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）

農業生產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業灌溉的重要手段。因此，研究輸水灌渠長期運營穩定性具有重要意義[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值仿真計算模型，模擬工況中荷載、溫度等變化，分析數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]。由于數值計算有時過于理想化，根據已有輸水灌渠工程設計開展參照性研究很有必要。研究主要根據已有工程的長期監測數據分析，預判工程失穩及滲透破壞狀態，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定性很有必要，楊春旗、方小婉等、武允超借助室內試驗手段，開展相應的壓縮、拉伸試驗，獲得材料力學特征變化，為實際工程參數設計優化提供依據[10-12]。根據蘇北地區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

蘇北地區是華東地區重要農業生產區域，但水資源分布不均造成部分農田生產季節出現缺水、少水等現象，水利管理部門考慮對該區域內輸水灌渠進行修繕，以提升區域農田水利用水安全性。根據研究區段內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，極大約束了農業用水自由度，導致灌區灌溉保證率大大降低。通過灌渠流經區域調研發現，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、數據采集、監測等系統，如圖1所示。加載系統可完成拉伸、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尺寸試樣試驗。數據采集系統可選擇間隔0.5～10 s采集，數據可通過計算機在加載試驗過程中實時呈現。軸向位移傳感器測試范圍為-15～15 mm，環向位移最大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工作環境，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護齡期與防滲混凝土配合比中的化學凝劑含量，養護齡期分別選取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保持一致，水灰比控制在0.4，各方案具體參數詳見表1。

表1 各組試樣試驗參數

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）以軸向變形速率穩步加載，試樣拉伸裂紋處于穩定裂變發展，直至試樣發生拉伸破壞，停止拉伸加載。

（3）結束試驗后數據存盤，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 養護齡期影響

不同養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據如圖2所示。從圖2可知，養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，表明養護齡期愈長，試樣內部顆粒骨架結構粘結穩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%，極限應變與養護齡期為正相關關系，養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%?；炷琉B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。從強度與養護齡期關系可知，兩者具有對數函數關系，且為正相關，當養護齡期為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%，表明隨養護齡期增長，強度增長幅度顯著降低。以養護齡期14 d強度增長幅度最大，此可為工程確定最優養護齡期提供參考。

圖3 養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據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，這與化學凝劑物質成分有關，凝劑成分主要為粘結性強的人工合成材料物質，添入混凝土試樣中后在一定養護齡期內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。上述數據表明，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

不同養護齡期的混凝土試樣應力位移特征如圖6所示，養護齡期愈大，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下抗壓強度的10.5%。分析混凝土拉伸力學特性與養護齡期關系可知，混凝土養護齡期愈長，試樣間接拉伸強度愈大。從各養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護齡期關系如圖7所示，單位齡期內強度增長幅度參數η計算公式為：

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

從圖7可看出，抗拉強度與養護齡期具有對數函數關系，混凝土抗拉強度增長幅度參數以齡期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看，可認為齡期14 d最佳。

圖7 養護齡期影響下混凝土抗拉強度與幅度參數特征

4 結論

（1）養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??；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，而相同試驗參數下的抗拉強度僅為其抗壓強度的10.5%；抗拉強度與養護齡期具有對數函數關系，抗拉強度增長幅度參數以齡期7～14 d為最大。