不同環(huán)境下大壩廊道混凝土力學性能預測研究

劉 敏，劉莉娜，潘瑞霖，張 兵

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430070；2.武漢飛虹工程管理咨詢有限公司，湖北 武漢 430000)

廊道是大壩用于排水、檢查、基礎灌漿、設備控制等重要通道或者結構，由于廊道的結構和應力十分復雜，使得廊道結構混凝土在施工、運營乃至維護期很容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因而有必要對廊道結構混凝土的力學性能進行專項研究。

為了降低廊道混凝土的開裂程度，廊道混凝土與常規(guī)壩體混凝土相比，其設計強度一般偏高，但是此種方法往往是不經(jīng)濟的，尤其是采用特定齡期強度和斷裂參數(shù)開展廊道結構風險預判時，與真實抗裂安全系數(shù)往往存在很大的偏差。很多研究表明，養(yǎng)護環(huán)境溫濕度對廊道混凝土力學參數(shù)的發(fā)展影響很大，而且在很長一段時間內，廊道混凝土所面臨的的環(huán)境溫濕度是不斷變化的，因而采取特定齡期力學參數(shù)進行分析，就會造成很大的誤差，因此如果可以對不同環(huán)境下廊道混凝土的強度和斷裂性能參數(shù)進行預測，就可以對大壩廊道結構混凝土的工作狀態(tài)和開裂風險進行準確分析。

本文開展了不同溫濕度環(huán)境下大壩廊道結構混凝土的力學性能試驗，并基于試驗結果對強度和斷裂參數(shù)預測模型進行了分析，通過構建不同力學指標參數(shù)預測模型來進行廊道混凝土力學性能的預測，以期能為廊道結構開裂風險評估提供較為客觀精確的數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

1.1 原材料

廊道混凝土主要原材料包括P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥(密度1450kg/m3)、粉煤灰、砂(石灰?guī)r)、石子(石灰?guī)r，粒徑5～40mm)、SBTJM-Ⅱ緩凝Ⅱ型高效減水劑以及GYQ-I引氣劑。

1.2 配合比

廊道混凝土設計180d抗壓強度值為40MPa，坍落度為70～90mm，水膠比為0.42，粉煤灰摻量為總膠凝材料摻量的35%，砂率(質量)為34%，大壩廊道混凝土具體配合比見表1。

表1 大壩廊道混凝土具體配合比 單位：kg/m3

1.3 試驗方案

本文主要研究養(yǎng)護環(huán)境(包括溫度和濕度)對大壩廊道混凝土強度和斷裂性能的影響，根據(jù)施工現(xiàn)場歷年溫濕度變化情況，本次試驗共設計了10℃、20℃和40℃等3種養(yǎng)護溫度以及30%、60%和98% 3種養(yǎng)護濕度下的性能試驗。試驗共設計5種方案，分別為：T10RH98(溫度10℃、濕度98%)、T20RH98(溫度20℃、濕度98%)、T40RH98(溫度40℃、濕度98%)、T20RH60(溫度20℃、濕度60%)、T20RH30(溫度20℃、濕度30%)，具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

1.4 試驗方法

在每種溫濕度養(yǎng)護工況下分別養(yǎng)護至3、14、28、60和90d，在對應養(yǎng)護齡期下分別進行立方體抗壓和劈拉強度試驗(試件尺寸150mm×150mm×150mm)、彈性模量試驗(試件尺寸直徑150mm×高度300mm)、斷裂韌度和斷裂能試驗(試件尺寸300mm×300mm×120mm，初始縫高比為0.4)，每組試驗均進行3次，取平均值。試驗均按照《水工混凝土試驗規(guī)范》進行：立方體抗壓強度的加載速率為0.3MPa/s；劈裂抗拉試驗的加載速率為0.04MPa/s；彈性模量試驗先利用0.5MPa/s速率加載至超過軸壓強度的40%，然后以0.3MPa/s速率將試件壓壞為止；斷裂試驗采用楔入劈拉法，位移控制，加載速率為0.05mm/min。

2 試驗結果分析

2.1 溫濕度對強度的影響

不同溫濕度養(yǎng)護環(huán)境下大壩廊道混凝土強度指標變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可知：在同一養(yǎng)護環(huán)境下，混凝土的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量隨養(yǎng)護齡期呈逐漸增大的變化特征，在7～14d強度指標的增長速率最大，后期強度指標的增長速率有逐漸變緩的趨勢；相同養(yǎng)護濕度下，養(yǎng)護環(huán)境溫度越高，混凝土的強度指標越大，這主要是因為環(huán)境溫度在低于60℃養(yǎng)護時，不會對混凝土強度產(chǎn)生不利影響，溫度越高，就能加快混凝土內部膠凝材料的水化反應速率，從而使強度迅速得到提升；相同養(yǎng)護溫度下，濕度越高，混凝土的強度越大，但是在養(yǎng)護早期，由于環(huán)境中的水分可以滿足正常水化反應的需要，因而在7d齡期時，98%、60%和30%濕度下的強度指標基本相等，但是隨著養(yǎng)護齡期的增加，環(huán)境濕度對強度指標的影響將逐漸顯現(xiàn)。養(yǎng)護齡期90d后，T40RH98的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量比T20RH30分別高出了36.8%、31.4%和17.5%。

圖1 不同溫濕度環(huán)境下大壩廊道混凝土強度指標變化規(guī)律

2.2 溫濕度對斷裂性能的影響

不同溫濕度養(yǎng)護環(huán)境下大壩廊道混凝土斷裂性能指標變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可知：斷裂性能指標的變化規(guī)律與強度指標的變化規(guī)律基本一致；養(yǎng)護溫濕度越高，大壩廊道混凝土的斷裂性能越強，斷裂面的破壞也逐漸由骨料和砂漿之間的界面破壞轉變?yōu)橐怨橇蠟橹鞯臄嗔哑茐哪Ｊ?，這是因為在溫濕度越高，水化反應越充分，有助于提高骨料和砂漿之間的粘結強度，當二者的界面粘結強度大于骨料自身強度后，骨料就會發(fā)生相應的斷裂破壞，故而混凝土的斷裂破壞模式也會發(fā)生相應的轉變。養(yǎng)護齡期90d后，T40RH98的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能比T20RH30分別高出了30.1%、25.7%和33%。

圖2 不同溫濕度環(huán)境下大壩廊道混凝土斷裂性能指標變化規(guī)律

3 大壩廊道混凝土強度和斷裂參數(shù)預測模型

從試驗結果可知：在不同的溫濕度養(yǎng)護情況下，混凝土的強度和斷裂性能相差較大，然而在實際工程施工是，大壩廊道混凝土澆筑時間是不可控的，因而外界環(huán)境的溫濕度變化也是隨機的，在面對真實斷裂性能參數(shù)無法準確確定的情況下，為了降低大壩廊道混凝土的開裂風險，提高安全性，只能被迫采取偏保守的結構設計方案，從而導致工程經(jīng)濟上的浪費，故而有必要對任意環(huán)境參數(shù)下的混凝土強度和斷裂參數(shù)進行預測。

米正祥等通過大量研究試驗，構建了混凝土溫濕度成熟度函數(shù)：

(1)

式中，tc—等效齡期，d；α0、αu—初始和最終水化度，本文取值為0和1；T—養(yǎng)護環(huán)境溫度，℃；Tr—參考標準養(yǎng)護溫度，一般取值為20℃；m—微觀系數(shù)，本文取值為0；E—活化能，J/mol；R—氣體常量，取值為8.3144J/mol/K；Ha—養(yǎng)護濕度，%；γ—水分擴散系數(shù)，本文取值為1.1；t—養(yǎng)護時間，d。

根據(jù)等效齡期計算公式(1)，可分別得到不同溫濕度養(yǎng)護工況下的等效養(yǎng)護齡期，結果見表3。從表3中可知：養(yǎng)護溫濕度越高，同齡期下混凝土的等效齡期越大，當養(yǎng)護溫度從20℃提升至40℃后，等效齡期約為實際養(yǎng)護齡期的2.4倍；當養(yǎng)護溫度或者濕度不足時，會導致同齡期大壩廊道混凝土的等效齡期減小，當溫度從20℃降至10℃或者濕度從98%降至30%后，等效齡期僅為實際養(yǎng)護齡期的1/3～1/2。

根據(jù)不同溫濕度情況下的等效齡期計算結果，可以分別獲得大壩廊道混凝土強度和斷裂性能參數(shù)與等效齡期的關系，結果如圖3所示。從圖3中可知：大壩廊道混凝土的強度指標和斷裂性能指標與等效齡期之間呈良好的對數(shù)型函數(shù)關系，所有指標的擬合度R2均大于0.95，因此，可以用對數(shù)型函數(shù)模型來表征任意等效齡期下的強度或者斷裂指標。

圖3 強度和斷裂性能指標與等效齡期關系

Q=aln(tc)+b

(2)

式中，Q—大壩廊道混凝土強度或者斷裂性能指標；a、b—該指標的計算常數(shù)。

4 現(xiàn)場應用

在工程現(xiàn)場廊道拱頂和冷卻水管之間埋設了6支溫度計來采集大壩廊道混凝土的溫度，并在廊道內外設置小型氣象站來監(jiān)測環(huán)境濕度，從而獲得廊道混凝土的溫濕度實時變化曲線。根據(jù)所監(jiān)測到的逐日溫濕度數(shù)值，對混凝土的等效齡期進行計算，然后代入公式(2)中，分別得到了工程現(xiàn)場大壩廊道混凝土強度和斷裂性能參數(shù)預測值，并與現(xiàn)場鉆孔取芯試驗值進行了比較，結果見表4。

表4 工程現(xiàn)場實測與模型預測結果對比

從表4中可知：通過計算等效齡期然后利用對數(shù)型模型進行預測的強度和斷裂性能參數(shù)與現(xiàn)場取芯實測值雖然存在一定的誤差，但平均誤差小于5%，表明可以利用該方法對工程現(xiàn)場廊道混凝土的力學參數(shù)發(fā)展趨勢進行較為準確的預測，以便為工程采取合理的措施提供借鑒。

5 結語

對不同溫濕度工況下大壩廊道混凝土的強度和斷裂性能指標進行試驗，得出如下結論。

(1)養(yǎng)護溫濕度越高，混凝土水化反應越充分，強度和斷裂性能越高；養(yǎng)護濕度對于早期力學參數(shù)的影響不大。

(2)隨著養(yǎng)護溫濕度的升高，混凝土的破壞模式由骨料和砂漿之間的界面破壞轉變?yōu)橐怨橇蠟橹鞯臄嗔哑茐哪Ｊ健?/p>

(3)混凝土力學參數(shù)與等效齡期之間呈良好的對數(shù)型函數(shù)關系，利用該模型可以預測任意溫濕度環(huán)境下混凝土力學參數(shù)發(fā)展趨勢，現(xiàn)場取芯實測與預測結果的平均誤差不超過5%。

(4)不同配合比混凝土的等效齡期發(fā)展趨勢是不同的，本文僅是提供一種預測分析方法，針對具體工程還需要根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行具體分析。