岸坡防滲性材料水工混凝土單軸力學(xué)及透水試驗研究

陳 玲

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

水利工程中，混凝土材料應(yīng)用范圍較廣。研究混凝土材料的力學(xué)及滲透特性對提升混凝土配合比參數(shù)設(shè)計水平具有重要意義[1-3]。為此，張珂等[4]、劉東海等[5]、馬翔等[6]利用顆粒離散元仿真平臺計算了不同荷載工況下混凝土顆粒流模型的力學(xué)特征，對認識混凝土的力學(xué)特性具有重要作用。但不可忽視，由于混凝土顆粒流模型的試件尺寸、顆粒體形狀，甚至顆粒接觸狀態(tài)均會影響到最終仿真模擬計算結(jié)果。因而根據(jù)工程現(xiàn)場混凝土應(yīng)用范圍，采用相應(yīng)的原位監(jiān)測儀器或微震等監(jiān)測設(shè)備，可及時預(yù)判混凝土工程的失穩(wěn)前兆，對工程的安全運營具有重要參考意義[7-9]。不論是仿真計算亦或是現(xiàn)場監(jiān)測，利用室內(nèi)試驗手段，其結(jié)果更具可靠性，在工程設(shè)計中更具參考價值。因而，一些學(xué)者利用室內(nèi)巖土力學(xué)儀器，設(shè)計單軸、三軸等力學(xué)試驗或滲流實驗，探討混凝土材料的力學(xué)水平、滲流特征，并分析各種因素對其的影響，極大豐富了混凝土基礎(chǔ)力學(xué)研究成果[10-12]。本文根據(jù)混凝土不同配合比參數(shù)，設(shè)計單軸加載破壞與透水性試驗，研究砂率以及碳纖維摻量對混凝土的力學(xué)以及透水性影響，為工程實際應(yīng)用或設(shè)計提供一定參考。

2 試驗概況

2.1 試驗背景

區(qū)域內(nèi)河流是重要水資源來源渠道，利用該河流建設(shè)有發(fā)電站、蓄水池抽水泵站中轉(zhuǎn)樞紐、河道防洪堤壩等水利設(shè)施，總流域面積超過180 km2。上游水利發(fā)電樞紐工程年發(fā)電量可達600×104kW·h，為區(qū)域內(nèi)工業(yè)用電以及生活用電提供便利；抽水泵站是為區(qū)域內(nèi)水資源調(diào)度服務(wù)，南部水資源分布較多，因而抽水泵站與蓄水池共同構(gòu)建起高效水資源中轉(zhuǎn)樞紐，年可調(diào)度水量超過100×104m3；河道防洪堤壩設(shè)計為10年一遇洪峰流量51.6 m3/s，此參數(shù)主要針對于上游河流在雨季局部流量較高的情況，水文監(jiān)測上游最大流量可達50 m3/s，堤壩設(shè)計頂部高程為58.5 m，迎、背水側(cè)坡度均為1/1.5，采用多種土體材料為堆筑料，包括有黏土、砂土等土料，分層堆筑并壓實，監(jiān)測表明堤壩最大沉降不超過6 mm，另防滲系統(tǒng)采用防滲墻與土工布等共同構(gòu)建起防滲結(jié)構(gòu)，防滲墻厚度設(shè)計為60 cm，插入基巖深度1.6 m，按照堤防長度每100～150 m的間距設(shè)置防滲墻結(jié)構(gòu)，堤壩最大滲透坡降不超過0.3。現(xiàn)由于上游河流水利能量較大，對下游堤防岸坡坡身沖刷影響較顯著，導(dǎo)致坡身部分水土流失較嚴重，為此應(yīng)考慮對岸坡水土穩(wěn)定性以及防滲性開展加固處理。工程設(shè)計部門設(shè)計考慮利用水工混凝土材料作為坡面加固噴射材料，增強坡身抵抗水流沖刷的能力，由于對所采用的水工混凝土力學(xué)以及透水性認識不夠，特別是混凝土配合比參數(shù)設(shè)計存在較大盲區(qū)，因而有必要針對性開展配合比參數(shù)對混凝土力學(xué)、滲透特性的影響特征，為采用最佳配合比參數(shù)提供參考。根據(jù)實驗條件，本文借助室內(nèi)試驗手段，開展砂率、碳纖維摻量等配合比參數(shù)因素對水工混凝土材料力學(xué)以及透水特性影響性實驗。

2.2 試驗介紹

本文針對水工混凝土材料力學(xué)以及透水特性分別設(shè)計開展單軸壓縮破壞以及透水試驗，其中單軸壓縮試驗采用TAW-500型伺服式液壓控制試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)采用液壓程序控制，包括加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，加載系統(tǒng)最大軸向荷載可達500 kN，加載方式可采用力控與變形控制兩種方式，其中力控最大速率可達80 kN/min，變形控制最大速率為4 mm/min，兩種加載方式均可保證試樣在全過程按照預(yù)定計劃發(fā)生失穩(wěn)破壞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器監(jiān)測部分與數(shù)據(jù)自動處理部分，傳感器監(jiān)測內(nèi)容包括軸向變形、環(huán)向變形以及體積變形監(jiān)測部分，軸向變形傳感器量程為-10～10 mm，環(huán)向變形傳感器監(jiān)測最大值可達15 mm，所有監(jiān)測傳感器最大誤差不超過0.5%；數(shù)據(jù)自動處理部分以每間隔0.5 s進行自動繪圖，可全程實時讀取試樣加載過程中應(yīng)力變形狀態(tài)。透水性試驗采用簡單裝置的透水裝置，每間隔1 s記錄水頭變化，并測算出混凝土材料的透水系數(shù)，以此監(jiān)測混凝土試樣滲透特征。本試驗中，配合比參數(shù)變化的因素主要以砂率、碳纖維摻量為主，因而試驗方案以此兩因素開展對比性試驗分析。根據(jù)岸坡坡面混凝土材料砂率范圍，設(shè)定砂率分別為0%、2%、4%和6%，碳纖維摻量試驗組分別設(shè)定參數(shù)為0%、1%、2%和3%，每個試樣組中均是以單一變量因素作為研究對象，所制作的試樣見圖1，具體實驗方案見表1。

圖1 典型試樣圖

表1 試驗具體方案

透水試驗主要以滲透壓頭所施加的恒定水壓為自然滲透，實施步驟較易，試驗較繁瑣，以單軸壓縮為主。以下是單軸壓縮加載破壞試驗步驟：

1) 待已完成透水試驗的水工混凝土烘干后，在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護12 h，完成試驗前物理參數(shù)測定，置試樣于液壓控制試驗系統(tǒng)中。試樣兩端面中心應(yīng)與加載方向一致，安裝好監(jiān)測傳感器，在程序中設(shè)定好相關(guān)試樣的物理參數(shù)。

2) 開始軸向加載，全程均以變形控制加載，速率控制在0.02 mm/min，直至試驗發(fā)生失穩(wěn)破壞，停止加載。

3) 結(jié)束試驗，保存實驗數(shù)據(jù)，卸下試樣荷載與變形傳感器，更換試樣，重復(fù)進行上述操作。

3 混凝土單軸力學(xué)特征分析

3.1 砂率對混凝土力學(xué)特征影響

經(jīng)單軸壓縮加載破壞試驗獲得不同砂率影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖2。從圖2中可看出，砂率與混凝土加載應(yīng)力水平具有正相關(guān)關(guān)系，表明配合比參數(shù)中砂率愈大，愈有利于水工混凝土承載應(yīng)力的提高；當處于相同應(yīng)變1.2%時，砂率0%的混凝土試樣加載應(yīng)力為1.72 MPa，當砂率增大至2%、4%和6%后，相同條件下的加載應(yīng)力相比前者分別增大1.1倍、3.7倍和12.9倍。分析認為，當混凝土配合比參數(shù)砂率增大，則混凝土內(nèi)部粗細骨料的搭配性更好，砂子的存在能夠更好填充至混凝土顆粒骨架孔隙中，降低混凝土孔隙率，提升混凝土承載能力，進而表現(xiàn)在加載應(yīng)力水平較高[13-14]。從變形特征來看，砂率愈高，混凝土脆性變形特征愈強，線彈性變形能力愈強，表現(xiàn)在線彈性模量也愈大，砂率0%試樣的線彈性模量為3.2 MPa，而砂率4%、6%的試樣線彈性模量相比前者增大2.2倍、3.5倍，且高砂率試樣峰值應(yīng)力后應(yīng)力下跌現(xiàn)象較之更顯著，砂率6%混凝土試樣峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降幅度為64.2%，而砂率0%混凝土的下降幅度僅為16.5%，這與砂率增強了混凝土脆性變形破壞特征相對應(yīng)。另一個方面，4個砂率試樣峰值應(yīng)變隨砂率增大而遞減，應(yīng)變值分別為6.3%、4.7%、3.3%和2.4%，因而高砂率試樣應(yīng)注意防護混凝土的脆性破壞。

圖2 不同砂率水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3為不同砂率水工混凝土材料抗壓強度變化曲線。從圖3中可知，抗壓強度隨砂率增大而遞增，在碳纖維0%試驗組中，砂率0%試樣的抗壓強度為20.4 MPa，而砂率2%、6%混凝土抗壓強度相比前者分別增大11.6%、133.6%；當碳纖維增大至3%，該試驗組中砂率強度幅度增長效應(yīng)與前一碳纖維組并無較大差異，這與砂率設(shè)計參數(shù)對混凝土應(yīng)力影響為一致，且碳纖維的存在，并不影響砂率對水工混凝土強度的促進效應(yīng)。對比砂率在增長過程中強度增長效應(yīng)可知，初期砂率從0%增長至4%，抗壓強度增長37.4%，而砂率從4%增長至6%，抗壓強度陡增，幅度達72%，表明砂率愈大，抗壓強度增長愈顯著；從強度總體平均增長來看，當砂率增長2%，抗壓強度平均增長35%。

圖3 混凝土抗壓強度與砂率關(guān)系曲線

3.2 碳纖維對混凝土力學(xué)特征影響

同理獲得碳纖維摻量影響下混凝土力學(xué)特征，圖4為不同碳纖維摻量下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖4中可看出，碳纖維摻量對混凝土加載應(yīng)力亦有促進效應(yīng)。當處于相同應(yīng)變1.2%時，碳纖維摻量0%時試樣的加載應(yīng)力為2.2 MPa，而碳纖維摻量增長至1%、3%后，加載應(yīng)力相比前者分別增大18.2%、79.1%。由此可見，雖碳纖維摻量整體上可促進混凝土加載應(yīng)力水平，但不可忽視其對應(yīng)力水平的增長效應(yīng)影響較小，增長幅度并不顯著。從變形特征來看，各碳纖維摻量混凝土試樣無顯著差異性，線彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)變增長幅度基本一致，線彈性模量均保持在4.5 MPa左右；從峰值應(yīng)變來看，4個試樣的峰值應(yīng)變?yōu)?.8%，變化幅度較小，表明碳纖維摻量對混凝土變形特征影響亦較小。

圖4 不同碳纖維摻量下混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5為碳纖維摻量影響下的混凝土抗壓強度變化特征曲線。在砂率2%試驗組中，當碳纖維摻量為0%時，其抗壓強度為16.9 MPa，而碳纖維摻量增大至1%、3%后，抗壓強度相比前者分別增大11.1%、31.7%，增長幅度較小，從碳纖維摻量對強度增長的階段性來看，當碳纖維摻量增大1%，抗壓強度增長幅度平均僅為9.7%。綜上分析可知，碳纖維摻量整體上對混凝土試樣承載能力雖有提升，但其對水工混凝土力學(xué)特征影響程度較小。

圖5 混凝土抗壓強度與碳纖維摻量關(guān)系曲線

4 混凝土透水性分析

4.1 砂率對透水性影響

采用透水試驗獲得砂率對混凝土透水性影響，圖5為不同砂率水工混凝土試樣透水系數(shù)變化特征曲線。在碳纖維摻量0%試驗組中，砂率0%的透水系數(shù)為3.72 mm/s，而砂率為2%、4%和6%的透水系數(shù)相比前者分別降低27.7%、46.5%和55.9%。當砂率增大2%,透水系數(shù)平均降低23.7%，表明砂率愈大，可抑制水工混凝土的滲透性能。筆者認為，當混凝土配合比參數(shù)中砂率增大，則試樣顆粒骨架孔隙被細小石子填充程度增強，降低了孔隙度，這也抑制了混凝土試樣內(nèi)部滲透通道的發(fā)展，表現(xiàn)在透水系數(shù)降低的態(tài)勢。當碳纖維摻量增大至3%后，砂率對透水系數(shù)的抑制效應(yīng)更具顯著，砂率增大2%，透水系數(shù)平均降低53.3%，表明鋼纖維在混凝土試樣內(nèi)部的存在，對砂率抑制混凝土滲透性能的效果具有促進作用。

圖6 透水系數(shù)與砂率關(guān)系

4.2 碳纖維對透水性影響

同理，獲得碳纖維試驗組下混凝土透水系數(shù)變化特征，見圖7。從圖7中可知，碳纖維摻量與混凝土透水系數(shù)具有二次函數(shù)關(guān)系，且碳纖維對混凝土的透水性能為抑制效應(yīng)，在砂率2%試驗組中，碳纖維摻量0%的透水系數(shù)為3.71 mm/s，碳纖維摻量增大為1%、3%后，透水系數(shù)相比前者分別降低14.5%、58.8%，碳纖維摻量每增大1%，其透水系數(shù)平均可降低24.8%，相比之碳纖維對混凝土力學(xué)影響效應(yīng)，其對混凝土透水性影響顯著。分析可知，碳纖維與膠凝材料可發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉淀顆粒，不僅降低了混凝土流動性，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)局部的硬化固結(jié)，而且導(dǎo)致混凝土的滲透通道得到堵塞，表現(xiàn)在混凝土的滲透系數(shù)為降低的現(xiàn)象[15-16]。

圖7 透水系數(shù)與碳纖維摻量關(guān)系

5 結(jié) 論

1) 砂率與混凝土承載能力具有正相關(guān)關(guān)系，碳纖維1%試驗組下，砂率2%、6%混凝土抗壓強度相比前者分別增大11.6%、133.6%，且碳纖維的存在，并不影響砂率對混凝土強度的促進效應(yīng)；砂率愈高，混凝土線彈性模量以及強度增長幅度愈大，砂率從0%至4%，強度增長37.4%，而從4%至6%，抗壓強度增長幅度達72%。

2) 碳纖維對混凝土強度具有促進效應(yīng)，但增長幅度并不顯著，碳纖維摻量增大1%，強度增長幅度平均僅為9.7%；碳纖維摻量的改變，并不影響混凝土變形特征，同一砂率組下各纖維摻量混凝土的彈性模量均在4.5MPa左右。

3) 砂率的存在有助于抑制混凝土透水性能，砂率為2%、4%和6%的透水系數(shù)相比砂率0%下分別降低27.7%、46.5%和55.9%，碳纖維摻量0%下，砂率增大2%,透水系數(shù)平均降低23.7%，碳纖維摻量增大，砂率對透水系數(shù)的抑制效應(yīng)更顯著。

4) 碳纖維摻量與透水系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，碳纖維對混凝土的透水性能影響超過其對強度的影響效應(yīng)，碳纖維摻量每增大1%，其透水系數(shù)平均可降低24.8%。