引黄济青输水渠衬砌材料混凝土力学试验研究

2021-03-31任恒谊

水利技术监督 2021年3期

任恒谊

(山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东胶州 266300)

水利工程中混凝土材料应用范围较广，对提升工程稳定性以及防渗特性均有较大帮助[1- 3]，特别是在引水工程输水渠道的衬砌结构以及防渗系统中。研究不同配合比混凝土力学稳定性即是揭示混凝土失稳破坏的重要手段，目前已有一些专家与学者借助数值仿真手段[4- 6]，研究混凝土颗粒流状态，揭示混凝土这类材料在单、三轴力学条件下失稳破坏全过程力学特征。当然，由于混凝土材料为人造材料，因而人为对混凝土材料的尺寸以及试验环境条件等改变，均会影响到加载过程混凝土力学特征，因而一些学者已开展了相关力学特征的影响性研究[7- 9]。室内试验作为混凝土基础力学的研究重要手段，借助岩土力学等试验仪器，设计开展混凝土力学实验，可探讨获得配合比差异组之间力学特征变化[10- 12]。以引黄济青输水渠道所用混凝土材料为研究对象，利用岩石力学试验仪器，研究探讨该类混凝土材料力学特性，为输水渠防渗加固建设提供重要参考。

1 试验背景及试验方案

1.1 试验背景

引黄济青输水工程作为运行多年的区域内重要输水线路，部分输水渠道出现较严重渗漏，最大渗漏量甚至达67m3/s，极大影响了输水渠道长期运营稳定性，造成水资源利用效率降低。根据工程设计部门地勘资料，输水渠道沿线均为粉细砂土，晶体颗粒磨圆度较高，一定程度上与预制混凝土可产生良好契合效应，达到防渗效果。输水渠道中断面变化差异造成预制混凝土尺寸不一，在部分界面处出现应力集中等现象，进而堵塞输水渠道流场稳定性。针对上述影响引黄济青输水渠道衬砌结构的力学问题，利用输水渠道的改性混凝土材料开展力学破坏试验，探讨衬砌材料力学稳定性。

受预制混凝土所组成原材料配比差异影响，混凝土材料强度变形等特征均会发生一定变化，因而划分混凝土3个基本组成部分：矿料级配、油石比、掺合料，以此确定适合工程的3个重要参量。按照规范可知，其中矿料级配计算按照下式计算获得[13- 14]：

(1)

式中，Dmax、di—最大、最小粒径。

根据胶东地区工程地质特点，以全渠道断面中渗漏最为严重的潍坊寿寒边界至坊央公路桥断面为研究对象，全断面12km，堤身宽度4m，部分堤段顶部高程已被削弱低于安全高度，选用预制混凝土材料级配分别为0.3、0.35、0.4开展对比研究。油石比与掺合料含量选取应按照规范要求[15- 16]，3个对照组油石比参数分别为6%、6.5%、7%；掺合料对比参数分别为13%、15%、17%。按照配合比组合，共设计有以下9个配合比实验组，见表1。

由于混凝土抗拉性能关乎工程质量安全，为选取出最佳配合比，笔者针对上述9个实验组分别制作出符合间接拉伸试验需求的各配合比试样，如图1所示。

表1 混凝土配合比试验方案组

图1 沥青混凝土试样形态

利用RMTS混凝土材料试验机开展间接拉伸试验，在试验前每块试样均测定其孔隙度，基于间接拉伸试验获得各个配合比试样的平均强度与最大拉伸位移，如图2所示。

图2 各试样强度、拉伸位移变化曲线

比较测试结果可知，Y- 3试样强度最大，达1.384MPa，但其位移较低，仅为2.88mm；位移最大者为L- 1试样，相比前者增大了15.6%，达3.33mm；综合位移与强度表现来看，Y- 2试样的强度达1.325MPa，在9组配合比试验方案中仅次于Y- 3试样，其位移达3.235mm，变形能力一定程度反映了材料在受张拉应力时所能承受的弯曲幅度，因而综合考虑本次实验选取Y- 2试验配合比方案，即级配指数0.35、油石比6.5%、掺合料含量15%。

1.2 试验仪器及方案

为研究预制混凝土材料的力学特征，设计室内单轴力学试验，借助液压试验机ATS对混凝土试样破坏全过程开展力学分析。该试验机可承担单、三轴岩石等材料试验，并可转换不同加载控制方式，包括本次试验中应用较多的应变式控制方式，亦有力控方式，力传感器最大荷载可达1000kN，轴向变形传感器量程达-10～10mm，所有测量传感器误差不超过0.5%，并可搭配模拟环境试验箱，提供高低温环境力学耦合实验，实验温度可为-10～100℃，数据采集间隔可精确至0.1s，所有数据均实时在电脑程序中展现，帮助实验人员全方位全维度观察试样力学特征变化过程。由于单轴力学破坏实验不同于间接拉伸试验，且为了研究不同尺寸影响下混凝土材料破坏规律，本次单轴力学试验根据输水渠道全断面特征，研究考虑不同尺寸的沥青混凝土试样，按照径高100mm×200mm、100mm×150mm、100mm×100mm 3个尺寸切割，获得如图3所示试样。

图3 单轴破坏试验试样

根据前述实验目的，本实验中应变速率梯度分别为10- 7s- 1、10- 5s- 1、10- 3s- 1、10- 1s- 1，按照不同尺寸试样换算实验过程变形速率，例如100mm×200mm试样的10-5s-1应变速率对应的变形加载速率为0.002mm/s，试样100mm×150mm对应的变形加载速率又为0.0015mm/s，其他尺寸试样同理类似换算即可。不同尺寸试样均需完成同一组加载速率试样，即最终实验方案组，见表2。

每块试样单轴破坏实验均是按照如下步骤进行。

(1)试样在养护桶内完成相同养护时间48h，在试验前完成质量与密度等物理参数测定，确保试样在进行单轴试验前不出现内部初始损伤裂隙，即保证试样初始状态各向同性。

表2 单轴破坏实验方案组

(2)以应变控制方式施加荷载，并在控制程序中调整ATS加载系统的单轴应变速率为试样目标速率，后开始加载，并观察数据采集仪呈现的实时应力应变曲线。

(3)当试样达到峰值荷载后破坏，结束数据采集，停止试验，从加载箱内取出试样，更换下一组试样，重新前述步骤。

2 加载速率对预制混凝土单轴力学影响特性

基于前述不同加载速率单轴力学试验，获得混凝土试样不同加载速率下应力应变特征曲线，如图4所示。从图中可看出，应变加载速率愈大，则混凝土试样单轴抗压强度愈大，在 3种不同尺寸高度中均是如此，当试样高度均为100mm时，加载速率10-1s-1下峰值应力为28.81MPa，而加载速率降低2、4、6个量级后，即加载速率为10-3、10-5、10-7s-1时，相应的峰值应力相比前者分别降低了33.4%、74.3%、78.1%。当试样高度为200mm时，3个加载速率为10-3、10-5、10-7s-1，相比速率10-1s-1下降的幅度分别为42.4%、76.7%、78.5%，即高度增大，各加载速率试样的峰值应力变化幅度较稳定，笔者认为尺寸效应在加载速率促进混凝土试样强度发展过程中影响较弱。从低应变加载速率应力应变全过程可以看出，硬化变形特征显著。在高度为200mm的试样组中，加载速率为10-5、10-7s-1的试样在峰值应力后持续处于应力较缓慢下降阶段，随应变增大，应力变化幅度不超过10%，塑性变形较强。分析表明，加载速率较大时，试样受外荷载形成的次生裂纹会快速被压密愈合，内部孔隙填充所得的细小晶体颗粒可进一步激发试样获得较强的抵抗裂纹扩展能力，故而试样强度与加载速率为正相关变化；当加载速率过低时，混凝土内粗细骨料可流动特性会在较缓慢的加载速率“帮助”下逐步运动到细小裂纹中，使试样趋于硬化，而不会快速贯通产生宏观大裂纹，因而峰值应力后期处于硬化状态。

图4 混凝土单轴应力应变曲线(加载速率影响)

图5为不同加载速率下混凝土试样弹性模量变化曲线。从加载速率与弹性模量参数间关系来看，两者为正相关变化特征，当试样高度为150mm时，加载速率10-1s-1的试样弹性模量为946.33MPa，而加载速率降低至10-5、10-7s-1后，弹性模量值降低了72.8%、85.1%。分析认为造成此现象主要是由于加载速率较大时，材料的塑性变形会大大减小，线弹性特征为占据主导作用，此种现象在应力应变曲线峰值应力后期尤为显著，加载速率10-5、10-7s-1等试样的峰值后期塑性硬化占据长期发展 “主流”。从混凝土材料特性来看，加载速率增大，可助长混凝土刚度与线弹性变形特征，进而抑制塑性变形的产生，增大脆性变形破坏可能性。

图5 混凝土弹性模量变化特征曲线(加载速率影响)

3 尺寸效应影响单轴力学特性

图6为各应变加载速率下3种不同尺寸对应的应力应变曲线。从图中可知，尺寸为100mm×100mm试样峰值应力在3个加载应变速率下均是最高，相反，尺寸为100mm×200mm的试样峰值应力为最低，加载速率为10-3s-1时，试样高度200mm的试样峰值应力为11.1MPa，而高度100、150mm试样峰值应力相比前者分别增大了72.7%、18.9%。从峰值应变来看，试样高度愈大，则应变愈小，加载速率为10-3s-1下100mm×200mm试样峰值应变为1.1%，其相比100mm×100mm试样峰值应变减少了54.4%。分析表明，试样高度增大，会抑制混凝土承载能力，减弱材料变形能力，即为材料尺寸效应，当材料高度愈大，径高之间差距愈大，则尺寸效应愈发显著；从工程应用角度考虑，应尽量减少材料尺寸效应对强度削弱作用。

从试样抗压强度、弹性模量与尺寸效应相关曲线可知(如图7所示)，抗压强度、弹性模量参数与试样高度均为负相关变化特征。分析2个参数受尺寸效应影响可知，加载速率愈大，则参数受尺寸差异影响愈显著，在加载速率同为10-5s-1下，高度100mm试样的弹性模量与200mm试样之间差距幅度为47.7%，而在加载速率为10-1s-1下两者之间差距为110.6%，表明加载速率越大，则尺寸效应越发凸显，加载速率一定程度上会加强混凝土尺寸效应。