大型灌区现役衬砌模袋混凝土渠道力学性能检验

李亚童，申向东，高 矗，刘 昱(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

河套灌区位于中国内蒙古自治区西部的巴彦淖尔市，西接乌兰布和沙漠，东至包头市九原区，南临黄河，北抵阴山，是中国设计灌溉面积最大的灌区之一。黄河流经灌区南部边缘345 km，灌区引黄灌溉条件便利，年均引黄用水量约38亿m3左右，然而面对黄河水资源日益紧缺、用水高峰难错的严峻形势，河套灌区建设进入以节水改造为目的的新阶段。从2005年开始灌区逐步进行节水改造工程，其主要内容为渠道衬砌防渗改造及建筑物配套工程。近些年因模袋混凝土具有整体性能好，强度高、耐磨、抗化学腐蚀等特点常被用到护坡、护底、防渗工程中[1]，逐步替代了以往混凝土砌块衬砌。河套灌区节水改造工程将其作为一种新型现浇混凝土技术运用到一干渠、总干渠、丰济渠、沙河渠和南二分干渠等5处渠道衬砌中。截止2014年5月，5处模袋混凝土衬砌工作已相继完工。由于在河套灌区渠道防渗工程中首次使用模袋混凝土，针对于河套灌区夏季高温干旱、冬季严寒少雪、无霜期短、封冻期长的地域和气候特点，有关在役模袋混凝土的力学性能及耐久性的研究较少，缺乏系统和合理的评价。因此本文将利用钻芯法直接检测混凝土强度并通过应力应变分析及电子显微镜扫描从宏观与微观两方面对河套灌区在役衬砌模袋混凝土渠道的力学性能进行系统的质量检验检测及科学的评估，使其可以在河套灌区以及北方寒旱区大面积的应用推广。

1 钻芯法检测现役渠道模袋混凝土强度

近年来随着混凝土结构无损检测技术的发展，无损检测技术在质量监控、工程验收、已建工程的安全性评价方面发挥了无可替代的重要作用[2]。其中分为非破损法、半破损法和综合法三种。对于已投入使用的水工建筑来说，钻芯法可以直接从渠道上钻取芯样，可直接测得混凝土的抗压强度，不需进行某种物理量与强度之间的换算，具有不受混凝土龄期限制、测试结果误差范围小、直观、能真实地反映混凝土强度等诸多优点[3]。因此本文采用钻芯法检测混凝土强度。由于目前国内外对于模袋混凝土取芯技术并未提出相应的技术规范，在此文中将参照普通混凝土取芯方法进行操作。

1.1 模袋混凝土芯样的制取

本工程中使用的主要工具是HZ-15混凝土钻孔取芯机和人造金刚石薄壁钻头。首先把钻机固定于被测混凝土渠道表面，由于衬渠属于素混凝土所以不必考虑钢筋及预埋件位置，然后人工把持钻机缓慢钻入、匀速钻进，对钻头连续加水冷却[4]。由于模袋混凝土要求混凝土的流动性大，从而工程中混凝土的粗骨料最大粒径均小于一般混凝土粗骨料的最大粒径，所以本次取芯直径为75 mm，芯样钻取长度根据现场模袋混凝土的三种厚度进行取样，分别为100、120、150 mm。

1.2 模袋混凝土芯样的加工

因为模袋混凝土具有很强的可塑性，需要对其进行切割磨平等工序，使用红外线切割机对现场钻取的模袋混凝土芯样进行二次加工，去掉两端不平整处，使芯样的高径比为1。在切割时要特别小心，避免蹦边等现象出现，以免对芯样的抗压强度值产生影响。

2 模袋混凝土抗压强度检测批中异常值的剔除

由于钻芯法属于半破损的检测手段，所以当进行钻芯位置的选择、芯样尺寸确定、取芯机的安装、芯样的二次加工及进行抗压强度试验等这些相对主观性的步骤时均会影响混凝土芯样强度的测量值，从而影响强度的离散程度，这也是工程检测中经常会遇到的问题。因此根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03：2007)规定利用钻芯法确定混凝土检测批的强度推定值时，需要剔除抗压强度样本中的异常值。

根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03：2007)中3.2.3条规定剔除规则应按现行国家标准《数据的统计处理和解释 正态样本离群值的判断和处理》(GB/T4883-2008)的规定执行，其中格拉布斯双侧检验法被广泛使用。t检验法虽然并未写入规范中，但在一些文献中也常使用这种方法进行剔除，在此分别利用格布拉斯双侧检验法[5]与t检验准则双侧检验法[3]，找到适合本工程的剔除方法。

3 工程实例

南二分干渠位于内蒙古河套灌区沈乌灌域控制范围内，模袋混凝土衬砌设计强度等级为C25，模袋中灌注的是商品混凝土，配合比如表1，试配强度为33.2 MPa。由于需要对已建设使用的模袋混凝土渠道进行质量检测，经讨论后决定采用钻芯法，确定检验批混凝土强度推定值。取芯时每隔4～5 m的位置钻芯，钻取15个直径为75 mm，加工后高度为75 mm的芯样。经计算，检验批芯样抗压强度值为23.9～41.3 MPa并利用格拉布斯检验法进行异常值剔除，如表2所示。

表1 南二分干渠(3-4)闸阴坡模袋混凝土配合比Tab.1 South of the canal (3-4) gate shady slope bagged concrete mix

表2 南二分干渠(3-4)闸阴坡检验批芯样抗压强度及格拉布斯检验计算Tab.2 The south canal (3-4) gate shady slope test batch of compressive strength for core samples and Grubbs test calculation

从表2可以看出，上限值与下限值的差值为6.7 MPa，且大于5.0 MPa或0.1 的最大值，表现出检验批混凝土芯样的抗压强度中存在需要剔除的异常值。但通过对统计量的计算得出G′n>Gn的同时G′n

表3 南二分干渠(3-4)闸阴坡检验批芯样t检验计算Tab.3 South canal (3-4) gate shady slope test batch of core sample t test calculated

当n=15时t1>tn,且t1>t0.975，最小值为异常值，剔除；当n=14时，t1>tn,且t1>t0.975，仍有异常值24.8 MPa存在，剔除；当n=13时，未检验出异常值。故检验批混凝土芯样的强度推定值按剔除后的13个数值进行计算：fcu,e1=32.1 MPa，fcu,e2=27.4 MPa，差值为4.68 MPa。通过剔除，本组模袋混凝土芯样的抗压强度推定值符合规范中的各项要求，检验批模袋混凝土芯样的强度推定值为32.1 MPa，这也说明当数据具有较大离散度时t检验法剔除混凝土强度异常值的优势才更为明显，同时得到t检验法比格拉布斯检验法更适合本段渠道。这是由于模袋混凝土不同于普通混凝土，属于具有较高流动性的自密实混凝土，泵送后无需振捣，因此在浇筑成型时会产生或多或少的空洞等缺陷，从而导致模袋混凝土检验批芯样的强度离散情况高于在浇筑后经过充分振捣的普通混凝土，因此，相比普通混凝土t检验法会较多的运用到模袋混凝土强度的异常值检验上。在此也说明规范中建议的剔除方法只能代表大部分的工程检测并不能代表全部，我们在依赖规范的同时，也应找到真正适合于研究工程的方法。同时也可建议在规范中添加t检验法作为辅助计算方法或作为补充剔除模袋混凝土异常值的方法。

4 模袋混凝土应力应变关系的测定及其特征

除了上面对检验批强度推定值的计算，同样需要对其力学性能进行宏观上及微观上的分析。首先从宏观上对检验批模袋混凝土进行应力-应变曲线分析。对芯样试件进行抗压试验得出试验力与变形数据，根据式(1)，计算出应力、应变值，经过对大量数据的取舍，得出代表检验批混凝土的应力-应变曲线图如图1所示。

(1)

图1 应力应变曲线Fig.1 Stress strain curve

此应力应变曲线分为上升段与下降段两个阶段，上升段初始时随应力的增加，应变变化较小，应力应变关系趋近于直线，出现这种现象的原因是试件两端面不平整，试验机与试件端面接触不完全。当压力机与芯样端部完全接触后，曲线走势较初始阶段平缓，此时模袋混凝土芯样呈现出塑性性质，而后随着应力的增大，混凝土芯样在承受试验机对其施加的外力时，结构的变形缓步增加，对外力的增加相应的做出了正确的反应，直至产生应力最大值后，混凝土芯样开始破坏。随后产生下降段，不同于其他应力-应变曲线，本试验的下降段延伸虽较短但很平缓，随应力的减小，应变增加较多，说明混凝土芯样的延性较好，具有残余强度抵抗变形。此应力-应变曲线与本组试件抗压强度异常值剔除后的13块芯样试件的抗压强度推定值的计算结果基本吻合。

为更好地了解这批模袋混凝土芯样的应力应变关系并对已知的应力-应变曲线进行数学公式的拟合，首先将图3的应力-应变曲线进行无量纲化处理，横坐标为 ( 为峰值应力对应的应变)，纵坐标为 ( 为应力峰值)，即得出无量纲化的应力-应变曲线[6]，如图2所示。对于普通混凝土的应力-应变曲线的表达式已提出多项式[7]、指数式[8]、三角函数[9]、有理分式[10]等一系列表达式。

根据文献[11]，本文把应力应变曲线分上升段和下降段两段进行拟合，经拟合上升段满足二次多项式方程，下降段满足线性方程：

(2)

其中式(2)中，a、b、c为上升段曲线参数，d、e为下降段曲线参数。a=-0.7682，b=1.6145，c=0.1545，d=-0.1338，e=1.1367时满足南二分干渠(3-4)闸阴坡的应力-应变曲线方程的参数。

5 微观形貌分析

为了能将宏观上的计算与微观中的图像结合与呼应，本文将从其微观结构特征上继续阐述力学性能，从而更好的说明检测结果的可靠性。因此本试验在检验批模袋混凝土的粗骨料-水泥石界面过渡区和水泥石区域，分别拍摄了300倍和3 000倍的电子显微镜电描照片，如图3所示。

图3 电镜照片Fig.3 electron microscope photographs

从图3(a)可以看出，在水泥石与骨料界面存在着2～3 μm的微裂纹，水泥浆包裹着粗骨料及砂粒，砂浆的黏结性比较好，水泥的水化产物连接比较致密，孔隙产生较小。从图3(b)中可以清晰地看到水泥的水化产物尺寸较小，从而孔隙便减少了许多，水泥石的孔隙中镶嵌了较多的粉煤灰颗粒，起到了填充的作用，使结构更加紧实，促进了结构的强度提升，而且从图中可以看到粉煤灰的颗粒粒径在10～20 μm不等，这样能填充水泥石中不同尺寸的孔隙，促进了混凝土抵抗外力的能力。

6 结 论

(1)在计算检验批试件强度推定值时，使用格拉布斯检验法和t检验法对检验批试件进行剔除，其中前者在差值大于5.0 MPa时并没有检验出异常值的存在，但后者却能剔除出两个异常值，同时降低了变异系数，说明模袋混凝土因其检验批离散度较大比普通混凝土更加适用t检验法。可以建议在规范中加入t检验法作为辅助计算方法或作为补充剔除模袋混凝土异常值的方法。

(2)南二分干渠(3-4)闸阴坡混凝土芯样的强度推定值为32.1 MPa，虽然与设计配合比实验室强度33.2 MPa有一些降低，但是对于服役混凝土来说，强度仍然高于设计强度的30%，已经体现出本段混凝土良好的力学性能，整体工程质量可靠，且能按照设计要求继续服役。

(3)通过对南二分干渠(3-4)闸阴坡模袋混凝土芯样检验批应力-应变曲线的分析可以看出，曲线走势平缓，由上升段与下降段组成，能说明在满足设计强度的同时，混凝土芯样的延性好，在受到外力时，可以做出相应的力学反应，确保了建筑物的安全性，且上升段曲线满足二次多项式方程，下降段满足线性方程。

(4)通过SEM电镜扫描图片，可以看出粉煤灰的添加能有效地填充混凝土中的微小孔隙，使试件内部水泥、骨料、掺和料能有效的连接、镶嵌在一起，从而提高了混凝土的整体强度。

(5)本文通过从宏观上与微观上的分析均说明了工程的力学性能与通过t检验剔除异常值后计算得到的强度推定值相符合，同时得到本检测段的安全性能是可靠的。

□

[1] 杨 智,袁 磊,李 淼,等. 充泥管袋和模袋混凝土在堤防中的应用[J].水利水电科技进展,2000,20(2):44-46.

[2] 蔡忠民.混凝土结构试验与检测技术[M].北京：机械工业出版社,2005.

[3] 郑 翔.t检验准则检验混凝土芯样抗压强度检测批样本中的异常值[J].福建建筑,2010,141(3):35-36.

[4] 吕列民,崔徳密,王 宁,等.钻芯法检测结构混凝土强度合格性评定分析[J].水利水电技术,2011,42(8):21-23.

[5] GB/T4883-2008，数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理[S].

[6] 段 安,钱稼茹. 冻融环境下约束混凝土应力-应变全曲线试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):3 015-3 022.

[7] Hognestad E.Concrete stress distribution in ultimate strength design[J].Journal of ACI, 1955.

[8] Kent D C, Park R. Flexural members with confined concrete[J]. Journal of the Structural Division, ASCE, 1971.

[9] Pa rkR, Paulay T. Reinforced concrete structures[M].New York: Wiley,1975.

[10] Popvics S. A review of stress-strain relationships of concrete[M].ACI, M arch, 1970.

[11] 过镇海,张绣琴,张达成,等.混凝土应力-应变全曲线的试验研究[J].建筑工程学报,1982,3(1):1- 12.