大山水庫修復(fù)工程膠結(jié)混凝土力學(xué)試驗(yàn)研究

趙雯雯

（臨沂市水利局，山東 臨沂 276000）

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)背景

大山水庫大壩全長超過1 250 m，設(shè)計(jì)最大壩高達(dá)37.8 m，目前，由于臨港區(qū)大山水庫局部水利設(shè)施受運(yùn)營年限較長，部分壩體、渠道以及水閘支撐結(jié)構(gòu)等處均需修復(fù)，因而需要在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行膠結(jié)混凝土材料施工，為此，工程設(shè)計(jì)部門討論開展對此類混凝土材料力學(xué)特征影響因素開展分析，為工程建設(shè)調(diào)配最優(yōu)膠結(jié)混凝土材料提供依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)介紹

為確保本試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性與科學(xué)性，本試驗(yàn)采用ST-RTS 巖石材料力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。ST-RTS力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)最大可完成軸向荷載1 000 kN 試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括有內(nèi)置測試裝置與外接精密LVDT 傳感器設(shè)備，外接LVDT 傳感器精度較高，最大量程為-10~10 mm，最大誤差不超過1‰，而環(huán)向傳感器可獲得試樣加載過程中橫向變形參量，其量程為-15~15 mm。

本試驗(yàn)所有樣品原材料均取自大山水庫修復(fù)工程場地，如試驗(yàn)樣品所需的水泥、粗細(xì)骨料等，在室內(nèi)按照相應(yīng)的配合比參量進(jìn)行調(diào)配。本文主要研究膠結(jié)混凝土材料的含氣量、粉煤灰摻量對力學(xué)特征影響，針對含氣量影響因素，膠結(jié)材料在配合比中通過控制引氣劑，使膠結(jié)材料含氣量滿足目標(biāo)參量要求，在搭配一致的42.5 級水泥及其他混合料，制備出滿足規(guī)范要求的直徑、高度均為50 mm、100 mm 試樣，并且所有試樣均經(jīng)加工、打磨，確保平整度誤差不超過1%。而粉煤灰摻量主要通過控制配合比中粉煤灰熟料礦物摻量，達(dá)到滿足試驗(yàn)參量要求。所有試樣在制備后均在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)14 d，再進(jìn)行12 h 的20 MPa圍壓損傷愈合養(yǎng)護(hù)，降低初始加工損傷效應(yīng)，使試樣物理特性在試驗(yàn)前具有一致性。本試驗(yàn)中含氣量與粉煤灰摻量試驗(yàn)組分別為A、B 組，其中含氣量對比組中分別為含氣量1%、3%、6%、9%、12%，而粉煤灰試驗(yàn)組中設(shè)定摻量為0%、5%、10%、15%、20%、25%，各試驗(yàn)組中僅改變單一摻量因素，其他配合比參數(shù)保持一致，具體方案如表1 所示。

表1 各組膠結(jié)混凝土試樣含氣量與粉煤灰摻量

2 含氣量對膠結(jié)材料力學(xué)特征影響

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)不同試驗(yàn)組下膠結(jié)材料單軸加載破壞試驗(yàn)，獲得含氣量影響下膠結(jié)材料試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖1 所示。從圖中可看出，膠結(jié)材料試樣加載應(yīng)力水平與含氣量具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，在粉煤灰摻量5%試驗(yàn)組中，加載應(yīng)變1%下含氣量1%試樣對應(yīng)的加載應(yīng)力為26.2 MPa，與之同時(shí)含氣量6%、12%試樣加載應(yīng)力較前者分別減少了63.6%、81.6%；而當(dāng)位于粉煤灰摻量為20%試驗(yàn)組中，相同應(yīng)變1%下含氣量6%、12%試樣的加載應(yīng)力與含氣量1%試樣間差幅分別為52.3%、68.6%，即增大粉煤灰摻量，有助于縮小不同含氣量試樣間加載應(yīng)力水平差異。當(dāng)膠結(jié)材料中增添有定量的引氣劑，導(dǎo)致膠結(jié)材料內(nèi)部具有相應(yīng)的空氣占比，實(shí)質(zhì)上形成了內(nèi)部孔隙通道，對膠結(jié)材料顆粒骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有一定損害性，進(jìn)而形成承載應(yīng)力水平降低的現(xiàn)象；當(dāng)粉煤灰摻量增多后，粉煤灰較細(xì)顆粒粒徑可進(jìn)入引氣劑造成的內(nèi)部孔隙中，可一定程度縮小不同引氣劑含量造成的承載應(yīng)力差異。

圖1 含氣量影響下膠結(jié)材料應(yīng)力應(yīng)變特征

從變形特征來看，各含氣量試驗(yàn)組試樣在峰值應(yīng)力后期變形破壞特征具有差異性，當(dāng)含氣量愈高時(shí)，峰值應(yīng)力后為延性破壞特征，而含氣量較低時(shí)，試樣為脆性破壞特征，峰值應(yīng)力后呈顯著下跌現(xiàn)象。當(dāng)含氣量較低時(shí)，膠結(jié)材料整體硬脆性特征較強(qiáng)，因而峰值應(yīng)力后應(yīng)力下跌迅速。從線彈性變形階段可看出，兩個(gè)粉煤灰摻量試驗(yàn)組中，含氣量1%試樣彈性模量分別為27.7 MPa、41.1 MPa，而在粉煤灰摻量5%試驗(yàn)組中，含氣量3%、9%試樣彈性模量較前者分別減少了31.8%、42.1%，表明含氣量差異性亦會(huì)影響膠結(jié)材料線彈性變形能力。另從峰值應(yīng)變、最大應(yīng)變參數(shù)可知，含氣量愈多試樣的峰值應(yīng)變、最大應(yīng)變愈大，在圖2（a）組中含氣量1%~12%試樣峰值應(yīng)變分別為1.28%、1.5%、1.67%、1.86%、2.1%，由此可知，含氣量對膠結(jié)材料變形特征影響為正向促進(jìn)效應(yīng)。

圖2 各含氣量試樣抗壓強(qiáng)度變化特征

2.2 力學(xué)強(qiáng)度特征

針對膠結(jié)材料力學(xué)強(qiáng)度特征，本文給出不同粉煤灰摻量試驗(yàn)組中各含氣量試樣抗壓強(qiáng)度變化特征，如圖2 所示。從圖中可知，粉煤灰摻量0%試驗(yàn)組中含氣量1%試樣強(qiáng)度為25.4 MPa，而含氣量為3%、9%、12%試樣強(qiáng)度較前者分別降低了26.5%、63.5%、80%，含氣量參數(shù)與膠結(jié)材料強(qiáng)度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，且兩者具有線性函數(shù)關(guān)系。從整體降幅來看，粉煤灰摻量0%試驗(yàn)組中，在含氣量3%試樣后，含氣量每增長3%，試樣強(qiáng)度平均降低34.6%；而在粉煤灰摻量5%、20%試驗(yàn)組中，試樣強(qiáng)度平均降幅分別為16.2%、12.6%。由此可知，粉煤灰摻量有削弱含氣量抑制膠結(jié)材料強(qiáng)度效應(yīng)的作用。

3 粉煤灰摻量對材料力學(xué)特征影響

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

如圖3 所示，當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，試樣加載應(yīng)力水平為各粉煤灰摻量試驗(yàn)組中最高，在加載應(yīng)變1%時(shí)粉煤灰摻量0%試樣的加載應(yīng)力為11.05 MPa，而摻量5%、15%試樣同等應(yīng)變下加載應(yīng)力較前者分別增長了20.5%、109.6%，而摻量20%、25%試樣加載應(yīng)力相比摻量15%在相同應(yīng)變下分別降低了36.1%、47.4%，即粉煤灰摻量對試樣加載應(yīng)力影響具有階段轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)。當(dāng)粉煤灰摻量為0%~15%時(shí)，試樣加載應(yīng)力水平與摻量具有正相關(guān)關(guān)系，而摻量超過15%后，試樣加載應(yīng)力水平為降低現(xiàn)象。分析認(rèn)為，粉煤灰摻量對膠結(jié)材料承載應(yīng)力水平影響具有合理參數(shù)特征，即存在合理粉煤灰摻量值，只有當(dāng)位于合理摻量值左右時(shí)，膠結(jié)材料承載應(yīng)力才為最大。

圖3 粉煤灰摻量影響下膠結(jié)材料應(yīng)力應(yīng)變特征

從變形特征可知，彈性模量參數(shù)與加載應(yīng)力水平影響變化具有一致性，摻量0%試樣彈性模量為14.5 MPa，而合理摻量15%試樣彈性模量較前者增大了64.7%，但摻量20%、25%試樣彈性模量較合理摻量試樣又分別減少了24.8%、28.8%。從峰值應(yīng)變亦可看出，粉煤灰摻量對峰值應(yīng)變、最大應(yīng)變參數(shù)影響無顯著性規(guī)律，粉煤灰摻量0%~25%六個(gè)試樣的峰值應(yīng)變分別為1.45%、1.51%、1.52%、1.3%、1.48%、1.43%。

3.2 力學(xué)強(qiáng)度特征

經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得粉煤灰摻量與膠結(jié)材料抗壓強(qiáng)度特征，如圖4 所示。依圖中抗壓強(qiáng)度變化可知，抗壓強(qiáng)度與摻量呈“倒V”型變化，以粉煤灰摻量15%下為最高，在含氣量3%試驗(yàn)組中，摻量0%~15%區(qū)間內(nèi)，摻量增長5%，試樣強(qiáng)度平均增大15.2%；而在摻量15%~25%區(qū)間內(nèi)，試樣強(qiáng)度平均損耗11.5%。當(dāng)含氣量為6%時(shí)，粉煤灰摻量影響膠結(jié)材料強(qiáng)度的兩區(qū)間增幅與降幅分別有所減小，在摻量0%~15%與摻量15%~25%區(qū)間內(nèi)試樣強(qiáng)度的平均增幅、降幅分別為23.4%、23.6%。綜合分析，筆者認(rèn)為引氣劑的添加應(yīng)控制在較低范圍，不應(yīng)過多而導(dǎo)致強(qiáng)度損耗；針對粉煤灰摻量來說，其應(yīng)控制在合理摻量15%左右，確保膠結(jié)材料強(qiáng)度滿足大山水庫修復(fù)工程需求。

圖4 各粉煤灰摻量試樣抗壓強(qiáng)度變化特征

4 結(jié) 語

1）膠結(jié)材料試樣加載應(yīng)力值與含氣量具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，粉煤灰摻量增大，膠結(jié)材料受含氣量影響效應(yīng)降低，且含氣量與試樣強(qiáng)度呈線性函數(shù)關(guān)系；粉煤灰摻量0%、20%試驗(yàn)組中，含氣量每增長3%，試樣強(qiáng)度平均降低34.6%、12.6%。

2）粉煤灰摻量影響膠結(jié)材料強(qiáng)度具有階段性變化特征，其強(qiáng)度與摻量曲線呈“倒V”型變化，以摻量15%為合理摻量，在含氣量3%試驗(yàn)組中摻量0%~15%與15%~25%區(qū)間分別為遞增、遞減變化，平均增幅與降幅為15.2%、11.5%。

3）含氣量對膠結(jié)材料彈性模量具有負(fù)相關(guān)作用，且含氣量較高時(shí)峰值應(yīng)力后為延性破壞特征，含氣量愈多，試樣峰值應(yīng)變、最大應(yīng)變愈大，但粉煤灰摻量影響下的膠結(jié)材料應(yīng)變參量無顯著性規(guī)律。