不同环境下大坝廊道混凝土力学性能预测研究

刘 敏，刘莉娜，潘瑞霖，张 兵

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070；2.武汉飞虹工程管理咨询有限公司，湖北 武汉 430000)

廊道是大坝用于排水、检查、基础灌浆、设备控制等重要通道或者结构，由于廊道的结构和应力十分复杂，使得廊道结构混凝土在施工、运营乃至维护期很容易出现开裂现象，因而有必要对廊道结构混凝土的力学性能进行专项研究。

为了降低廊道混凝土的开裂程度，廊道混凝土与常规坝体混凝土相比，其设计强度一般偏高，但是此种方法往往是不经济的，尤其是采用特定龄期强度和断裂参数开展廊道结构风险预判时，与真实抗裂安全系数往往存在很大的偏差。很多研究表明，养护环境温湿度对廊道混凝土力学参数的发展影响很大，而且在很长一段时间内，廊道混凝土所面临的的环境温湿度是不断变化的，因而采取特定龄期力学参数进行分析，就会造成很大的误差，因此如果可以对不同环境下廊道混凝土的强度和断裂性能参数进行预测，就可以对大坝廊道结构混凝土的工作状态和开裂风险进行准确分析。

本文开展了不同温湿度环境下大坝廊道结构混凝土的力学性能试验，并基于试验结果对强度和断裂参数预测模型进行了分析，通过构建不同力学指标参数预测模型来进行廊道混凝土力学性能的预测，以期能为廊道结构开裂风险评估提供较为客观精确的数据。

1 试验概况

1.1 原材料

廊道混凝土主要原材料包括P·LH42.5低热硅酸盐水泥(密度1450kg/m3)、粉煤灰、砂(石灰岩)、石子(石灰岩，粒径5～40mm)、SBTJM-Ⅱ缓凝Ⅱ型高效减水剂以及GYQ-I引气剂。

1.2 配合比

廊道混凝土设计180d抗压强度值为40MPa，坍落度为70～90mm，水胶比为0.42，粉煤灰掺量为总胶凝材料掺量的35%，砂率(质量)为34%，大坝廊道混凝土具体配合比见表1。

表1 大坝廊道混凝土具体配合比 单位：kg/m3

1.3 试验方案

本文主要研究养护环境(包括温度和湿度)对大坝廊道混凝土强度和断裂性能的影响，根据施工现场历年温湿度变化情况，本次试验共设计了10℃、20℃和40℃等3种养护温度以及30%、60%和98% 3种养护湿度下的性能试验。试验共设计5种方案，分别为：T10RH98(温度10℃、湿度98%)、T20RH98(温度20℃、湿度98%)、T40RH98(温度40℃、湿度98%)、T20RH60(温度20℃、湿度60%)、T20RH30(温度20℃、湿度30%)，具体试验方案见表2。

表2 试验方案

1.4 试验方法

在每种温湿度养护工况下分别养护至3、14、28、60和90d，在对应养护龄期下分别进行立方体抗压和劈拉强度试验(试件尺寸150mm×150mm×150mm)、弹性模量试验(试件尺寸直径150mm×高度300mm)、断裂韧度和断裂能试验(试件尺寸300mm×300mm×120mm，初始缝高比为0.4)，每组试验均进行3次，取平均值。试验均按照《水工混凝土试验规范》进行：立方体抗压强度的加载速率为0.3MPa/s；劈裂抗拉试验的加载速率为0.04MPa/s；弹性模量试验先利用0.5MPa/s速率加载至超过轴压强度的40%，然后以0.3MPa/s速率将试件压坏为止；断裂试验采用楔入劈拉法，位移控制，加载速率为0.05mm/min。

2 试验结果分析

2.1 温湿度对强度的影响

不同温湿度养护环境下大坝廊道混凝土强度指标变化规律如图1所示。从图1中可知：在同一养护环境下，混凝土的抗压强度、劈拉强度和弹性模量随养护龄期呈逐渐增大的变化特征，在7～14d强度指标的增长速率最大，后期强度指标的增长速率有逐渐变缓的趋势；相同养护湿度下，养护环境温度越高，混凝土的强度指标越大，这主要是因为环境温度在低于60℃养护时，不会对混凝土强度产生不利影响，温度越高，就能加快混凝土内部胶凝材料的水化反应速率，从而使强度迅速得到提升；相同养护温度下，湿度越高，混凝土的强度越大，但是在养护早期，由于环境中的水分可以满足正常水化反应的需要，因而在7d龄期时，98%、60%和30%湿度下的强度指标基本相等，但是随着养护龄期的增加，环境湿度对强度指标的影响将逐渐显现。养护龄期90d后，T40RH98的抗压强度、劈拉强度和弹性模量比T20RH30分别高出了36.8%、31.4%和17.5%。

图1 不同温湿度环境下大坝廊道混凝土强度指标变化规律

2.2 温湿度对断裂性能的影响

不同温湿度养护环境下大坝廊道混凝土断裂性能指标变化规律如图2所示。从图2中可知：断裂性能指标的变化规律与强度指标的变化规律基本一致；养护温湿度越高，大坝廊道混凝土的断裂性能越强，断裂面的破坏也逐渐由骨料和砂浆之间的界面破坏转变为以骨料为主的断裂破坏模式，这是因为在温湿度越高，水化反应越充分，有助于提高骨料和砂浆之间的粘结强度，当二者的界面粘结强度大于骨料自身强度后，骨料就会发生相应的断裂破坏，故而混凝土的断裂破坏模式也会发生相应的转变。养护龄期90d后，T40RH98的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能比T20RH30分别高出了30.1%、25.7%和33%。

图2 不同温湿度环境下大坝廊道混凝土断裂性能指标变化规律

3 大坝廊道混凝土强度和断裂参数预测模型

从试验结果可知：在不同的温湿度养护情况下，混凝土的强度和断裂性能相差较大，然而在实际工程施工是，大坝廊道混凝土浇筑时间是不可控的，因而外界环境的温湿度变化也是随机的，在面对真实断裂性能参数无法准确确定的情况下，为了降低大坝廊道混凝土的开裂风险，提高安全性，只能被迫采取偏保守的结构设计方案，从而导致工程经济上的浪费，故而有必要对任意环境参数下的混凝土强度和断裂参数进行预测。

米正祥等通过大量研究试验，构建了混凝土温湿度成熟度函数：

(1)

式中，tc—等效龄期，d；α0、αu—初始和最终水化度，本文取值为0和1；T—养护环境温度，℃；Tr—参考标准养护温度，一般取值为20℃；m—微观系数，本文取值为0；E—活化能，J/mol；R—气体常量，取值为8.3144J/mol/K；Ha—养护湿度，%；γ—水分扩散系数，本文取值为1.1；t—养护时间，d。

根据等效龄期计算公式(1)，可分别得到不同温湿度养护工况下的等效养护龄期，结果见表3。从表3中可知：养护温湿度越高，同龄期下混凝土的等效龄期越大，当养护温度从20℃提升至40℃后，等效龄期约为实际养护龄期的2.4倍；当养护温度或者湿度不足时，会导致同龄期大坝廊道混凝土的等效龄期减小，当温度从20℃降至10℃或者湿度从98%降至30%后，等效龄期仅为实际养护龄期的1/3～1/2。

根据不同温湿度情况下的等效龄期计算结果，可以分别获得大坝廊道混凝土强度和断裂性能参数与等效龄期的关系，结果如图3所示。从图3中可知：大坝廊道混凝土的强度指标和断裂性能指标与等效龄期之间呈良好的对数型函数关系，所有指标的拟合度R2均大于0.95，因此，可以用对数型函数模型来表征任意等效龄期下的强度或者断裂指标。

图3 强度和断裂性能指标与等效龄期关系

Q=aln(tc)+b

(2)

式中，Q—大坝廊道混凝土强度或者断裂性能指标；a、b—该指标的计算常数。

4 现场应用

在工程现场廊道拱顶和冷却水管之间埋设了6支温度计来采集大坝廊道混凝土的温度，并在廊道内外设置小型气象站来监测环境湿度，从而获得廊道混凝土的温湿度实时变化曲线。根据所监测到的逐日温湿度数值，对混凝土的等效龄期进行计算，然后代入公式(2)中，分别得到了工程现场大坝廊道混凝土强度和断裂性能参数预测值，并与现场钻孔取芯试验值进行了比较，结果见表4。

表4 工程现场实测与模型预测结果对比

从表4中可知：通过计算等效龄期然后利用对数型模型进行预测的强度和断裂性能参数与现场取芯实测值虽然存在一定的误差，但平均误差小于5%，表明可以利用该方法对工程现场廊道混凝土的力学参数发展趋势进行较为准确的预测，以便为工程采取合理的措施提供借鉴。

5 结语

对不同温湿度工况下大坝廊道混凝土的强度和断裂性能指标进行试验，得出如下结论。

(1)养护温湿度越高，混凝土水化反应越充分，强度和断裂性能越高；养护湿度对于早期力学参数的影响不大。

(2)随着养护温湿度的升高，混凝土的破坏模式由骨料和砂浆之间的界面破坏转变为以骨料为主的断裂破坏模式。

(3)混凝土力学参数与等效龄期之间呈良好的对数型函数关系，利用该模型可以预测任意温湿度环境下混凝土力学参数发展趋势，现场取芯实测与预测结果的平均误差不超过5%。

(4)不同配合比混凝土的等效龄期发展趋势是不同的，本文仅是提供一种预测分析方法，针对具体工程还需要根据试验数据进行具体分析。