水閘底板混凝土材料拉壓力學特征影響變化分析研究

李春元

(廣東益鑫源工程建設管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 工程背景

為改善粵北地區(qū)水力資源分布不均現(xiàn)狀，在珠江上游考慮新建一水利樞紐，承擔地區(qū)防洪、蓄水調度、排澇及灌溉等水利作用，設計上游蓄水庫最大容量為6000萬m3，最大集水面積超過200萬m2，建設引水明渠55 km，惠及下游農(nóng)田超過13.33萬hm2，有效提升地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉效率，降低農(nóng)業(yè)用水缺水率。該樞紐工程包括有主壩、溢洪道、輸水渠道及水力控制設施，主壩設計高度為35.5 m，采用混凝土重力壩設計形式，壩頂寬度為3.5 m，在局部壩肩處加設有防浪墻，有效降低由于水力沖刷對壩體沖蝕影響，高度為2.6 m，墻體面層采用抗?jié)B纖維體，降低后期維護成本。壩身采用止水面板與土工防滲系統(tǒng)，設計壩體內(nèi)最大滲透坡降不得超過0.2，限制滲流活動，壩身上、下游最大水頭差不超過2 m，壩身內(nèi)靜水壓力低于20 kPa。全壩體均采用同一類型混凝土澆筑，合理砂率為28%，所用水泥為特種水泥，確?；炷敛牧纤療彷^低。溢洪道與泄洪閘構成了樞紐工程主要泄流設施，設計最大泄流量為300 m3/s，采用階梯式溢流面作為溢洪道過渡段，下游配備有消能池、消能坎、水工擋墻等消能建筑，為確保各類水工消能建筑的運營穩(wěn)定性，均在地基持力層中深挖1.5 m，而該地基覆蓋土與壩基上覆土層性質基本一致，均為黏土體。采用混凝土墊層形式降低黏土層地基沉降，確保壩基沉降不超過壩高1‰，極大改善軟弱地基土變形。泄洪閘作為溢洪道重要組成部分，其閘頂高度為4.5 m，采用多孔式泄流設計，以鋼閘門作為控流設施，前期對水流監(jiān)測表明擬建水閘所在流段無顯著渦流、漩渦等存在，滲流活動較平穩(wěn)。閘室兩壁均采用壩體材料同類型的混凝土現(xiàn)澆制作，設置有預應力閘墩結構，設計橫、縱連系梁作為結構抗拉構件，降低閘墩受結構靜力破壞威脅。閘室底板厚度設計為0.8 m，采用壩體同類型材料混凝土澆筑，全長為4.2 m，底板結構不僅受結構自重壓應力影響，且受閘墩與連系梁拉應力影響。從工程設計安全角度考慮，該樞紐工程泄洪設施的安全運營很大程度上取決于抗拉設計，不僅僅需要考慮抗拉構件的設置，對結構抗拉材料的分析同樣具有重要意義。本文從該工程水閘底板混凝土材料養(yǎng)護條件入手，研究養(yǎng)護因素對混凝土材料拉、壓應力影響，為水閘工程的安全設計提供重要基礎論證。

2 材料與方法

為確保試驗結果的可靠性，本文采用WLT混凝土力學試驗系統(tǒng)開展拉、壓力學試驗研究，該試驗系統(tǒng)配備有先進的傳感器設備與精密的加載裝置，最大軸向荷載可達1500 kN，每一級荷載加載過程中波動幅度不超過1%。由于本試驗中不僅需要研究混凝土壓縮破壞，也要完成混凝土的拉伸力學試驗。根據(jù)試驗規(guī)范要求，本文設計以劈裂間接拉伸方法作為試驗研究手段。不論是壓縮或是拉伸破壞試驗，本試驗中均配備有8通道數(shù)據(jù)采集裝置，全部可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)回存、處理等功能。采用的軸向傳感器量程為-15～15 mm，而環(huán)向變形傳感器可與軸向變形采集裝置作為聯(lián)動，互相驗證數(shù)據(jù)采集的可靠性，最大誤差不超過1‰。從試驗過程可控性考慮，本試驗中均采用軸向變形控制加載方式，速率為0.01 mm/min。

根據(jù)閘室底板結構所用混凝土材料，從工程攪拌站獲得混凝土樣品，經(jīng)室內(nèi)加工成型制備成直徑、高度分別為75 mm、150 mm試樣，如圖1所示。混凝土間接拉伸試樣尺寸與壓縮試樣有所差異，取同一批樣品在實驗室進行精加工成直徑、高度分別為100 mm、50 mm試樣，劈裂試驗時以直徑中心線作為加載控制線，研究拉伸應力破壞全過程特征[1-2]。所有制備好試樣均在標準養(yǎng)護箱內(nèi)完成養(yǎng)護，筆者為研究養(yǎng)護因素對混凝土拉、壓力學特征影響，設定有養(yǎng)護濕度與養(yǎng)護溫度兩種因素。各試驗組中具體參數(shù)如表1所示。

圖1 制備的混凝土試樣

表1 各組混凝土試樣養(yǎng)護齡期與養(yǎng)護溫度

3 混凝土材料壓縮力學特征

3.1 養(yǎng)護溫度的影響

根據(jù)對不同養(yǎng)護溫度下試樣壓縮破壞試驗研究，獲得養(yǎng)護溫度影響下混凝土材料應力應變特征，如圖3所示。從圖中可知，養(yǎng)護溫度愈高，則試樣壓縮應力愈大，即養(yǎng)護溫度有促進混凝土材料承載性能的作用；當位于同一加載應變1%時，養(yǎng)護溫度5 ℃下試樣的加載應力為21.7 MPa，而養(yǎng)護溫度20 ℃、50 ℃試樣較前者分別增高了45.7%、175.2%，當養(yǎng)護溫度升高后，混凝土試樣內(nèi)部膠凝材料有助于催化水化反應，提升其早凝效果，故而承載應力水平提高。另一方面，養(yǎng)護溫度愈大，試樣破壞后下降段幅度較大，即呈顯著脆性，養(yǎng)護溫度5 ℃、35 ℃、50 ℃下試樣的降幅分別可達28.5%、49.8%、55.6%。由此可知，養(yǎng)護溫度升高，以試樣彈性變形與脆性破壞受影響最為顯著。養(yǎng)護溫度5 ℃下混凝土試樣彈性模量為25.8 MPa，而溫度20 ℃、50 ℃試樣彈性模量較之分別增多了33.6%、2.03倍，養(yǎng)護溫度平均增大15 ℃，可提高混凝土試樣彈性模量45.0%。綜合試驗討論可知，養(yǎng)護溫度升高，有助于提升混凝土材料承載強度，但過高的養(yǎng)護溫度會促發(fā)混凝土內(nèi)部裂縫向著脆性變形轉變，易出現(xiàn)脆性變形破壞特征。

圖2 養(yǎng)護溫度影響下混凝土應力應變特征

圖3 養(yǎng)護濕度影響下混凝土應力應變特征

3.2 養(yǎng)護濕度的影響

根據(jù)各養(yǎng)護濕度組試樣壓縮破壞試驗結果，獲得圖3所示結果。分析可知，濕度與加載應力水平為正相關關系，同一加載應變1.5%時，養(yǎng)護濕度為5%試樣的加載應力為39.6 MPa，而濕度增大至35%、95%后試樣的加載應力相比增大了7.7%、29.8%；從試樣進入屈服變形階段后應力對比可知，濕度65%、95%試樣加載應力水平較濕度5%下分別具有增幅15.8%～19.4%、29.2%～35.2%；分析認為，當養(yǎng)護相對濕度減少后，混凝土試樣處于較為干燥環(huán)境，而混凝土本身在干燥環(huán)境中易出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象，且養(yǎng)護濕度過低，促使混凝土內(nèi)部膠凝材料的水化進展較慢，此也是引起混凝土承載失穩(wěn)的重要內(nèi)因。

對比混凝土變形特征可知，不同養(yǎng)護濕度下試樣彈性變形段基本一致，即彈性模量較為穩(wěn)定在32 MPa左右，而不同養(yǎng)護濕度試樣在峰值應變處基本接近，為2.05%，表明養(yǎng)護濕度對混凝土變形特征影響較小，僅改變了試樣承載水平。

圖4為不同養(yǎng)護溫度、濕度下混凝土試樣抗壓強度影響變化曲線。依據(jù)圖中強度特征可知，養(yǎng)護溫度、濕度與混凝土強度均為正相關變化；在同一養(yǎng)護濕度5%組中，溫度5 ℃試樣抗壓強度為36.8 MPa，而溫度35 ℃、50 ℃試樣強度較之分別增長了50.8%、73.4%，在該試驗組中溫度增長15 ℃，強度平均可增幅20.4%。當濕度為65%、95%時，混凝土強度隨養(yǎng)護溫度的平均增幅為19.5%、18.9%，養(yǎng)護溫度對強度促進效應無顯著變化。當同一溫度20 ℃組中，隨濕度變化引起強度平均增幅為7.8%，且溫度增大至35 ℃、50 ℃后，平均增幅分別為6.3%、4.4%，即濕度因素對強度影響較小。筆者認為，對比壓縮力學受養(yǎng)護條件影響變化可知，以養(yǎng)護溫度影響更為顯著，不論是強度或是變形均是如此。

圖4 抗壓強度影響變化特征

4 混凝土材料拉伸力學特征

由于養(yǎng)護濕度對混凝土材料力學特征影響較為局限，故本文主要研究不同養(yǎng)護溫度下混凝土材料拉伸力學特征影響，如圖5所示。從圖中可知，不同養(yǎng)護溫度下該類型混凝土試樣在峰值拉伸應力后仍具有一定承載能力，即拉伸破壞后試樣仍具有抗拉特性，此一定程度上可為水閘底板抗拉設計提供參考。另一方面，養(yǎng)護溫度愈高，拉伸全過程中拉應力水平愈大，以同一位移0.1 mm，養(yǎng)護溫度5 ℃試樣的拉伸應力為3.63 MPa，而溫度20 ℃、50 ℃試樣在該拉伸變形處的應力較之分別增長了21.6%、40.1%。本文認為，養(yǎng)護溫度對混凝土材料微觀影響主要集中于其密實度的提升，且局部分布的薄弱面在高養(yǎng)護溫度下有助于驅使晶體顆粒膨脹，擠壓微孔隙，提升整體混凝土主骨架的穩(wěn)定性[3-4]。從抗拉應力對比來看，養(yǎng)護溫度5 ℃試樣抗拉強度為4.28 MPa，而溫度35 ℃、50 ℃試樣抗拉強度較前者分別增大了14.9%、21.8%，養(yǎng)護溫度每增大15 ℃，其抗拉應力平均可提升6.8%。分析拉伸變形特征可知，溫度愈高，混凝土試樣的峰值拉伸變形以及最大變形值均較低，溫度20 ℃試樣的峰值變形與拉伸變形分別為0.112 mm、0.550 mm，而溫度35 ℃、50 ℃試樣最大變形分別為0.440 mm、0.370 mm。從控制變形方面考慮，過大的養(yǎng)護溫度，易導致混凝土失穩(wěn)破壞裂紋發(fā)展出現(xiàn)較劇烈。

圖5 養(yǎng)護溫度影響下拉伸應力變形特征

5 結 論

本文主要得到以下三點結論：

(1)養(yǎng)護溫度愈高，則混凝土加載應力水平愈大，在同一養(yǎng)護濕度5%、95%組，溫度每增長15 ℃，強度平均可增幅20.4%、18.9%；溫度愈高，混凝土脆性破壞特征愈強，彈性模量亦增大，溫度20 ℃、50 ℃試樣彈性模量較5 ℃下分別升高了33.6%、2.03倍。

(2)濕度與加載應力水平為正相關關系，同一溫度組中，濕度對混凝土強度影響較小，在溫度20 ℃、35 ℃、50 ℃組中，隨濕度變化引起強度平均增幅分別為7.8%、6.3%、4.4%；養(yǎng)護濕度條件對混凝土彈性變形影響較小，模量值均穩(wěn)定在32 MPa。

(3)混凝土試樣在峰值拉伸應力后仍具有一定承載力；養(yǎng)護溫度愈高，試樣抗拉強度愈大，溫度每增大15 ℃，其抗拉應力平均可提升6.8%；過高的養(yǎng)護溫度，易導致混凝土試樣變形破壞較劇烈，峰值變形以及最大變形值均較低。