枕頭壩一級(jí)水電站混凝土干濕與凍融作用下力學(xué)試驗(yàn)研究

林志遠(yuǎn)

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710000)

混凝土材料在水利工程建設(shè)中起著舉足輕重作用[1- 2]，其力學(xué)特征決定了水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，針對(duì)混凝土材料力學(xué)特性研究很有必要。拉、壓力學(xué)性質(zhì)乃是混凝土材料在水工建筑中常為關(guān)注的重點(diǎn)參數(shù)[3- 4]，以拉、壓力學(xué)特征研究推動(dòng)多物理場(chǎng)耦合分析具有重要意義。高勇[5]、張培等[6]、李劉紅等[7]根據(jù)混凝土材料顆粒流骨架特點(diǎn)，采用PFC等顆粒流離散元仿真手段，開展了混凝土的拉、壓力學(xué)特征研究，特別是針對(duì)混凝土顆粒骨架特點(diǎn)，自適應(yīng)有不定參數(shù)，以參數(shù)化影響力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，豐富混凝土材料力學(xué)研究成果。同時(shí)，曾寅等[8]、王文璟[9]針對(duì)混凝土的力學(xué)特征影響因素，探討了配合比參數(shù)、外加劑摻量等材料因素及圍壓、孔隙壓力等試驗(yàn)因素對(duì)混凝土材料力學(xué)特征影響特性，為混凝土材料應(yīng)用在水工建筑中起著參照作用。而針對(duì)物理場(chǎng)耦合損傷條件，李月霞[10]、唐百曉[11]、邵化建等[12]設(shè)計(jì)了凍融、干濕及熱損傷等物理場(chǎng)作用下，混凝土力學(xué)特征影響變化，對(duì)混凝土材料在多場(chǎng)耦合工程中應(yīng)用提供了依據(jù)。本文基于枕頭壩一級(jí)水電站混凝土材料力學(xué)特性問題，不僅探討多物理場(chǎng)耦合損傷影響壓縮力學(xué)特征，且針對(duì)拉伸力學(xué)特性影響變化也開展了試驗(yàn)研究，為工程建設(shè)及運(yùn)營提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

枕頭壩一級(jí)水電站為為流域內(nèi)的第十九階梯樞紐，其所在位置如圖1所示。該水利樞紐主要承擔(dān)發(fā)電及下游蓄水調(diào)度等水利功能，全標(biāo)段內(nèi)混凝土施工總量超過127.79萬m3，涉及擋水建筑、泄洪設(shè)施及水力發(fā)電廠房建設(shè)等。泄流設(shè)施采用多孔泄洪閘，其截面如圖2所示，采用預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩結(jié)構(gòu)，水下泄洪洞及預(yù)應(yīng)力閘墩混凝土澆筑方式如圖3所示。泄流水工建筑所用混凝土量占比為28.2%，總量達(dá)36.1萬m3；枕頭壩一級(jí)水電站主壩混凝土占工程總量的7.6%。發(fā)電廠房進(jìn)水口采用混凝土襯砌結(jié)構(gòu)段與廠房軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組相接，共有四臺(tái)工作機(jī)組，主機(jī)間段長度138.40m。廠房基礎(chǔ)長138.40m，寬63.8m，大部分機(jī)組基面均設(shè)計(jì)在弱風(fēng)化基巖上，少部分需要采用混凝土回填加固。發(fā)電廠房混凝土用量占比最多，超過60%，其所用混凝土與主壩及其他水工建筑基本一致?，F(xiàn)為提升枕頭壩一級(jí)水電站運(yùn)營水平，從其使用混凝土主材料入手，探討在各類水工建筑結(jié)構(gòu)中混凝土的力學(xué)特征，為工程建設(shè)及運(yùn)營提供依據(jù)。

圖1 枕頭壩一級(jí)水電站樞紐所在位置

圖2 攔污閘門結(jié)構(gòu)

圖3 混凝土澆筑方式示意圖

1.2 試驗(yàn)介紹

從枕頭壩一級(jí)水電站混凝土材料力學(xué)特征研究問題入手，采用1000W程控式混凝土材料試驗(yàn)儀器開展力學(xué)加載破壞試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括有力學(xué)加載裝置、數(shù)據(jù)處理裝置等，該試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。另該設(shè)備可進(jìn)行改良適配于拉伸試驗(yàn)。本文不僅需要研究混凝土壓縮力學(xué)特征，也考慮采用直接拉伸方法進(jìn)行混凝土拉伸力學(xué)特性分析。本試驗(yàn)貼合常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，采用徑高比為1/2的圓柱體試樣[13- 14]。荷載加載方式采用荷載遞進(jìn)與位移遞進(jìn)兩種方式，其中后者采用的是環(huán)向位移控制方式，速率為0.02mm/min。拉伸力學(xué)試驗(yàn)中采用上、下壓頭控制試樣，其加載速率為0.01mm/min。

圖4 拉、壓力學(xué)試驗(yàn)儀器

為綜合性探討枕頭壩水電站混凝土力學(xué)特性影響變化，設(shè)置有凍-融與干-濕交替兩種物理場(chǎng)耦合試驗(yàn)，分別進(jìn)行拉、壓力學(xué)試驗(yàn)前進(jìn)行相應(yīng)的物理場(chǎng)耦合試驗(yàn)。凍-融交替試驗(yàn)中低、高溫分別設(shè)置為-20℃、20℃，在凍或融狀態(tài)下持續(xù)時(shí)間穩(wěn)定在3h，而干濕交替試驗(yàn)中浸泡與烘干時(shí)間分別為16、6h，兩種物理場(chǎng)耦合試驗(yàn)均需完成相應(yīng)的交替才計(jì)作1次。從試驗(yàn)影響因素考慮，凍-融試驗(yàn)設(shè)置為0～25次，試驗(yàn)階梯為5次，而干-濕試驗(yàn)設(shè)置為0～20次，試驗(yàn)階梯為4次。

2 混凝土壓縮力學(xué)特性

2.1 凍-融交替影響

根據(jù)不同凍-融交替下混凝土壓縮力學(xué)試驗(yàn)，獲得凍融效應(yīng)對(duì)混凝土壓縮應(yīng)力應(yīng)變影響特性，如圖5所示。從圖中可看出，隨凍-融交替次數(shù)增多，混凝土壓縮應(yīng)力水平并未一致性遞減，而是在一定次數(shù)節(jié)點(diǎn)后，應(yīng)力水平呈增多態(tài)勢(shì)；以加載應(yīng)變1%下為例，此時(shí)無凍-融效應(yīng)試樣壓縮應(yīng)力為21.4MPa，而交替5、15次后應(yīng)力水平較之分別減少了31.2%、67.5%，在該應(yīng)變下凍-融交替每增長5次，其應(yīng)力平均損耗31.2%；與之同時(shí)，在交替20、25次后其應(yīng)力水平較之15次下分別增大了62.5%、137.5%，甚至接近無凍融與凍-融5次下試樣應(yīng)力水平。分析表明，凍融效應(yīng)對(duì)混凝土壓縮應(yīng)力水平影響并不具有一致性，而是在某一凍-融交替次數(shù)后呈相反變化。筆者認(rèn)為，在低凍-融交替次數(shù)影響下，混凝土內(nèi)部晶體顆粒骨架受凍融損傷效應(yīng)影響，其骨架穩(wěn)定性受削弱，且局部形成凍融損傷次生裂紋，特別是晶體水分子的凍-融交替過程導(dǎo)致原生裂隙得到擴(kuò)展，此對(duì)混凝土壓縮應(yīng)力水平具有顯著抑制效應(yīng)；但不可忽視，當(dāng)凍-融交替次數(shù)增多后，次生裂隙不僅會(huì)得到擴(kuò)展，且會(huì)受到進(jìn)一步在壓密作用下得到遷移運(yùn)動(dòng)，細(xì)小顆粒在壓縮作用下的宏觀裂紋中填充、堵塞，對(duì)壓縮宏觀裂紋的擴(kuò)展具有阻礙作用，進(jìn)而表現(xiàn)在壓縮應(yīng)力水平增大的現(xiàn)象[15- 16]。從混凝土抗壓強(qiáng)度影響特征來看，在凍-融交替次數(shù)影響下，以15次試驗(yàn)方案中試樣強(qiáng)度最低，僅為17.5MPa，在凍-融交替0～15次方案內(nèi)，每增長5次交替，則試樣抗壓強(qiáng)度平均降低13.2%，而在交替15～25次方案內(nèi)，隨交替5次變化，可引起抗壓強(qiáng)度平均增長16.2%。

觀察圖5中試樣變形特征可知，試樣在彈性變形階段中受凍-融交替次數(shù)影響變化特性與應(yīng)力水平特征一致，彈性模量以凍-融交替15次下為最低，達(dá)7.1MPa，而交替5次、25次較之分別增大了1.2、1.3倍。峰值應(yīng)變以高交替次數(shù)下試樣為最大，而交替低次數(shù)下試樣壓縮變形特征脆性顯著，峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降較快。

圖5 凍融影響下混凝土壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征

2.2 干-濕交替影響

基于干-濕交替耦合場(chǎng)壓縮力學(xué)試驗(yàn)，獲得干濕效應(yīng)對(duì)混凝土壓縮應(yīng)力應(yīng)變影響特性，如圖6所示。依據(jù)圖中可知，當(dāng)耦合物理場(chǎng)特征為干-濕交替作用時(shí)，壓縮應(yīng)力受之影響變化呈一致性，均為抑制作用；在加載應(yīng)變2%時(shí)，干-濕交替0次時(shí)試樣壓縮應(yīng)力為30MPa，而交替4、12、20次下試樣壓縮應(yīng)力分別較之減少了14.4%、25.8%、49.6%。從試樣抗壓強(qiáng)度影響亦可知，在無干-濕交替作用下試樣強(qiáng)度為29.2MPa，而干-濕交替每增長4次，則試樣強(qiáng)度平均損耗5.2%。當(dāng)干濕交替作用下，試樣內(nèi)部實(shí)質(zhì)上是水分子氣-液態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，而全過程中會(huì)發(fā)生能量的耗散，能量對(duì)外做功的過程會(huì)在混凝土內(nèi)部逐步形成次生裂隙，削弱試樣對(duì)外界承載能力的反饋，故干濕作用對(duì)混凝土壓縮應(yīng)力水平具有抑制效應(yīng)。從變形特征來看，各干濕次數(shù)試樣在彈性壓密變形階段具有一致性，主要差異體現(xiàn)在峰值應(yīng)力后階段，以交替次數(shù)較高試樣的最終應(yīng)變更大，即干濕作用對(duì)混凝土變形影響主要發(fā)生在塑性變形階段。

3 混凝土拉伸力學(xué)特性

3.1 凍-融交替影響

基于凍融物理場(chǎng)耦合拉伸破壞力學(xué)試驗(yàn)，獲得凍融效應(yīng)對(duì)混凝土拉伸力學(xué)特性影響，如圖7所示。根據(jù)圖中拉伸應(yīng)力變化可知，凍融作用對(duì)拉伸應(yīng)力影響同樣具有階段性特征，當(dāng)凍-融次數(shù)在15次以內(nèi)時(shí)，交替次數(shù)愈多，則混凝土拉伸應(yīng)力水平愈低，無凍融作用下試樣抗拉應(yīng)力達(dá)4.87MPa，而交替次數(shù)每增多5次，則試樣抗拉應(yīng)力平均遞減26.2%；凍融交替超過15次后，混凝土拉伸應(yīng)力為遞增，隨每交替5次的增長，可促進(jìn)抗拉應(yīng)力增長18.9%；與壓縮應(yīng)力受影響變化相比，拉伸力學(xué)特征受凍-融作用敏感度較高。從變形特征來看，凍融交替作用愈頻繁，試樣峰值拉伸變形愈大，特別是在峰值應(yīng)力后期，仍具有相當(dāng)水平承載力。無凍融作用試樣峰值拉伸應(yīng)變?yōu)?.14%，而凍融5、15、20次下試樣峰值拉伸應(yīng)變分別為0.12%、0.12%、0.13%。另一方面，在峰值拉伸應(yīng)力后期，以低凍融次數(shù)試樣殘余拉伸應(yīng)力水平更高，無凍融試樣殘余拉伸應(yīng)力為1.2MPa，而凍融15、20次試樣殘余拉伸應(yīng)力分別為0.6、0.73MPa，即混凝土在拉伸破壞后不僅具有一定承載水平，且受凍融作用影響愈強(qiáng)，殘余拉伸應(yīng)力水平愈低，此與峰值拉伸應(yīng)力水平受影響變化有所差異。

3.2 干-濕交替影響

同理，獲得干濕效應(yīng)影響下混凝土試樣的拉伸應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖8所示。從圖中應(yīng)力應(yīng)變特征可知，與壓縮應(yīng)力類似，拉伸應(yīng)力水平與干-濕交替次數(shù)具有負(fù)相關(guān)變化特征，當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?.1%時(shí)，干-濕交替0次下試樣拉伸應(yīng)力為3.15MPa，而交替為12、20次下試樣拉伸應(yīng)力分別較之減少了52.6%、71.4%，交替次數(shù)增長5次，該應(yīng)變下拉伸應(yīng)力水平可減少22%。從抗拉強(qiáng)度影響效應(yīng)來看，干-濕交替0次下試樣抗拉強(qiáng)度為3.83MPa，受交替增長5次影響，抗拉強(qiáng)度平均減少20.2%。相比干濕效應(yīng)對(duì)壓縮應(yīng)力影響，拉伸應(yīng)力水平受干濕作用更為敏感。筆者認(rèn)為，干濕作用對(duì)顆粒骨架的影響主要為咬合力、摩擦度等，而混凝土抗拉特性很大程度上取決于試樣顆粒間咬合與碰撞[17]。不同干濕交替次數(shù)下試樣峰值拉伸應(yīng)變基本一致，穩(wěn)定在0.14%，而最大應(yīng)變及殘余拉伸應(yīng)力分別以低交替次數(shù)試樣最大，如交替16、20次下試樣殘余拉伸應(yīng)力分別為0.8MPa、0.55MPa，而無交替作用下試樣殘余拉伸應(yīng)力分別較之增長了1.1、2.04倍。

圖8 干濕影響下混凝土拉伸應(yīng)力應(yīng)變特征

4 結(jié)語

(1)凍融交替低于15次時(shí)，混凝土壓縮應(yīng)力水平與交替次數(shù)為負(fù)相關(guān)，反之超過15次后，呈正相關(guān)；彈性模量受凍融次數(shù)影響特性與力學(xué)特征一致。

(2)干濕交替作用會(huì)削弱混凝土壓縮應(yīng)力特征，干濕交替每增長4次，試樣抗壓強(qiáng)度平均損耗5.2%；干濕作用對(duì)混凝土壓縮變形影響主要在塑性變形階段。

(3)凍融作用次數(shù)對(duì)混凝土拉伸力學(xué)影響與壓縮力學(xué)一致，且受影響敏感度高于壓縮力學(xué)；拉伸破壞后凍融次數(shù)愈多，殘余拉伸應(yīng)力愈低。

(4)干濕交替作用與混凝土拉伸力學(xué)特征具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，交替增長4次，抗拉強(qiáng)度平均減少20.2%，其受干濕作用敏感度高于壓縮力學(xué)；干濕效應(yīng)對(duì)峰值拉伸應(yīng)變影響較小。