數(shù)值，不同配合比參數(shù)影響下試樣動彈性模量變化曲線。如圖11所示。

從圖11中可知，特種混凝土試樣動彈性模量與水膠比參數(shù)、膨潤土摻率均為顯著負相關(guān)關(guān)系；當水膠比為1.31時，其動彈模為1437.2MPa，而水膠比1.02、0.89相比前者分別增大了9.5%、24.7%；膨潤土摻率為20%時動彈模為1381.3MPa，而摻率增大至47%、60%時，動彈模相比前者分別減少了17.9%、39.3%。分析表明，當膨潤土含量增大時，特種混凝土試樣更趨于塑性，動彈性模量降低顯著；而水膠比參數(shù)增大，膠凝材料減少，水含量反之增多，膠凝材料水化反應(yīng)較充分完全，試樣內(nèi)部硬化后孔隙度顯著增大，故動彈模減小。砂率與動彈模關(guān)系呈先減后增變化，動彈模變化實質(zhì)上與混凝土試樣內(nèi)部粗骨料占比有關(guān)，當砂率遞增時，粗骨料占比遞減，動彈模遞減，但當砂率增大至70%時，此時已不是傳統(tǒng)上的特種混凝土，粗骨料占比極小，與合理砂率區(qū)間偏差較大，故而動彈模發(fā)生一定程度上升。

4 結(jié)論

針對希尼爾水庫防滲墻開展特種混凝土單軸壓縮破壞實驗，研究得出如下結(jié)論：

(1)研究了水膠比對加載應(yīng)力應(yīng)變影響特征，應(yīng)力水平與水膠比為負相關(guān)關(guān)系，水膠比1.15、0.89試樣峰值應(yīng)力相比水膠比1.31下分別增大了66.7%、177.7%；彈性階段變形以高水膠比試樣為最大，但峰值應(yīng)變受水膠比參數(shù)影響較小。

圖11 動彈性模量變化特征曲線

(2)研究了膨潤土摻率影響下特種混凝土力學特征，加載應(yīng)力與膨潤土摻率為負相關(guān)，膨潤土摻率20%試樣峰值應(yīng)力分別為摻率33%、47%、60%試樣的1.2倍、1.58倍、4.4倍；膨潤土摻率增大，混凝土變形能力增強，最佳摻率為20%～33%。

(3)獲得了砂率影響下特種混凝土力學特征，砂率可抑制試樣應(yīng)力增長，相同應(yīng)變0.5%下，而砂率50%、60%、70%試樣分別相對砂率40%降低了14%、60.6%、72.3%，40%～50%砂率應(yīng)力降幅較小；高砂率試樣變形能力較強，峰值前彈性變形增長較緩；特種混凝土材料最佳砂率為40%～50%。

(4)引入動彈性模量參數(shù)表征特種混凝土試樣力學特征，動彈模與水膠比參數(shù)、膨潤土摻率均為負相關(guān)關(guān)系，砂率與動彈模關(guān)系呈先減后增變化，合理砂率區(qū)間內(nèi)動彈模為1523～1624MPa。