希尼尔水库防渗墙工程中特种混凝土单轴力学特征试验研究

2021-01-21才登巴

水利技术监督 2021年1期

才登巴

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000)

水利工程中混凝土材料具有广泛应用前景，而混凝土作为一种人造材料，研究其力学特性对水利设计具有重要作用[1- 3]。特种混凝土材料包括塑形混凝土、聚丙烯混凝土等，其最大区别是材料配合比参数差异，因而研究配合比参数影响下特种混凝土的力学特征变化，对探讨水利工程中混凝土最佳性能具有重要作用[4- 6]。混凝土实质上亦是一种颗粒流材料，因而一些学者利用颗粒流软件仿真模拟研究了混凝土试样在单轴、剪切等破坏形式下力学特征，为认识混凝土试样强度变形特征提供参考[7- 9]。国内亦有一些学者利用室内试验系统研究了混凝土渗透、压缩破坏、剪切强度等特性，丰富了混凝土研究成果[10- 11]。基于室内单轴压缩试验，设计不同配合比试验方案[12- 13]，分别研究不同参数影响下混凝土力学特征，获得水利设计中混凝土配合比最佳参数，提升工程设计质量。

1 试验概况

1.1 试验背景与试验仪器

希尼尔水库作为库尔勒市地区重要的蓄水设施，年蓄水量可达11.77亿m3，该水库工程包括重力式坝体与泄洪闸，坝体高程为906～921m，泄洪闸为平面式钢闸门，采用液压式启闭机作为闸门流量调控设施；在坝趾处铺设细粒混凝土砌石地层，厚度30cm，面板设置聚氨酯的填缝材料，为增强重力式坝体整体防渗效果，设置有厚度为60cm的防渗墙，水库管理部门考虑采用特种混凝土为原材料，而混凝土材料力学特征与防渗墙防渗性能息息相关，故而设计开展特种混凝土单轴力学破坏试验。

本试验采用RC150混凝土材料试验机，该实验系统包括数据采集系统与加载系统，荷载最大可达1000kN，数据采集系统可实时查看数据，采集间隔为0.5s，力传感器以及位移传感器均已在实验前标定，位移传感器量程可达12mm，混凝土材料试验系统如图1所示。本试验为单轴压缩破坏特性试验研究，故而各实验组围压均为0kPa。

图1 混凝土材料试验系统

1.2 试验方案

本文为研究不同配合比参数对混凝土试样力学特征影响，设计水胶比参数分别为1.31、1.15、1.02、0.89，膨润土掺率分别设定为20%、33%、47%、60%，砂率为40%、50%、60%、70%，配合比单轴试验参数表见表1。按照目标配合比方案，以各原材料加水后，经混凝土搅拌机搅拌及振动，如图2所示。为保证颗粒均匀度，将混凝土试样装入模具中，如图3所示，其尺寸为100mm×100mm×100mm，利用模具养护混凝土达规定时间后，拆除模具，制作出满足要求的混凝土试样，原材料粒径范围为5～20mm。另为保证试样内部晶体颗粒在单轴实验中受力均匀，将已成模的试样，再养护48h，如图4所示。由于特征混凝土特殊性，目前并无具体试验规范，为此本试验参照水工混凝土试验规程[14]进行试验研究。

图2 混凝土搅拌机与振动仪器

图3 试样模具

图4 养护后混凝土试样

试验步骤如下：

(1)检查各传感器测试准确性，在加载台上安装试样，并在仪器台上安装位移传感器，并调整量程范围，清零力传感器；

(2)以双混方式控制加载，荷载、位移控制加载速率分别为0.01MPa/s、0.04mm/min，实时采集数据，峰值应力后失稳破坏，停止实验，结束采集；

(3)卸下荷载，取出试样，进行下一块试样单轴试验。

表1 各实验方案具体组合表

2 混凝土单轴强度变形特征

2.1 水胶比参数影响

基于单轴试验获得各配合比试验结果，经数据所示处理后获得各配合比参数影响下力学特征，如图5所示。从图中可看出，随水胶比递减，加载过程应力水平递增，相同应变0.5%时，水胶比1.31试样应力为1.65MPa，而水胶比1.15、1.02、0.89试样相比前者分别增大了1.3倍、2.5倍、3.45倍，即特种混凝土试样应力水平与水胶比呈负相关关系。分析认为，当水胶比参数较大时，作为试样内部孔隙填充料，胶凝材料占比降低，此时会加剧特种混凝土试样颗粒突出感，粘结性降低，试样孔隙度变大，而颗粒骨架作为混凝土试样直接承载结构，其结构稳定性降低，会造成特种混凝土试样的承载能力减弱。另对比试样变形特征可知，在峰值应力前阶段内，相同加载应力时，高水胶比参数试样应变较高，即特种混凝土试样变形能力与水胶比参数为正相关关系，在加载应均力2MPa时，水胶比1.31、1.15、1.02、0.89试样的应变分别为0.56%、0.27%、0.22%、0.09%，笔者分析高水胶比特征混凝土试样的强变形能力与自身所具备的保水性有关，水胶比参数较大时，试样保水性较差，试样颗粒骨架能够较早承受竖向荷载，因而弹性阶段变形以高水胶比试样较大，即呈现出前文分析现象。

图5 水胶比参数影响下应力应变曲线

水胶比参数影响下试样单轴峰值应力与峰值应变变化曲线如图6所示，从图6中可知，试样单轴峰值应力、峰值应变与水胶比参数关系与前述加载应力、变形关系基本一致，水胶比1.31下峰值应力为2.7MPa，当水胶比参数分别降低12.2%、32.1%，为1.15、0.89时，试样峰值应力却相比前者分别增大了66.7%、177.7%，即特种混凝土试样单轴峰值应力增长变化敏感性受水胶比参数影响显著。与弹性阶段高水胶比试样变形较大不同，各水胶比试样的峰值应变基本一致或接近，分析认为峰值应变与试样颗粒骨架完整性有关，当同一批试样原材料基本一致时，其峰值应力点相对应的峰值应变保持在同一水平。

图6 水胶比参数影响下试样峰值应力与峰值应变

2.2 膨润土掺率

当保持试样配合比中其他原材料相等，仅改变膨润土掺率时，进行单轴压缩破坏试验，获得膨润土掺率影响下力学特征，如图7所示。从图7中可看出，加载应力与膨润土掺率为负相关，相同应变0.5%时，膨润土掺率20%试样的加载应力为4.44MPa，而掺率33%、47%、60%相比前者分别降低了75.2%、91%、96.6%；分析表明，特种混凝土材料中膨润土是其中区别于其他混凝土材料的一种特殊原材料，当膨润土掺率增大时，膨润土含量占比会挤压骨架颗粒所占空间，造成试样不仅密实度降低，且实际承载骨架刚度减弱，故而加载应力随膨润土掺率递减。从弹性阶段变形特征来看，相同加载应力对应的应变，以高膨润土掺率者试样最大，且高膨胀土掺率试样峰值应力后阶段脆性破坏特征减弱，即试样峰后应力下跌较缓；同为加载应力1MPa时，膨润土掺率20%、33%、47%、60%对应应变分别为0.03%、0.5%、0.75%、1.47%；当膨润土掺率增大时，混凝土试样由类岩石材料逐渐转变为类土体材料，软化性增强，因而不仅峰后趋于应变硬化特征，弹性阶段亦以高膨润土掺率试样应变最大。

图7 膨润土掺率参数影响下应力应变曲线

峰值应力、峰值应变受膨润土掺率影响曲线如图8所示。从图8中可知，膨润土掺率20%试样峰值应力为4.464MPa，其峰值应力分别为掺率33%、47%、60%试样的1.2倍、1.58倍、4.4倍；另一方面，四个膨润土掺率峰值应变依次为0.48%、1.28%、1.56%、1.71%；笔者认为，峰值应力在高掺率下减小幅度显著，为增强防渗墙安全稳定性，膨润土掺率应保持在合理范围内，以掺率20%～33%为最佳。

图8 膨润土掺率参数影响下试样峰值应力与峰值应变

2.3 砂率

与前述两因素分析类似，本文给出砂率影响下特种混凝土试样应力应变曲线，如图9所示。从图9中曲线变化特征可知，加载应力随砂率递减，砂率抑制特种混凝土试样应力增长，应变均为0.5%时，砂率40%对应加载应力为4.77MPa，而砂率50%、60%、70%的试样分别相对前者降低了14%、60.6%、72.3%；从最佳砂率考虑，在砂率40%～50%内试样加载应力水平基本接近，降低幅度较小，而当砂率增大至60%后，加载应力水平降低较快，为防渗墙应力安全性考虑，选择砂率40%～50%最佳。分析表明，当砂率增大时，相同胶凝材料含量条件下，特种混凝土试样的粘结性会降低，试样孔隙度会增大，造成承载能力降低；而砂率增大不仅影响试样粘结性，粗骨料占比即会降低，进而造成骨料颗粒骨架安全稳定性降低，承载应力递减。从变形来看，高砂率试样变形能力较强，峰值前弹性变形增长斜率亦较缓，在加载应力均为2MPa时，砂率40%、50%、60%、70%应变分别为0.16%、0.24%、0.55%、0.77%，合理砂率区间试样变形能力基本接近一致，非合理区间试样变形普遍高于前者。

图9 砂率参数影响下应力应变曲线

峰值点应力应变特征如图10所示。从图10中变化可知，砂率40%～50%试样单轴强度变化较小，仅有6.5%变化幅度，而在砂率60%～70%试样强度相比砂率40%试样分别降低了36%、52.9%；峰值应变与峰值应力变化呈相反态势，合理砂率区间内变形处于较小范围，峰值应变仅为0.54%～0.74%；分析认为特种混凝土材料最佳砂率为40%～50%。

图10 砂率参数影响下试样峰值应力与峰值应变

3 混凝土动弹性模量特征

为科学评价特种混凝土试样力学特性，在进行单轴破坏试验前，采用动弹性模量(以下简称动弹模)测量仪测定材料模量参数值，不同配合比参数影响下试样动弹性模量变化曲线。如图11所示。

从图11中可知，特种混凝土试样动弹性模量与水胶比参数、膨润土掺率均为显著负相关关系；当水胶比为1.31时，其动弹模为1437.2MPa，而水胶比1.02、0.89相比前者分别增大了9.5%、24.7%；膨润土掺率为20%时动弹模为1381.3MPa，而掺率增大至47%、60%时，动弹模相比前者分别减少了17.9%、39.3%。分析表明，当膨润土含量增大时，特种混凝土试样更趋于塑性，动弹性模量降低显著；而水胶比参数增大，胶凝材料减少，水含量反之增多，胶凝材料水化反应较充分完全，试样内部硬化后孔隙度显著增大，故动弹模减小。砂率与动弹模关系呈先减后增变化，动弹模变化实质上与混凝土试样内部粗骨料占比有关，当砂率递增时，粗骨料占比递减，动弹模递减，但当砂率增大至70%时，此时已不是传统上的特种混凝土，粗骨料占比极小，与合理砂率区间偏差较大，故而动弹模发生一定程度上升。