不同環(huán)境下大壩廊道混凝土力學(xué)性能預(yù)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(shè)計(jì)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(chǔ)灌漿、設(shè)備控制等重要通道或者結(jié)構(gòu)，由于廊道的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力十分復(fù)雜，使得廊道結(jié)構(gòu)混凝土在施工、運(yùn)營乃至維護(hù)期很容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因而有必要對(duì)廊道結(jié)構(gòu)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行專項(xiàng)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(shè)計(jì)強(qiáng)度一般偏高，但是此種方法往往是不經(jīng)濟(jì)的，尤其是采用特定齡期強(qiáng)度和斷裂參數(shù)開展廊道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判時(shí)，與真實(shí)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(hù)環(huán)境溫濕度對(duì)廊道混凝土力學(xué)參數(shù)的發(fā)展影響很大，而且在很長一段時(shí)間內(nèi)，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(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，就會(huì)造成很大的誤差，因此如果可以對(duì)不同環(huán)境下廊道混凝土的強(qiáng)度和斷裂性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，就可以對(duì)大壩廊道結(jié)構(gòu)混凝土的工作狀態(tài)和開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

本文開展了不同溫濕度環(huán)境下大壩廊道結(jié)構(gòu)混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)強(qiáng)度和斷裂參數(shù)預(yù)測模型進(jìn)行了分析，通過構(gòu)建不同力學(xué)指標(biāo)參數(shù)預(yù)測模型來進(jìn)行廊道混凝土力學(xué)性能的預(yù)測，以期能為廊道結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供較為客觀精確的數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)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(shè)計(jì)180d抗壓強(qiáng)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(zhì)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(yàn)方案

本文主要研究養(yǎng)護(hù)環(huán)境(包括溫度和濕度)對(duì)大壩廊道混凝土強(qiáng)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(yàn)共設(shè)計(jì)了10℃、20℃和40℃等3種養(yǎng)護(hù)溫度以及30%、60%和98% 3種養(yǎng)護(hù)濕度下的性能試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)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(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)方法

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

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫濕度對(duì)強(qiáng)度的影響

不同溫濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境下大壩廊道混凝土強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律如圖1所示。從圖1中可知：在同一養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期呈逐漸增大的變化特征，在7～14d強(qiáng)度指標(biāo)的增長速率最大，后期強(qiáng)度指標(biāo)的增長速率有逐漸變緩的趨勢(shì)；相同養(yǎng)護(hù)濕度下，養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度越高，混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)越大，這主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度在低于60℃養(yǎng)護(hù)時(shí)，不會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，溫度越高，就能加快混凝土內(nèi)部膠凝材料的水化反應(yīng)速率，從而使強(qiáng)度迅速得到提升；相同養(yǎng)護(hù)溫度下，濕度越高，混凝土的強(qiáng)度越大，但是在養(yǎng)護(hù)早期，由于環(huán)境中的水分可以滿足正常水化反應(yīng)的需要，因而在7d齡期時(shí)，98%、60%和30%濕度下的強(qiáng)度指標(biāo)基本相等，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，環(huán)境濕度對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響將逐漸顯現(xiàn)。養(yǎng)護(hù)齡期90d后，T40RH98的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律

2.2 溫濕度對(duì)斷裂性能的影響

不同溫濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境下大壩廊道混凝土斷裂性能指標(biāo)變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可知：斷裂性能指標(biāo)的變化規(guī)律與強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律基本一致；養(yǎng)護(hù)溫濕度越高，大壩廊道混凝土的斷裂性能越強(qiáng)，斷裂面的破壞也逐漸由骨料和砂漿之間的界面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨橇蠟橹鞯臄嗔哑茐哪Ｊ剑@是因?yàn)樵跍貪穸仍礁撸磻?yīng)越充分，有助于提高骨料和砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)二者的界面粘結(jié)強(qiáng)度大于骨料自身強(qiáng)度后，骨料就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的斷裂破壞，故而混凝土的斷裂破壞模式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。養(yǎng)護(hù)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(biāo)變化規(guī)律

3 大壩廊道混凝土強(qiáng)度和斷裂參數(shù)預(yù)測模型

從試驗(yàn)結(jié)果可知：在不同的溫濕度養(yǎng)護(hù)情況下，混凝土的強(qiáng)度和斷裂性能相差較大，然而在實(shí)際工程施工是，大壩廊道混凝土澆筑時(shí)間是不可控的，因而外界環(huán)境的溫濕度變化也是隨機(jī)的，在面對(duì)真實(shí)斷裂性能參數(shù)無法準(zhǔn)確確定的情況下，為了降低大壩廊道混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高安全性，只能被迫采取偏保守的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從而導(dǎo)致工程經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，故而有必要對(duì)任意環(huán)境參數(shù)下的混凝土強(qiáng)度和斷裂參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

米正祥等通過大量研究試驗(yàn)，構(gòu)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(hù)環(huán)境溫度，℃；Tr—參考標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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—?dú)怏w常量，取值為8.3144J/mol/K；Ha—養(yǎng)護(hù)濕度，%；γ—水分?jǐn)U散系數(shù)，本文取值為1.1；t—養(yǎng)護(hù)時(shí)間，d。

根據(jù)等效齡期計(jì)算公式(1)，可分別得到不同溫濕度養(yǎng)護(hù)工況下的等效養(yǎng)護(hù)齡期，結(jié)果見表3。從表3中可知：養(yǎng)護(hù)溫濕度越高，同齡期下混凝土的等效齡期越大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度從20℃提升至40℃后，等效齡期約為實(shí)際養(yǎng)護(hù)齡期的2.4倍；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度或者濕度不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致同齡期大壩廊道混凝土的等效齡期減小，當(dāng)溫度從20℃降至10℃或者濕度從98%降至30%后，等效齡期僅為實(shí)際養(yǎng)護(hù)齡期的1/3～1/2。

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

圖3 強(qiáng)度和斷裂性能指標(biāo)與等效齡期關(guān)系

Q=aln(tc)+b

(2)

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

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在工程現(xiàn)場廊道拱頂和冷卻水管之間埋設(shè)了6支溫度計(jì)來采集大壩廊道混凝土的溫度，并在廊道內(nèi)外設(shè)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(shí)時(shí)變化曲線。根據(jù)所監(jiān)測到的逐日溫濕度數(shù)值，對(duì)混凝土的等效齡期進(jìn)行計(jì)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(qiáng)度和斷裂性能參數(shù)預(yù)測值，并與現(xiàn)場鉆孔取芯試驗(yàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果見表4。

表4 工程現(xiàn)場實(shí)測與模型預(yù)測結(jié)果對(duì)比

從表4中可知：通過計(jì)算等效齡期然后利用對(duì)數(shù)型模型進(jìn)行預(yù)測的強(qiáng)度和斷裂性能參數(shù)與現(xiàn)場取芯實(shí)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(duì)工程現(xiàn)場廊道混凝土的力學(xué)參數(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，以便為工程采取合理的措施提供借鑒。

5 結(jié)語

對(duì)不同溫濕度工況下大壩廊道混凝土的強(qiáng)度和斷裂性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1)養(yǎng)護(hù)溫濕度越高，混凝土水化反應(yīng)越充分，強(qiáng)度和斷裂性能越高；養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)于早期力學(xué)參數(shù)的影響不大。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)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(zhuǎn)變?yōu)橐怨橇蠟橹鞯臄嗔哑茐哪Ｊ健?/p>

(3)混凝土力學(xué)參數(shù)與等效齡期之間呈良好的對(duì)數(shù)型函數(shù)關(guān)系，利用該模型可以預(yù)測任意溫濕度環(huán)境下混凝土力學(xué)參數(shù)發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)場取芯實(shí)測與預(yù)測結(jié)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(shì)是不同的，本文僅是提供一種預(yù)測分析方法，針對(duì)具體工程還需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。