輸水灌渠防滲結構混凝土材料拉、壓力學特性分析

鮑耀，張旭

（1.淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇漣水223400；2.江蘇治淮建設工程有限公司，江蘇淮安223300）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水保證率與輸水灌渠安全運營密切相關，提升灌渠水資源輸送效率是確保農(nóng)業(yè)灌溉的重要手段。因此，研究輸水灌渠長期運營穩(wěn)定性具有重要意義[1-3]。張雨萌等、姚娟娟等、蔣兵利用輸水灌渠工程運營荷載設計數(shù)值仿真計算模型，模擬工況中荷載、溫度等變化，分析數(shù)值模型計算結果差異性，為實際輸水灌渠工程設計提供參考[4-6]。由于數(shù)值計算有時過于理想化，根據(jù)已有輸水灌渠工程設計開展參照性研究很有必要。研究主要根據(jù)已有工程的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，預判工程失穩(wěn)及滲透破壞狀態(tài)，為其他工程設計及已有工程運營提供指導[7-9]。由于輸水灌渠工程運營安全穩(wěn)定性與原材料有關，探討工程材料特別是混凝土等常用材料的力學穩(wěn)定性很有必要，楊春旗、方小婉等、武允超借助室內(nèi)試驗手段，開展相應的壓縮、拉伸試驗，獲得材料力學特征變化，為實際工程參數(shù)設計優(yōu)化提供依據(jù)[10-12]。根據(jù)蘇北地區(qū)輸水灌渠防滲結構混凝土材料拉、壓力學特性問題，開展力學試驗，研究力學特性影響變化規(guī)律，為工程實際設計提供參考。

1 防滲結構混凝土材料試驗介紹

1.1 工程背景

蘇北地區(qū)是華東地區(qū)重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，但水資源分布不均造成部分農(nóng)田生產(chǎn)季節(jié)出現(xiàn)缺水、少水等現(xiàn)象，水利管理部門考慮對該區(qū)域內(nèi)輸水灌渠進行修繕，以提升區(qū)域農(nóng)田水利用水安全性。根據(jù)研究區(qū)段內(nèi)的輸水灌渠初步踏勘可知，渠道全長132 km，包括3條干渠及多條支渠、3個大型水閘設施與多個重要引水渡槽等，可滿足超過3.33萬hm2農(nóng)田灌溉需要。渠道原設計引水流量28 m3/s，運營實測表明最大引水流量僅20 m3/s，年運營引水流量12～15 m3/s，極大約束了農(nóng)業(yè)用水自由度，導致灌區(qū)灌溉保證率大大降低。通過灌渠流經(jīng)區(qū)域調(diào)研發(fā)現(xiàn)，渠道輸水效率降低很大程度上與灌渠防滲結構失效有關。原防滲結構以摻廢渣混凝土料為主，由于初期引水流量較大，使得混凝土料受到較大損傷，造成防滲系統(tǒng)失效。結合本輸水灌渠工程中防滲結構混凝土材料的使用環(huán)境，有必要對防滲混凝土材料的力學特性開展探討，為加固工程防滲系統(tǒng)提供重要參考。

1.2 試驗概況

為確保計算結果可靠，選擇1 000 W液壓混凝土材料試驗儀器開展防滲混凝土力學加載試驗，該儀器包括液壓加載、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測等系統(tǒng)，如圖1所示。加載系統(tǒng)可完成拉伸、壓縮加載等單軸試驗，也可配合三軸箱完成三軸加載試驗，最大荷載可達1 000 kN，最大誤差不超過1%，最小可獲取0.001 kN，可完成圓柱形徑高比1/2或1/3等多種類型尺寸試樣試驗，最大試樣直徑150 mm，也可完成諸如長方體等形態(tài)尺寸試樣試驗。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可選擇間隔0.5～10 s采集，數(shù)據(jù)可通過計算機在加載試驗過程中實時呈現(xiàn)。軸向位移傳感器測試范圍為-15～15 mm，環(huán)向位移最大20 mm。荷載加載方式可采用荷載速率控制與變形速率控制2種方式，其中變形控制方式包括軸向變形加載與環(huán)向變形加載等，軸向變形速率最大為10 mm/min。本次試驗采用變形控制加載，速率穩(wěn)定在0.04 mm/min，而拉伸力學試驗變形控制速率為0.01 mm/min。

圖1 1 000 W液壓混凝土材料試驗儀器

結合輸水灌渠防滲系統(tǒng)工作環(huán)境，試驗分為拉伸與壓縮2個類型，混凝土力學特性影響因素分別選取工程中使用的養(yǎng)護齡期與防滲混凝土配合比中的化學凝劑含量，養(yǎng)護齡期分別選取7、14、28、36、50 d，而化學凝劑含量分別設定為2%、4%、6%、8%、10%，各方案混凝土水泥與砂率等配合比參數(shù)保持一致，水灰比控制在0.4，各方案具體參數(shù)詳見表1。

表1 各組試樣試驗參數(shù)

間接拉伸試驗相比壓縮力學試驗步驟較復雜，簡要介紹拉伸力學試驗。

（1）間接拉伸試驗采用圓盤劈裂方式，將養(yǎng)護后混凝土試樣安裝在夾頭中，并確保拉伸荷載中心與夾頭保持同一豎向方向，安裝好相關位移傳感器，并在加載前再次檢查試樣拉伸夾頭與試樣端面的平行度。

（2）以軸向變形速率穩(wěn)步加載，試樣拉伸裂紋處于穩(wěn)定裂變發(fā)展，直至試樣發(fā)生拉伸破壞，停止拉伸加載。

（3）結束試驗后數(shù)據(jù)存盤，更換其他組試樣重復上述步驟。

2 混凝土壓縮力學特性分析

2.1 養(yǎng)護齡期影響

不同養(yǎng)護齡期下混凝土試樣壓縮力學試驗，獲得混凝土應力應變數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2可知，養(yǎng)護齡期與混凝土承載應力關系呈正相關，加載應變1%時對應的齡期7 d試樣的應力為15.2 MPa，而齡期14、36、50 d試樣的峰值應力相比前者分別增大了82.4%、1.43倍、2.11倍，表明養(yǎng)護齡期愈長，試樣內(nèi)部顆粒骨架結構粘結穩(wěn)固性與顆粒礦物咬合摩擦性愈強，膠凝材料包裹混凝土主骨架更充分，表現(xiàn)在混凝土承載水平較高。對比不同試樣的極限應變可知，以齡期50 d試樣的極限應變最大，達7.26%，而齡期7、28 d極限應變分別為4.89%、6.11%，極限應變與養(yǎng)護齡期為正相關關系，養(yǎng)護齡期愈長可促進混凝土材料變形能力。從不同齡期試樣線彈性變形階段可知，齡期愈長，線彈性模量愈大。養(yǎng)護齡期50 d試樣的線彈性模量為46.6 MPa，而齡期7、14、28 d試樣線彈性模量相比前者分別降低了63%、48.3%、35.7%。混凝土養(yǎng)護齡期愈長，試樣主骨架與膠凝材料的充分結合降低了混凝土內(nèi)部孔隙的擴展演變，促使試樣脆性變形特征得到加強，因而線彈性模量較高。

圖2 養(yǎng)護齡期影響下混凝土應力應變關系

不同齡期混凝土試樣抗壓強度變化特征，如圖3所示。從強度與養(yǎng)護齡期關系可知，兩者具有對數(shù)函數(shù)關系，且為正相關，當養(yǎng)護齡期為7 d時混凝土強度為36.3 MPa，而齡期36、50 d試樣強度相比前者分別增大了35.9%、41.5%；從養(yǎng)護齡期促進強度增長幅度來看，齡期7 d與14 d間強度增長了18.6%，而在齡期14 d與28 d間強度增長幅度降低為11.7%，而齡期36 d與50 d間強度增長幅度為4.1%，表明隨養(yǎng)護齡期增長，強度增長幅度顯著降低。以養(yǎng)護齡期14 d強度增長幅度最大，此可為工程確定最優(yōu)養(yǎng)護齡期提供參考。

圖3 養(yǎng)護齡期影響下混凝土抗壓強度特征

2.2 化學凝劑含量

由不同凝劑含量混凝土試樣壓縮力學數(shù)據(jù)獲得凝劑含量影響下混凝土應力應變，如圖4所示。從圖4可知，凝劑含量愈大，混凝土試樣應力水平愈低。在相同應變1.4%時，凝劑含量2%試樣加載應力為52.2 MPa，而含量6%、10%試樣加載應力相比前者分別降低了9.2%、29.1%。從凝劑含量對試樣承載應力抑制效應可知，化學凝劑含量雖對混凝土材料防滲性具有提升作用，但對承載能力有所削弱。分析認為，這與化學凝劑物質(zhì)成分有關，凝劑成分主要為粘結性強的人工合成材料物質(zhì)，添入混凝土試樣中后在一定養(yǎng)護齡期內(nèi)逐步運動到混凝土骨架顆粒的各個孔隙間，雖可拉近孔隙間距離，但由于其強度遠低于混凝土自身顆粒材料，因而凝劑含量愈多，愈增大了試樣內(nèi)部承載薄弱面，降低了混凝土承載應力。從變形特征來看，各凝劑含量不同試樣的應力應變差異在應力達到37 MPa后才顯著，即進入屈服塑性變形階段后，絮凝劑含量對混凝土試樣承載差異性影響較大，這是因為絮凝劑含量在未進入屈服變形階段前試樣具有相同物性。

圖4 凝劑含量影響下混凝土應力應變關系

絮凝劑含量對混凝土試樣強度影響特性，如圖5所示。在養(yǎng)護齡期7 d時凝劑含量2%試樣抗壓強度為53.8 MPa，而含量4%、8%、10%試樣強度相比前者分別降低了4.4%、22%、28.6%；當凝劑含量增大2%，平均可導致混凝土試樣強度損失8.1%。齡期增大至14、36 d后，凝劑含量增大2%，強度損失幅度分別為5.6%、3.8%，表明養(yǎng)護齡期增長可削弱化學凝劑成分對混凝土強度的抑制效應。上述數(shù)據(jù)表明，混凝土強度與絮凝劑含量具有負相關特征，合適的凝劑含量有利于保持強度穩(wěn)定性。從絮凝劑含量強度損失幅度可知，當凝劑含量超過8%，齡期7 d時凝劑含量10%的試樣強度較8%降低了10.4%，而凝劑含量8%以下的試樣強度降低幅度并無前者高，從混凝土材料力學穩(wěn)定性與防滲性考慮，選擇凝劑含量8%更有利。

圖5 凝劑含量影響下混凝土抗壓強度特征

3 混凝土拉伸力學特性分析

不同養(yǎng)護齡期的混凝土試樣應力位移特征如圖6所示，養(yǎng)護齡期愈大，試樣拉伸應力水平愈高。齡期7 d時試樣抗拉強度為4 MPa，而齡期14、28、50 d時試樣抗拉強度分別是前者的1.12、1.21和1.3倍。對比混凝土抗壓強度與抗拉強度差異可知，齡期7 d時試樣抗拉強度僅為相同試驗參數(shù)下抗壓強度的10.5%。分析混凝土拉伸力學特性與養(yǎng)護齡期關系可知，混凝土養(yǎng)護齡期愈長，試樣間接拉伸強度愈大。從各養(yǎng)護齡期試樣峰值拉伸位移可看出，齡期愈長，峰值位移愈小，齡期7 d試樣的峰值位移為0.17 mm，齡期增至14、28、50 d后的峰值位移分別為0.13、0.1、0.07 mm，這表明齡期加長混凝土峰值變形能力受到約束作用。

圖6 養(yǎng)護齡期影響下混凝土拉伸應力應變關系

混凝土抗拉強度與養(yǎng)護齡期關系如圖7所示，單位齡期內(nèi)強度增長幅度參數(shù)η計算公式為：

式中：RT1，RT2分別指T1，T2養(yǎng)護齡期下的抗拉強度（MPa）；T1，T2分別指養(yǎng)護齡期（d）。

從圖7可看出，抗拉強度與養(yǎng)護齡期具有對數(shù)函數(shù)關系，混凝土抗拉強度增長幅度參數(shù)以齡期7～14 d為最大，達0.16 MPa/d，齡期14～28 d為0.005 MPa/d，而齡期36～50 d僅為0.002 5 MPa/d；從混凝土試樣抗拉強度表現(xiàn)看，可認為齡期14 d最佳。

圖7 養(yǎng)護齡期影響下混凝土抗拉強度與幅度參數(shù)特征

4 結論

（1）養(yǎng)護齡期與混凝土承載應力關系呈正相關，齡期36、50 d試樣強度相比7 d分別增大了35.9%、41.5%，養(yǎng)護齡期14 d強度增長幅度最大；齡期愈長，混凝土極限應變與線彈性模量均愈大，齡期7、14、28 d試樣線彈性模量相比50 d分別降低了63%、48.3%、35.7%。

（2）凝劑含量愈大，混凝土試樣應力水平愈低，齡期7 d時含量4%、8%、10%試樣強度相比含量2%分別降低了4.4%、22%、28.6%；含量增加2%，試樣強度平均損失8.1%。但齡期愈大，損失幅度有所降低，且含量8%下強度降低幅度較小；各凝劑不同試樣的力學差異在屈服塑性變形階段較顯著。

（3）養(yǎng)護齡期愈大，混凝土拉伸應力愈高，但峰值位移愈小，齡期14、28、50 d試樣抗拉強度分別是7 d的1.12、1.21和1.3倍，而相同試驗參數(shù)下的抗拉強度僅為其抗壓強度的10.5%；抗拉強度與養(yǎng)護齡期具有對數(shù)函數(shù)關系，抗拉強度增長幅度參數(shù)以齡期7～14 d為最大。