岸坡防滲性材料水工混凝土單軸力學(xué)及透水試驗(yàn)研究

陳 玲

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

水利工程中，混凝土材料應(yīng)用范圍較廣。研究混凝土材料的力學(xué)及滲透特性對(duì)提升混凝土配合比參數(shù)設(shè)計(jì)水平具有重要意義[1-3]。為此，張珂等[4]、劉東海等[5]、馬翔等[6]利用顆粒離散元仿真平臺(tái)計(jì)算了不同荷載工況下混凝土顆粒流模型的力學(xué)特征，對(duì)認(rèn)識(shí)混凝土的力學(xué)特性具有重要作用。但不可忽視，由于混凝土顆粒流模型的試件尺寸、顆粒體形狀，甚至顆粒接觸狀態(tài)均會(huì)影響到最終仿真模擬計(jì)算結(jié)果。因而根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)混凝土應(yīng)用范圍，采用相應(yīng)的原位監(jiān)測(cè)儀器或微震等監(jiān)測(cè)設(shè)備，可及時(shí)預(yù)判混凝土工程的失穩(wěn)前兆，對(duì)工程的安全運(yùn)營(yíng)具有重要參考意義[7-9]。不論是仿真計(jì)算亦或是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，利用室內(nèi)試驗(yàn)手段，其結(jié)果更具可靠性，在工程設(shè)計(jì)中更具參考價(jià)值。因而，一些學(xué)者利用室內(nèi)巖土力學(xué)儀器，設(shè)計(jì)單軸、三軸等力學(xué)試驗(yàn)或滲流實(shí)驗(yàn)，探討混凝土材料的力學(xué)水平、滲流特征，并分析各種因素對(duì)其的影響，極大豐富了混凝土基礎(chǔ)力學(xué)研究成果[10-12]。本文根據(jù)混凝土不同配合比參數(shù)，設(shè)計(jì)單軸加載破壞與透水性試驗(yàn)，研究砂率以及碳纖維摻量對(duì)混凝土的力學(xué)以及透水性影響，為工程實(shí)際應(yīng)用或設(shè)計(jì)提供一定參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)背景

區(qū)域內(nèi)河流是重要水資源來(lái)源渠道，利用該河流建設(shè)有發(fā)電站、蓄水池抽水泵站中轉(zhuǎn)樞紐、河道防洪堤壩等水利設(shè)施，總流域面積超過(guò)180 km2。上游水利發(fā)電樞紐工程年發(fā)電量可達(dá)600×104kW·h，為區(qū)域內(nèi)工業(yè)用電以及生活用電提供便利；抽水泵站是為區(qū)域內(nèi)水資源調(diào)度服務(wù)，南部水資源分布較多，因而抽水泵站與蓄水池共同構(gòu)建起高效水資源中轉(zhuǎn)樞紐，年可調(diào)度水量超過(guò)100×104m3；河道防洪堤壩設(shè)計(jì)為10年一遇洪峰流量51.6 m3/s，此參數(shù)主要針對(duì)于上游河流在雨季局部流量較高的情況，水文監(jiān)測(cè)上游最大流量可達(dá)50 m3/s，堤壩設(shè)計(jì)頂部高程為58.5 m，迎、背水側(cè)坡度均為1/1.5，采用多種土體材料為堆筑料，包括有黏土、砂土等土料，分層堆筑并壓實(shí)，監(jiān)測(cè)表明堤壩最大沉降不超過(guò)6 mm，另防滲系統(tǒng)采用防滲墻與土工布等共同構(gòu)建起防滲結(jié)構(gòu)，防滲墻厚度設(shè)計(jì)為60 cm，插入基巖深度1.6 m，按照堤防長(zhǎng)度每100～150 m的間距設(shè)置防滲墻結(jié)構(gòu)，堤壩最大滲透坡降不超過(guò)0.3?，F(xiàn)由于上游河流水利能量較大，對(duì)下游堤防岸坡坡身沖刷影響較顯著，導(dǎo)致坡身部分水土流失較嚴(yán)重，為此應(yīng)考慮對(duì)岸坡水土穩(wěn)定性以及防滲性開展加固處理。工程設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)考慮利用水工混凝土材料作為坡面加固噴射材料，增強(qiáng)坡身抵抗水流沖刷的能力，由于對(duì)所采用的水工混凝土力學(xué)以及透水性認(rèn)識(shí)不夠，特別是混凝土配合比參數(shù)設(shè)計(jì)存在較大盲區(qū)，因而有必要針對(duì)性開展配合比參數(shù)對(duì)混凝土力學(xué)、滲透特性的影響特征，為采用最佳配合比參數(shù)提供參考。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，本文借助室內(nèi)試驗(yàn)手段，開展砂率、碳纖維摻量等配合比參數(shù)因素對(duì)水工混凝土材料力學(xué)以及透水特性影響性實(shí)驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)介紹

本文針對(duì)水工混凝土材料力學(xué)以及透水特性分別設(shè)計(jì)開展單軸壓縮破壞以及透水試驗(yàn)，其中單軸壓縮試驗(yàn)采用TAW-500型伺服式液壓控制試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)采用液壓程序控制，包括加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，加載系統(tǒng)最大軸向荷載可達(dá)500 kN，加載方式可采用力控與變形控制兩種方式，其中力控最大速率可達(dá)80 kN/min，變形控制最大速率為4 mm/min，兩種加載方式均可保證試樣在全過(guò)程按照預(yù)定計(jì)劃發(fā)生失穩(wěn)破壞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器監(jiān)測(cè)部分與數(shù)據(jù)自動(dòng)處理部分，傳感器監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括軸向變形、環(huán)向變形以及體積變形監(jiān)測(cè)部分，軸向變形傳感器量程為-10～10 mm，環(huán)向變形傳感器監(jiān)測(cè)最大值可達(dá)15 mm，所有監(jiān)測(cè)傳感器最大誤差不超過(guò)0.5%；數(shù)據(jù)自動(dòng)處理部分以每間隔0.5 s進(jìn)行自動(dòng)繪圖，可全程實(shí)時(shí)讀取試樣加載過(guò)程中應(yīng)力變形狀態(tài)。透水性試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單裝置的透水裝置，每間隔1 s記錄水頭變化，并測(cè)算出混凝土材料的透水系數(shù)，以此監(jiān)測(cè)混凝土試樣滲透特征。本試驗(yàn)中，配合比參數(shù)變化的因素主要以砂率、碳纖維摻量為主，因而試驗(yàn)方案以此兩因素開展對(duì)比性試驗(yàn)分析。根據(jù)岸坡坡面混凝土材料砂率范圍，設(shè)定砂率分別為0%、2%、4%和6%，碳纖維摻量試驗(yàn)組分別設(shè)定參數(shù)為0%、1%、2%和3%，每個(gè)試樣組中均是以單一變量因素作為研究對(duì)象，所制作的試樣見圖1，具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。

圖1 典型試樣圖

表1 試驗(yàn)具體方案

透水試驗(yàn)主要以滲透壓頭所施加的恒定水壓為自然滲透，實(shí)施步驟較易，試驗(yàn)較繁瑣，以單軸壓縮為主。以下是單軸壓縮加載破壞試驗(yàn)步驟：

1) 待已完成透水試驗(yàn)的水工混凝土烘干后，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)12 h，完成試驗(yàn)前物理參數(shù)測(cè)定，置試樣于液壓控制試驗(yàn)系統(tǒng)中。試樣兩端面中心應(yīng)與加載方向一致，安裝好監(jiān)測(cè)傳感器，在程序中設(shè)定好相關(guān)試樣的物理參數(shù)。

2) 開始軸向加載，全程均以變形控制加載，速率控制在0.02 mm/min，直至試驗(yàn)發(fā)生失穩(wěn)破壞，停止加載。

3) 結(jié)束試驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，卸下試樣荷載與變形傳感器，更換試樣，重復(fù)進(jìn)行上述操作。

3 混凝土單軸力學(xué)特征分析

3.1 砂率對(duì)混凝土力學(xué)特征影響

經(jīng)單軸壓縮加載破壞試驗(yàn)獲得不同砂率影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖2。從圖2中可看出，砂率與混凝土加載應(yīng)力水平具有正相關(guān)關(guān)系，表明配合比參數(shù)中砂率愈大，愈有利于水工混凝土承載應(yīng)力的提高；當(dāng)處于相同應(yīng)變1.2%時(shí)，砂率0%的混凝土試樣加載應(yīng)力為1.72 MPa，當(dāng)砂率增大至2%、4%和6%后，相同條件下的加載應(yīng)力相比前者分別增大1.1倍、3.7倍和12.9倍。分析認(rèn)為，當(dāng)混凝土配合比參數(shù)砂率增大，則混凝土內(nèi)部粗細(xì)骨料的搭配性更好，砂子的存在能夠更好填充至混凝土顆粒骨架孔隙中，降低混凝土孔隙率，提升混凝土承載能力，進(jìn)而表現(xiàn)在加載應(yīng)力水平較高[13-14]。從變形特征來(lái)看，砂率愈高，混凝土脆性變形特征愈強(qiáng)，線彈性變形能力愈強(qiáng)，表現(xiàn)在線彈性模量也愈大，砂率0%試樣的線彈性模量為3.2 MPa，而砂率4%、6%的試樣線彈性模量相比前者增大2.2倍、3.5倍，且高砂率試樣峰值應(yīng)力后應(yīng)力下跌現(xiàn)象較之更顯著，砂率6%混凝土試樣峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降幅度為64.2%，而砂率0%混凝土的下降幅度僅為16.5%，這與砂率增強(qiáng)了混凝土脆性變形破壞特征相對(duì)應(yīng)。另一個(gè)方面，4個(gè)砂率試樣峰值應(yīng)變隨砂率增大而遞減，應(yīng)變值分別為6.3%、4.7%、3.3%和2.4%，因而高砂率試樣應(yīng)注意防護(hù)混凝土的脆性破壞。

圖2 不同砂率水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3為不同砂率水工混凝土材料抗壓強(qiáng)度變化曲線。從圖3中可知，抗壓強(qiáng)度隨砂率增大而遞增，在碳纖維0%試驗(yàn)組中，砂率0%試樣的抗壓強(qiáng)度為20.4 MPa，而砂率2%、6%混凝土抗壓強(qiáng)度相比前者分別增大11.6%、133.6%；當(dāng)碳纖維增大至3%，該試驗(yàn)組中砂率強(qiáng)度幅度增長(zhǎng)效應(yīng)與前一碳纖維組并無(wú)較大差異，這與砂率設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混凝土應(yīng)力影響為一致，且碳纖維的存在，并不影響砂率對(duì)水工混凝土強(qiáng)度的促進(jìn)效應(yīng)。對(duì)比砂率在增長(zhǎng)過(guò)程中強(qiáng)度增長(zhǎng)效應(yīng)可知，初期砂率從0%增長(zhǎng)至4%，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)37.4%，而砂率從4%增長(zhǎng)至6%，抗壓強(qiáng)度陡增，幅度達(dá)72%，表明砂率愈大，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)愈顯著；從強(qiáng)度總體平均增長(zhǎng)來(lái)看，當(dāng)砂率增長(zhǎng)2%，抗壓強(qiáng)度平均增長(zhǎng)35%。

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度與砂率關(guān)系曲線

3.2 碳纖維對(duì)混凝土力學(xué)特征影響

同理獲得碳纖維摻量影響下混凝土力學(xué)特征，圖4為不同碳纖維摻量下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4中可看出，碳纖維摻量對(duì)混凝土加載應(yīng)力亦有促進(jìn)效應(yīng)。當(dāng)處于相同應(yīng)變1.2%時(shí)，碳纖維摻量0%時(shí)試樣的加載應(yīng)力為2.2 MPa，而碳纖維摻量增長(zhǎng)至1%、3%后，加載應(yīng)力相比前者分別增大18.2%、79.1%。由此可見，雖碳纖維摻量整體上可促進(jìn)混凝土加載應(yīng)力水平，但不可忽視其對(duì)應(yīng)力水平的增長(zhǎng)效應(yīng)影響較小，增長(zhǎng)幅度并不顯著。從變形特征來(lái)看，各碳纖維摻量混凝土試樣無(wú)顯著差異性，線彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度基本一致，線彈性模量均保持在4.5 MPa左右；從峰值應(yīng)變來(lái)看，4個(gè)試樣的峰值應(yīng)變?yōu)?.8%，變化幅度較小，表明碳纖維摻量對(duì)混凝土變形特征影響亦較小。

圖4 不同碳纖維摻量下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5為碳纖維摻量影響下的混凝土抗壓強(qiáng)度變化特征曲線。在砂率2%試驗(yàn)組中，當(dāng)碳纖維摻量為0%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為16.9 MPa，而碳纖維摻量增大至1%、3%后，抗壓強(qiáng)度相比前者分別增大11.1%、31.7%，增長(zhǎng)幅度較小，從碳纖維摻量對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的階段性來(lái)看，當(dāng)碳纖維摻量增大1%，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度平均僅為9.7%。綜上分析可知，碳纖維摻量整體上對(duì)混凝土試樣承載能力雖有提升，但其對(duì)水工混凝土力學(xué)特征影響程度較小。

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度與碳纖維摻量關(guān)系曲線

4 混凝土透水性分析

4.1 砂率對(duì)透水性影響

采用透水試驗(yàn)獲得砂率對(duì)混凝土透水性影響，圖5為不同砂率水工混凝土試樣透水系數(shù)變化特征曲線。在碳纖維摻量0%試驗(yàn)組中，砂率0%的透水系數(shù)為3.72 mm/s，而砂率為2%、4%和6%的透水系數(shù)相比前者分別降低27.7%、46.5%和55.9%。當(dāng)砂率增大2%,透水系數(shù)平均降低23.7%，表明砂率愈大，可抑制水工混凝土的滲透性能。筆者認(rèn)為，當(dāng)混凝土配合比參數(shù)中砂率增大，則試樣顆粒骨架孔隙被細(xì)小石子填充程度增強(qiáng)，降低了孔隙度，這也抑制了混凝土試樣內(nèi)部滲透通道的發(fā)展，表現(xiàn)在透水系數(shù)降低的態(tài)勢(shì)。當(dāng)碳纖維摻量增大至3%后，砂率對(duì)透水系數(shù)的抑制效應(yīng)更具顯著，砂率增大2%，透水系數(shù)平均降低53.3%，表明鋼纖維在混凝土試樣內(nèi)部的存在，對(duì)砂率抑制混凝土滲透性能的效果具有促進(jìn)作用。

圖6 透水系數(shù)與砂率關(guān)系

4.2 碳纖維對(duì)透水性影響

同理，獲得碳纖維試驗(yàn)組下混凝土透水系數(shù)變化特征，見圖7。從圖7中可知，碳纖維摻量與混凝土透水系數(shù)具有二次函數(shù)關(guān)系，且碳纖維對(duì)混凝土的透水性能為抑制效應(yīng)，在砂率2%試驗(yàn)組中，碳纖維摻量0%的透水系數(shù)為3.71 mm/s，碳纖維摻量增大為1%、3%后，透水系數(shù)相比前者分別降低14.5%、58.8%，碳纖維摻量每增大1%，其透水系數(shù)平均可降低24.8%，相比之碳纖維對(duì)混凝土力學(xué)影響效應(yīng)，其對(duì)混凝土透水性影響顯著。分析可知，碳纖維與膠凝材料可發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉淀顆粒，不僅降低了混凝土流動(dòng)性，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)局部的硬化固結(jié)，而且導(dǎo)致混凝土的滲透通道得到堵塞，表現(xiàn)在混凝土的滲透系數(shù)為降低的現(xiàn)象[15-16]。

圖7 透水系數(shù)與碳纖維摻量關(guān)系

5 結(jié) 論

1) 砂率與混凝土承載能力具有正相關(guān)關(guān)系，碳纖維1%試驗(yàn)組下，砂率2%、6%混凝土抗壓強(qiáng)度相比前者分別增大11.6%、133.6%，且碳纖維的存在，并不影響砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度的促進(jìn)效應(yīng)；砂率愈高，混凝土線彈性模量以及強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度愈大，砂率從0%至4%，強(qiáng)度增長(zhǎng)37.4%，而從4%至6%，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度達(dá)72%。

2) 碳纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度具有促進(jìn)效應(yīng)，但增長(zhǎng)幅度并不顯著，碳纖維摻量增大1%，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度平均僅為9.7%；碳纖維摻量的改變，并不影響混凝土變形特征，同一砂率組下各纖維摻量混凝土的彈性模量均在4.5MPa左右。

3) 砂率的存在有助于抑制混凝土透水性能，砂率為2%、4%和6%的透水系數(shù)相比砂率0%下分別降低27.7%、46.5%和55.9%，碳纖維摻量0%下，砂率增大2%,透水系數(shù)平均降低23.7%，碳纖維摻量增大，砂率對(duì)透水系數(shù)的抑制效應(yīng)更顯著。

4) 碳纖維摻量與透水系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，碳纖維對(duì)混凝土的透水性能影響超過(guò)其對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)，碳纖維摻量每增大1%，其透水系數(shù)平均可降低24.8%。