防洪堤壩主要材料混凝土單軸力學(xué)特性影響因素分析研究

劉思明

(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，在堤防大壩、水閘結(jié)構(gòu)、泵站柵墩等重要水利設(shè)施中均離不開混凝土，因而混凝土材料的力學(xué)穩(wěn)定性對水利工程的安全運(yùn)營具有重要作用[1-3]。為此，宋致軍[4]、李建闖[5]、梁鳳凱[6]等通過類比巖土類材料，采用室內(nèi)精密試驗(yàn)儀器，設(shè)計開展單軸或滲透等室內(nèi)試驗(yàn)，由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)手段來研究混凝土材料的力學(xué)變化，極大提升了對混凝土力學(xué)的認(rèn)知水平。由于混凝土材料是一種顆粒流類的組成物，因而采用顆粒流等離散元仿真計算平臺，模擬工程實(shí)際狀態(tài)約束荷載，研究混凝土在離散元仿真過程中的最優(yōu)解，進(jìn)而探討混凝土材料包括應(yīng)力應(yīng)變在內(nèi)的力學(xué)特征，為水利設(shè)計提供重要計算參考[7-9]。不論是室內(nèi)手段或仿真計算，還是在現(xiàn)場采用微震監(jiān)測或其他實(shí)時監(jiān)測手段，均為獲取混凝土材料在實(shí)際工程運(yùn)營過程中微觀和宏觀變化，以此來為水工結(jié)構(gòu)等運(yùn)營提供安全依據(jù)[10-11]。本文利用室內(nèi)儀器，根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境下不同因素的變化，研究混凝土材料力學(xué)特征受各影響因素下變化規(guī)律，為混凝土材料在水利工程中更好應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程背景

西北地區(qū)設(shè)計建設(shè)一個區(qū)域水利調(diào)度中心樞紐工程，使之為地區(qū)水資源高效利用及控制提供重要保障。樞紐工程建設(shè)有節(jié)制閘，采用直徑為2.8 m弧形鋼閘門，采用液壓式啟閉機(jī)作為開度控制設(shè)備，確保通行流量控制在合理范圍內(nèi)，既可以確保水資源的高效傳輸，又可以保障下游水利設(shè)施安全運(yùn)營，特別是下游壩坡、壩腳等易破壞區(qū)域。該水利樞紐工程中下游還設(shè)置有消能池，并增設(shè)厚60 cm的導(dǎo)墻，與消能池共同承擔(dān)水力保護(hù)作用。該水利樞紐工程中重要設(shè)施是防洪堤壩，可為下游生活區(qū)以及工業(yè)區(qū)提供安全保障。設(shè)計堤壩長度為875 m，壩頂高程為125.8 m，寬度為3.4 m，壩身采用混凝土澆筑一體式，上下游壩坡坡度分別為1/2.5和1/3，大壩壩肩處設(shè)置有坎步，以減弱水力沖擊。堤防大壩防滲系統(tǒng)由防滲墻以及止水面板、土工布等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，承擔(dān)整體堤防工程滲流安全性。該防滲墻結(jié)構(gòu)主要采用混凝土澆筑，并且均為預(yù)應(yīng)力張拉型，確保混凝土不受張拉破壞。由于該水利樞紐工程設(shè)計原材料中以混凝土居多，堤防以及導(dǎo)墻、消能池等水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性與混凝土材料息息相關(guān)。鑒于混凝土材料的力學(xué)特征對水工設(shè)計具有重要意義，特別是在極端等環(huán)境中混凝土材料力學(xué)穩(wěn)定性，因而本文利用現(xiàn)場混凝土取樣，設(shè)計開展單軸力學(xué)破壞試驗(yàn)，研究混凝土材料力學(xué)特征影響因素，為水利設(shè)計提供參考。

2.2 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)涉及到凍融交替試驗(yàn)箱以及單軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)兩部分，其中凍融試驗(yàn)箱可實(shí)現(xiàn)高低溫變化，內(nèi)置有加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)，試驗(yàn)溫度可為-20～80 ℃，電腦程序控制式加溫與低溫變化，在保證內(nèi)部空氣溫度達(dá)到目標(biāo)值的同時，又可使試驗(yàn)箱內(nèi)溫度長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度波動不超過5%。本文加溫速率選擇為0.4 ℃/min，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度后，保溫2 h，確?；炷猎嚇觾?nèi)部晶體顆粒溫度處于同質(zhì)化，之后再開始進(jìn)行融化，凍融循環(huán)試驗(yàn)即采用上述溫度試驗(yàn)箱。單軸加載試驗(yàn)機(jī)采用RAW-500伺服式液壓控制試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括有加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，加載系統(tǒng)采用電腦程序控制軸向荷載，可變換力控與變形控制兩種方式。其中，變形控制加載最小速率可達(dá)0.000 1 mm/min，軸向加載力傳感器最大可達(dá)1 000 kN，軸向位移傳感器最大量程可達(dá)20 mm，環(huán)向變形傳感器量程為-10～10 mm，各傳感器精度均滿足實(shí)驗(yàn)要求，誤差不超過0.5%，確保實(shí)驗(yàn)精度及試驗(yàn)結(jié)果可靠性。

根據(jù)現(xiàn)場取回混凝土配合比檢測得知，工程所用混凝土材料中水灰比為0.45，水泥用量為387 kg/m3，粗細(xì)骨料分別為1 178和620 kg/m3，水用量為216 kg/m3，所采用的圓柱體試樣模型筒見圖1。經(jīng)鉆孔加工獲得單軸試驗(yàn)所需的圓柱體試樣，直徑、高度控制為50和100 mm。為研究養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土材料力學(xué)特征影響，本試驗(yàn)共設(shè)置有12、24、36和48 h；本文低溫溫度共設(shè)置有-15 ℃和-5 ℃，另混凝土受凍主要發(fā)生終凝后；借助高低溫交替箱實(shí)現(xiàn)凍融循環(huán)，次數(shù)分別設(shè)置0、50、100和150次，所有凍融循環(huán)周期為3 h左右，凍融循環(huán)試驗(yàn)主要以溫度交替箱控制；試驗(yàn)具體方案見表1。

表1 試驗(yàn)具體方案

圖1 圓柱體試樣模型筒(直徑/高度：50 mm/100 mm)

試驗(yàn)程序如下：

1) 根據(jù)目標(biāo)受凍溫度在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)定好，并設(shè)置好凍融循環(huán)次數(shù)，每次凍融循環(huán)次數(shù)結(jié)束后，均應(yīng)測定試樣物理參數(shù)，當(dāng)試樣質(zhì)量損耗率超過5%，認(rèn)定試驗(yàn)已達(dá)到破壞，無法繼續(xù)凍融循環(huán)。

2) 當(dāng)凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)按照目標(biāo)養(yǎng)護(hù)齡期完成養(yǎng)護(hù)，之后取出試樣測定物理參數(shù)。

3) 將完成凍融循環(huán)與養(yǎng)護(hù)后的混凝土試樣放入RAW-500試驗(yàn)加載系統(tǒng)中，以力控與變形控制完成單軸加載，其中變形控制加載速率為0.02 mm/min，力控加載速率為30 kN/min，直至試驗(yàn)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4) 結(jié)束試驗(yàn)，卸下軸向荷載與相關(guān)監(jiān)測傳感器，更換試樣，重復(fù)進(jìn)行上述操作。

3 養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土材料單軸力學(xué)特性影響

經(jīng)三軸試驗(yàn)獲得不同因素對混凝土材料單軸力學(xué)特性影響結(jié)果，圖2為不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖2中可看出，在相同受凍溫度下，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期愈長，則試樣加載應(yīng)力愈大，即養(yǎng)護(hù)齡期與加載應(yīng)力成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)處于受凍溫度-10 ℃時，且相同加載應(yīng)變0.1%下，養(yǎng)護(hù)齡期12 h對應(yīng)的加載應(yīng)力為14.45 MPa，而養(yǎng)護(hù)齡期為24、36和48 h相對應(yīng)的加載應(yīng)力是前者的1.6倍、1.9倍和2.2倍；當(dāng)受凍溫度上升至-5 ℃時，前述差異幅度為1.5倍、1.7倍和2倍。由此可知，受凍溫度增大，對不同養(yǎng)護(hù)齡期試樣加載應(yīng)力幅度差異影響較小。從不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土試樣變形特征可看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期愈大，則試樣線彈性變形階段增長斜率愈大，表明混凝土的線彈性模量愈大，受凍溫度-10 ℃時養(yǎng)護(hù)齡期48 h的試樣彈性模量為335.7 MPa，而養(yǎng)護(hù)齡期為12、36 h的試樣彈性模量相比前者降低65.4%和8.9%。由此可知，養(yǎng)護(hù)齡期愈大，可增長試樣的線彈性變形，進(jìn)而抑制混凝土塑性變形能力，在峰值應(yīng)力后期，養(yǎng)護(hù)齡期48 h的試樣應(yīng)力下降幅度最大可達(dá)88.4%，而養(yǎng)護(hù)齡期12 h的試樣以塑性變形作用占據(jù)主導(dǎo)。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3為兩個不同受凍溫度下養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土材料單軸強(qiáng)度特征參數(shù)影響特性。從圖3可知，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化而遞增，但增長幅度逐漸降低。在受凍溫度-10 ℃下，養(yǎng)護(hù)齡期12 h的試樣單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)22.5 MPa，養(yǎng)護(hù)齡期24 h的試樣單軸抗壓強(qiáng)度相比前者增長22.3%，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為36 h時，混凝土抗壓強(qiáng)度相比齡期24 h又增長15.2%，而養(yǎng)護(hù)齡期48與36 h之間試樣抗壓強(qiáng)度幅度僅為4.2%，即養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土抗壓強(qiáng)度的增長效應(yīng)具有逐漸放緩的態(tài)勢。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)合理設(shè)計養(yǎng)護(hù)齡期，受凍溫度-5 ℃下的抗壓強(qiáng)度變化亦是如此。與抗壓強(qiáng)度變化呈顯著差別的是，殘余強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化始終保持較穩(wěn)定，兩個受凍溫度下均是如此。兩者僅在殘余強(qiáng)度量值上有所差異，其中受凍溫度-10 ℃時的殘余強(qiáng)度穩(wěn)定在3.5～4 MPa，而受凍溫度為-5 ℃下殘余強(qiáng)度相比前者增大14.3%～28.6%。

圖3 強(qiáng)度特征值與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線

4 工程環(huán)境對混凝土材料單軸力學(xué)特性影響

4.1 受凍溫度

受凍溫度作為本次單軸試驗(yàn)中認(rèn)為設(shè)定值，其實(shí)質(zhì)上是模擬在不同低溫環(huán)境下混凝土材料力學(xué)特征變化，圖4為不同受凍溫度下混凝土試樣典型應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。從圖4中可看出，兩個受凍溫度試樣間加載應(yīng)力差異較小，應(yīng)力應(yīng)變曲線部分交織，但從整體上可看出，當(dāng)受凍溫度愈低時，試樣承載能力相對有所降低。從養(yǎng)護(hù)齡期24 h下兩個試樣對比可知，受凍溫度為-10 ℃下單軸抗壓強(qiáng)度為27.55 MPa，而受凍溫度為-5 ℃試樣抗壓強(qiáng)度相比前者增大8.7%。分析認(rèn)為，當(dāng)受凍溫度愈低時，試樣在試驗(yàn)前會受到一定的凍脹損傷，對混凝土內(nèi)部晶體顆粒承載能力及摩擦咬合能力均是較大的損害，反映在強(qiáng)度上則是降低。從不同養(yǎng)護(hù)齡期下兩個受凍溫度試樣抗壓強(qiáng)度差異可看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長，兩個受凍溫度試樣差異顯著縮小，甚至在養(yǎng)護(hù)齡期48 h下兩個受凍溫度試樣間單軸抗壓強(qiáng)度差異僅為6.3%，表明養(yǎng)護(hù)齡期愈大，受凍溫度對混凝土材料的承載力抑制效應(yīng)會相對減弱。筆者認(rèn)為，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期延長，兩個試樣在初始狀態(tài)下晶體顆粒與混凝土骨架穩(wěn)定性均達(dá)到最佳狀態(tài)，此時受凍溫度變化5 ℃，對試樣內(nèi)部的損傷差異影響較小，故表現(xiàn)兩個受凍溫度間試樣的抗壓強(qiáng)度無顯著差別。從變形特征可看出，兩個受凍溫度下的峰值應(yīng)力點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)變值基本無顯著差異，養(yǎng)護(hù)齡期36 h下兩個試樣的峰值應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)變均為0.14%，表明受凍溫度對混凝土材料變形影響較小。

圖4 不同受凍溫度下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

4.2 凍融循環(huán)次數(shù)

凍融循環(huán)實(shí)質(zhì)上也是模擬工程外界環(huán)境在變化過程中對混凝土材料力學(xué)穩(wěn)定性影響，圖5為不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣力學(xué)特征。從圖5中3個不同養(yǎng)護(hù)齡期下凍融循環(huán)次數(shù)與力學(xué)特征變化關(guān)系可知，凍融循環(huán)次數(shù)與加載應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在養(yǎng)護(hù)齡期12 h下，相同應(yīng)變0.1%時循環(huán)0次加載應(yīng)力為14.6 MPa，而循環(huán)50、100和150次相應(yīng)的加載應(yīng)力相比前者分別降低15.1%、50%和61.6%。凍融循環(huán)次數(shù)愈多，試樣內(nèi)部晶體顆粒受到的“凍脹-恢復(fù)”循環(huán)愈多，造成混凝土顆粒骨架穩(wěn)定性大大降低[12-13]，進(jìn)而影響混凝土整體承載穩(wěn)定性。從各凍融循環(huán)試樣變形特征可看出，凍融循環(huán)次數(shù)愈多，則峰值應(yīng)變稍有增長，但幅度并不明顯。以養(yǎng)護(hù)齡期24 h為例，其循環(huán)0次時峰值應(yīng)變?yōu)?.16%，而循環(huán)50、100和150次峰值應(yīng)變分別達(dá)0.17%、0.19%和0.22%。另一方面，在線彈性變形階段，凍融循環(huán)次數(shù)愈多的試樣斜率愈小，彈性模量值亦較小，養(yǎng)護(hù)齡期36 h下凍融循環(huán)0次試樣彈性模量為326 MPa，而循環(huán)50和150次的試樣彈性模量相比前者降低20.3%和60.8%。由此表明，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)愈多，則試樣脆性變形特征愈弱，而凍融循環(huán)次數(shù)較少的試樣脆性變形破壞能力較強(qiáng)。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

對比不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試樣的強(qiáng)度變化特征可知，單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增大而遞減，養(yǎng)護(hù)齡期36 h下試樣凍融循環(huán)0次試樣的抗壓強(qiáng)度為31.63 MPa，而循環(huán)50和150次試樣抗壓強(qiáng)度是前者的95.2%和79.5%。從強(qiáng)度變化差異幅度可知，在養(yǎng)護(hù)齡期12 h時，平均凍融循環(huán)每增長50次，單軸抗壓強(qiáng)度損失9.3%，而此強(qiáng)度損失在養(yǎng)護(hù)齡期24和36 h下分別變?yōu)?.5%和4.6%，表明養(yǎng)護(hù)齡期可降低混凝土抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)的損失效應(yīng)。本文認(rèn)為，混凝土試樣在較長的養(yǎng)護(hù)周期中，其晶體顆粒從初凝至終凝全過程均發(fā)育完全，相比養(yǎng)護(hù)齡期較短的試樣，其在顆粒骨架中可承受較大的變形荷載，表現(xiàn)在凍融循環(huán)過程可抵抗較多的“凍脹-恢復(fù)”損傷，故強(qiáng)度損失減小。見圖6。

圖6 強(qiáng)度特征值與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

5 結(jié) 論

1) 養(yǎng)護(hù)齡期與混凝土抗壓強(qiáng)度為正相關(guān)關(guān)系，但增長速率逐漸放緩，且受凍溫度提高，并不顯著影響各養(yǎng)護(hù)齡期間試樣強(qiáng)度幅度差異，養(yǎng)護(hù)齡期24 h的試樣抗壓強(qiáng)度相比齡期12 h增長22.3%；養(yǎng)護(hù)齡期可促進(jìn)混凝土線彈性變形能力增長，彈性模量值愈大，養(yǎng)護(hù)齡期為12和36 h的試樣彈性模量相比齡期48 h降低65.4%和8.9%。

2) 受凍溫度對混凝土力學(xué)特征影響較小，受凍溫度愈低，混凝土抗壓強(qiáng)度愈小，養(yǎng)護(hù)齡期24 h時受凍溫度為-5 ℃試樣抗壓強(qiáng)度相比-10 ℃下增大8.7%，養(yǎng)護(hù)齡期愈大，受凍溫度對混凝土材料承載力的抑制效應(yīng)會減弱，峰值應(yīng)變在兩個受凍溫度下無顯著差異。

3) 混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增大而遞減，但養(yǎng)護(hù)齡期愈大，可降低混凝土強(qiáng)度受凍融循環(huán)的損失效應(yīng)，齡期36h下循環(huán)50和150次試樣抗壓強(qiáng)度是循環(huán)0次的95.2%和79.5%，平均循環(huán)每增長50次，強(qiáng)度損失9.3%，而在齡期12、24 h下強(qiáng)度損失為5.5%和4.6%；循環(huán)次數(shù)愈多，峰值應(yīng)變稍有增長，但彈性模量遞減，齡期36 h下循環(huán)50和150次的試樣彈性模量相比循環(huán)0次下降低20.3%和60.8%。