大山水庫修復工程膠結混凝土力學試驗研究

趙雯雯

（臨沂市水利局，山東 臨沂 276000）

1 試驗概況

1.1 試驗背景

大山水庫大壩全長超過1 250 m，設計最大壩高達37.8 m，目前，由于臨港區大山水庫局部水利設施受運營年限較長，部分壩體、渠道以及水閘支撐結構等處均需修復，因而需要在原有結構基礎上進行膠結混凝土材料施工，為此，工程設計部門討論開展對此類混凝土材料力學特征影響因素開展分析，為工程建設調配最優膠結混凝土材料提供依據。

1.2 試驗介紹

為確保本試驗結果準確性與科學性，本試驗采用ST-RTS 巖石材料力學試驗系統。ST-RTS力學試驗系統最大可完成軸向荷載1 000 kN 試驗。數據采集設備包括有內置測試裝置與外接精密LVDT 傳感器設備，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。

本試驗所有樣品原材料均取自大山水庫修復工程場地，如試驗樣品所需的水泥、粗細骨料等，在室內按照相應的配合比參量進行調配。本文主要研究膠結混凝土材料的含氣量、粉煤灰摻量對力學特征影響，針對含氣量影響因素，膠結材料在配合比中通過控制引氣劑，使膠結材料含氣量滿足目標參量要求，在搭配一致的42.5 級水泥及其他混合料，制備出滿足規范要求的直徑、高度均為50 mm、100 mm 試樣，并且所有試樣均經加工、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，達到滿足試驗參量要求。所有試樣在制備后均在養護箱內養護14 d，再進行12 h 的20 MPa圍壓損傷愈合養護，降低初始加工損傷效應，使試樣物理特性在試驗前具有一致性。本試驗中含氣量與粉煤灰摻量試驗組分別為A、B 組，其中含氣量對比組中分別為含氣量1%、3%、6%、9%、12%，而粉煤灰試驗組中設定摻量為0%、5%、10%、15%、20%、25%，各試驗組中僅改變單一摻量因素，其他配合比參數保持一致，具體方案如表1 所示。

表1 各組膠結混凝土試樣含氣量與粉煤灰摻量

2 含氣量對膠結材料力學特征影響

2.1 應力應變特征

根據不同試驗組下膠結材料單軸加載破壞試驗，獲得含氣量影響下膠結材料試樣應力應變特征，如圖1 所示。從圖中可看出，膠結材料試樣加載應力水平與含氣量具有負相關關系，在粉煤灰摻量5%試驗組中，加載應變1%下含氣量1%試樣對應的加載應力為26.2 MPa，與之同時含氣量6%、12%試樣加載應力較前者分別減少了63.6%、81.6%；而當位于粉煤灰摻量為20%試驗組中，相同應變1%下含氣量6%、12%試樣的加載應力與含氣量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力水平差異。當膠結材料中增添有定量的引氣劑，導致膠結材料內部具有相應的空氣占比，實質上形成了內部孔隙通道，對膠結材料顆粒骨架結構穩定性具有一定損害性，進而形成承載應力水平降低的現象；當粉煤灰摻量增多后，粉煤灰較細顆粒粒徑可進入引氣劑造成的內部孔隙中，可一定程度縮小不同引氣劑含量造成的承載應力差異。

圖1 含氣量影響下膠結材料應力應變特征

從變形特征來看，各含氣量試驗組試樣在峰值應力后期變形破壞特征具有差異性，當含氣量愈高時，峰值應力后為延性破壞特征，而含氣量較低時，試樣為脆性破壞特征，峰值應力后呈顯著下跌現象。當含氣量較低時，膠結材料整體硬脆性特征較強，因而峰值應力后應力下跌迅速。從線彈性變形階段可看出，兩個粉煤灰摻量試驗組中，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影響膠結材料線彈性變形能力。另從峰值應變、最大應變參數可知，含氣量愈多試樣的峰值應變、最大應變愈大，在圖2（a）組中含氣量1%~12%試樣峰值應變分別為1.28%、1.5%、1.67%、1.86%、2.1%，由此可知，含氣量對膠結材料變形特征影響為正向促進效應。

圖2 各含氣量試樣抗壓強度變化特征

2.2 力學強度特征

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

3 粉煤灰摻量對材料力學特征影響

3.1 應力應變特征

如圖3 所示，當粉煤灰摻量為15%時，試樣加載應力水平為各粉煤灰摻量試驗組中最高，在加載應變1%時粉煤灰摻量0%試樣的加載應力為11.05 MPa，而摻量5%、15%試樣同等應變下加載應力較前者分別增長了20.5%、109.6%，而摻量20%、25%試樣加載應力相比摻量15%在相同應變下分別降低了36.1%、47.4%，即粉煤灰摻量對試樣加載應力影響具有階段轉變節點。當粉煤灰摻量為0%~15%時，試樣加載應力水平與摻量具有正相關關系，而摻量超過15%后，試樣加載應力水平為降低現象。分析認為，粉煤灰摻量對膠結材料承載應力水平影響具有合理參數特征，即存在合理粉煤灰摻量值，只有當位于合理摻量值左右時，膠結材料承載應力才為最大。

圖3 粉煤灰摻量影響下膠結材料應力應變特征

從變形特征可知，彈性模量參數與加載應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%。從峰值應變亦可看出，粉煤灰摻量對峰值應變、最大應變參數影響無顯著性規律，粉煤灰摻量0%~25%六個試樣的峰值應變分別為1.45%、1.51%、1.52%、1.3%、1.48%、1.43%。

3.2 力學強度特征

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

圖4 各粉煤灰摻量試樣抗壓強度變化特征

4 結 語

1）膠結材料試樣加載應力值與含氣量具有負相關關系，粉煤灰摻量增大，膠結材料受含氣量影響效應降低，且含氣量與試樣強度呈線性函數關系；粉煤灰摻量0%、20%試驗組中，含氣量每增長3%，試樣強度平均降低34.6%、12.6%。

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

3）含氣量對膠結材料彈性模量具有負相關作用，且含氣量較高時峰值應力后為延性破壞特征，含氣量愈多，試樣峰值應變、最大應變愈大，但粉煤灰摻量影響下的膠結材料應變參量無顯著性規律。