引水隧道抗裂防水混凝土性能研究

林海炎

（韶關(guān)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,廣東 韶關(guān) 512000）

1 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)需求的快速增加,公路、鐵路以及水利工程隧道項(xiàng)目進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,地下空間得到了更大程度的利用。引水隧道是地下隧道的一種常見(jiàn)形式。然而與其他形式的隧道相比,引水隧道受地下水的影響非常嚴(yán)重,實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種病害。根據(jù)調(diào)查,引水隧道病害主要有滲漏、開(kāi)裂、及變形侵蝕等,其中滲水和混凝土開(kāi)裂是常見(jiàn)典型病害[1-2]。魯良輝[3]等基于模型試驗(yàn)研究了多添加環(huán)境下,混凝土的毛細(xì)吸水機(jī)理,提出了采用毛細(xì)管系數(shù)定量描述混凝土的吸水能力。韓曉烽等[4]基于數(shù)值模擬分析了水分在多孔介質(zhì)中的傳遞運(yùn)輸機(jī)理,建立了多相水分傳輸模型。

本文以某引水隧道工程為依托,基于滲流理論,在考慮混凝土開(kāi)裂系數(shù)和滲透系數(shù)已知的條件下,建立混凝土多孔介質(zhì)材料的水分滲流計(jì)算模型。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定水分在開(kāi)裂情況下的滲透系數(shù),進(jìn)而分析水分傳輸機(jī)理。考慮實(shí)際工程需求,為提高混凝土的抗?jié)B性能和抗沖擊性能,進(jìn)行了三種摻合料（分別為鋼纖維、碳纖維和復(fù)合纖維）混凝土試樣的抗沖擊韌性和抗?jié)B透試驗(yàn)。本文的研究可為混凝土的抗裂防水性理論提供設(shè)計(jì)參數(shù),提高引水隧道的安全運(yùn)營(yíng)能力。

2 工程概況

某引水隧道采用典型的一機(jī)一洞布置形式,尾水洞為變頂隧洞,單機(jī)最大引水流量為577 m3/s。引水隧道內(nèi)徑為14 m。布置形式主要由進(jìn)口漸變段-上平段-上彎段-豎井段等組成。

自投產(chǎn)以來(lái),受多種因素的影響,引水隧道中部和頂部出現(xiàn)多條貫穿性裂縫,同時(shí)在流道放空檢查中,隧道存在多處滲漏點(diǎn)和蜂窩狀腐蝕空洞,并伴隨露筋現(xiàn)象。

3 基本理論

3.1 納維-斯托克方程

通常引水隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到的外荷載包括：收縮應(yīng)力、水壓力及凍融循環(huán)等。在這些作用下混凝土容易開(kāi)裂,進(jìn)一步水分在裂隙中滲透,導(dǎo)致混凝土銹蝕破壞。

基于納維-斯托克方程,首先假定開(kāi)裂混凝土材料是均勻的,根據(jù)飽和水分傳遞方程：

式中：ρ、g、、Δh、l、bcr及J分別為水的密度,重力加速度,黏度,水頭損失,滲流路徑,裂縫寬度及水力梯度。

進(jìn)一步根據(jù)混凝土的彌散模型,對(duì)非飽和狀態(tài)的混凝土水分滲流進(jìn)行分析,采用合達(dá)西定律進(jìn)行描述:

式中：Ks,cr、Ks,cr分別為非飽和以及飽和狀態(tài)下表示混凝土的滲透系數(shù)；為折減系數(shù)；bh為混凝土等效裂縫寬度；Kr（s）為開(kāi)裂混凝土水分相對(duì)滲透率。

3.2 線(xiàn)性、非線(xiàn)性Darcy模型

線(xiàn)性和非線(xiàn)性Darcy模型一般采用式（2）和（3）所示的簡(jiǎn)化模型,兩者滲流曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 達(dá)西滲透方式

3.3 線(xiàn)性、非線(xiàn)性Darcy模型滲流深度和時(shí)間關(guān)系

在一維滲流條件下,滲透深度和滲透時(shí)間的關(guān)系為：

式中：p0為混凝土所受的外界水壓。

4 混凝土抗裂防水實(shí)驗(yàn)

4.1 混凝土抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)

（1）材料及性能

本文所用的水泥強(qiáng)度為C30；礦物摻合料選用粉煤灰；粗骨料和細(xì)骨料選用5 mm～20 mm 的連續(xù)級(jí)配,級(jí)配合格產(chǎn)品；減水劑；碳纖維和鋼纖維碳具體物理性能參數(shù)見(jiàn)表1～表4。

表1 水泥物理性質(zhì)

表2 粉煤灰物理性能

表3 碳纖維物理性能參數(shù)

表4 鋼纖維物理性能參數(shù)

（2）試驗(yàn)方法

采用沖擊韌性試驗(yàn)的ACI錘擊法進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)的目的主要是研究混凝土的抗沖擊性能,以及分析混凝土的開(kāi)裂情況。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)落錘,質(zhì)量5.0 kg,沖擊高度為48 cm,試件尺寸為200 mm×80 mm,試件編號(hào)分別為OF01-OF07,其中OF01 為基本混凝土,試件2混凝土摻雜鋼纖維含量0.5%,試件3混凝土摻雜鋼纖維含量1.5%,試件4混凝土摻雜碳纖維含量0.2%,試件5混凝土摻雜鋼纖維含量0.5%、碳纖維0.2%,試件6混凝土摻雜1.5%鋼材纖維和0.6%碳纖維。

4.2 混凝土抗?jié)B性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)目前研究,采用混凝土的抗?jié)B性能描述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性比較合適。在此研究基礎(chǔ)上,本文通過(guò)抗?jié)B透試驗(yàn)獲取開(kāi)裂混凝土的滲透系數(shù),并進(jìn)一步分析纖維混凝土的抗?jié)B能力。

纖維混凝土摻雜纖維于上文試樣相同。試件尺寸半徑為9 cm,頂面半徑為8.5 cm,高16 cm,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為30 天。養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn),水壓恒定為1.5 MPa,持續(xù)時(shí)間為24 h,然后讀取滲透系數(shù)。

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 混凝土抗沖擊性能分析

抗沖擊試驗(yàn)主要包含三個(gè)階段,分別為初裂階段、沖擊階段及終裂階段。通過(guò)三個(gè)階段求得各階段平均值以及差值對(duì)混凝土進(jìn)行沖擊韌性評(píng)價(jià)。統(tǒng)計(jì)不同混凝土試驗(yàn)的不同工況下的平均出裂次數(shù)以及抗沖擊耗能結(jié)果。不同纖維含量對(duì)混凝土沖擊韌性的影響見(jiàn)圖2和圖3。圖2結(jié)果表明,摻雜碳纖維、鋼纖維以及混合纖維的混凝土初裂沖擊次數(shù)不斷增多,這表明,纖維含量增多導(dǎo)致混凝土沖擊韌性性能不斷提升。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是纖維含量的破壞過(guò)程的耗能主要用于纖維粘結(jié)作用。

圖2 纖維對(duì)混凝土試件開(kāi)裂次數(shù)

圖3結(jié)果表明,三種纖維含量摻雜到混凝土中,混凝土的抗沖擊性能大幅增加,其中OF01-OF07試件的沖擊韌性能量分別為355.2 J、620.4 J、858.5 J、679.5 J、951.1 J、905.2 J和1346.8 J。其中摻雜復(fù)合纖維的混凝土抗沖擊性能最大,究其原因主要是復(fù)合纖維的材料性能決定的。

圖3 不同纖維對(duì)混凝土沖擊韌性影響

5.2 混凝土抗?jié)B性能

混凝土的抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合纖維混凝土的抗?jié)B性能最優(yōu),而基本混凝土的抗?jié)B性能最差。主要原因是（1）水泥和纖維的粘結(jié)作用可以降低混凝土的收縮,能對(duì)混凝土骨料起到較好的支撐作用,顯著降低混凝土的空隙比,提升其抗?jié)B透性；（2）復(fù)合纖維混凝土的滲透系數(shù)最小,證明較其他兩種纖維,復(fù)合纖維形成強(qiáng)度較高的網(wǎng)絡(luò)空隙,從而使得復(fù)合纖維混凝土的抗?jié)B性能優(yōu)于其他兩種纖維。

6 結(jié)論

為了研究引水隧道混凝土的抗沖擊韌性和抗?jié)B性能,本文基于飽和-非飽和理論,建立開(kāi)裂混凝土的水分滲流模型,看展多種工況下的混凝土抗沖擊和滲透試驗(yàn),得到如下結(jié)果：

（1）抗沖擊試驗(yàn)表明,與基本混凝土抗沖擊韌性相比,摻雜三種纖維混凝土的出裂次數(shù)不斷增大,其中復(fù)合纖維的混凝土抗沖擊性能最優(yōu),實(shí)際工程可選用摻雜復(fù)合纖維的混凝土進(jìn)行工程建設(shè)。

（2）滲透試驗(yàn)表明,不摻和纖維的混凝土的滲透系數(shù)最大,而摻和混凝土纖維的混凝土滲透系數(shù)最小。這反映出,相較于其他兩種摻和纖維,復(fù)合纖維主要通過(guò)形成高強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)孔隙提高混凝土的抗?jié)B性能。