高安水库启闭塔工作桥混凝土材料改性下力学特征研究

曾 鹏

(江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

混凝土是水利工程中常见的承载材料[1-2]，在工程中，其拉伸应力表现是较弱一环，研究混凝土的力学特征，不能只研究混凝土压缩力学特征，而是应该从宏、细观两方面综合评价其拉、压力学水平。张冬梅等[3]、宁致远等[4]为研究混凝土的拉伸应力特征，通过自研拉伸试验装置，设计开展了混凝土的拉伸力学破坏试验，基于试验结果评价了混凝土拉伸应力、应变的影响因素，有助于提高混凝土拉伸力学认知水平。李春元[5]、鲍耀等[6]为综合探讨混凝土的拉、压应力表现，分别设计了拉伸、压缩力学试验，对比了拉、压力学试验结果与其他物理因素之间的关联性，为工程建设提供了力学依据。混凝土拉、压应力宏观差异已有较多研究成果，而细观研究可帮助分析此种差异性根源，刘洋甫等[7]利用声发射、SEM扫描等方法开展了混凝土的细观力学破坏监测，重构了混凝土破坏路径的演变过程，有力支撑了混凝土拉、压应力破坏根源性研究。依托高安水库工程混凝土材料改性设计背景，借助直接拉伸试验装置和CT扫描手段，揭示混凝土拉、压破坏路径及差异性。

1 试验简述

1.1 工程概述

作为赣江中下游支流重要控制枢纽，高安水库承担着锦河水资源调度，控制着锦河以及赣江在高安境内的其他支流，具有防洪排涝、水力发电以及生态补水的作用，特别是在枯水季，高安水库水资源调度，对下游鄱阳湖生态补水，乃至南昌市区的水资源供应，均有较大的帮助。高安水库控制流域面积为129km2，设计库容量为1.85亿m3，正常蓄水位为83m，设计洪水位为84.85m，所建设的输水干渠总长接近150km，可满足高安、宜丰等地区农业生产，惠及农田面积超过10万hm2。同时，作为赣江下游重要的梯级调度枢纽，高安水库承担了南昌市区防洪安全，仅2020年6月梅雨季，整个赣江流域降雨量打破了8、12、24h降雨，全流域出现洪峰警报，而高安水库开闸泄洪，有力支撑了南昌、鄱阳湖的防洪体系。该水库作为赣江下游不可或缺的水利枢纽，其在较长运营年限内，部分水工建筑已出现老化或防渗体系破损的现象，尤以水库大坝部分区段渗流活动加剧，常年的大坝监测数据表明，经过2020—2022年的较大洪峰过境冲击，高安水库大坝基岩渗透侵蚀破坏较严重，很大程度上，高安水库运营能力均与大坝防洪安全密切相关。因此，水库管理部门考虑对主、副坝进行检修并加固，同时建设新副坝，对新副坝发电引水涵管进口启闭塔工作桥重点勘测加固，其桥体三维特征如图1所示。

图1 启闭塔工作桥三维特征

工作桥设计为现浇钢混结构，桥梁主梁最大跨度为10.5m，最小跨度也达到了9.1m，主梁截面高×宽为0.6m×0.35m，桥面宽度为2.5m，浇筑铺设的混凝土厚度达30cm。根据高安水库主、副坝检修加固施工方案，启闭塔工作桥乃是施工重难点，其混凝土浇筑面、桥梁跨度等，均影响着施工安全。基于高安水库启闭塔工作桥施工影响因素分析，大体积混凝土的开裂、承载弱等问题必须解决，而设计部门讨论在原类型混凝土基础上，进行材料改性设计，提高启闭塔工作桥工程混凝土的适用性。

1.2 试验设计

根据启闭塔工作桥混凝土材料应用需求，主要考虑到混凝土的抗拉能力以及承载能力，因此本试验研究对象为混凝土的拉、压力学特征，且试验对象为改性混凝土。从工程现场取回原状混凝土，测试其粗骨料公称粒径为10～16mm，级配良好，细骨料的细度模数为2.68，水灰比为0.62，在考虑已有工程成果前提下[8]，采用钢纤维为改性剂，主要可提升混凝土整体拉结性，所采用的钢纤维原料如图2(a)所示。所有试件均在室内实验室进行重塑加工，制作成圆柱体或长方体形态，其中拉伸力学试验采用直接拉伸方法，配合有拉伸粘结头，分别固定在试样顶、底部，拉头与试件之间的粘结性满足国标试验要求[9]，其制作方法及试件安装原理如图2(b)所示，圆柱体试件直径、高度分别为50、100mm，长方体试件边长分别为150、75、75mm，且表面平整度不存在超过1mm的裂隙，在养护箱内完成8h养护才可进行后续力学加载试验。

图2 改性混凝土试件及掺加料

为确保试验结果可靠性，采用GCTS多功能岩石力学试验设备开展对比试验，该设备如图3(a)所示，加载系统与控制系统互为独立，不产生数据干扰影响，所配备的位移监测设备有LVDT引伸计、环向应变计等，可实时获取试件实验过程中应力、应变特征。直接拉伸试验通过加载头与试件的粘结，避免产生压缩应力干扰，其试样加载安装如图3(b)所示，而压缩力学试验为常规三轴力学方法，如图3(c)所示为其试件安装加载状态。

图3 试验设备及试件

不仅如此，为全面反映改性混凝土力学特征影响，在宏观力学试验研究基础上，增加细观力学分析，所采用的细观研究手段为工业CT试验设备，如图4所示，该工业级CT设备扫描速度为6.5帧/s，裂隙分辨率最小为2μm，可对试样裂隙特征进行三维重组。

图4 工业CT试验设备

基于上述试验分析及设备阐述，本文试验设计分为了宏观力学与细观CT扫描，其中宏观力学为直接拉伸与三轴压缩，所用试件改性剂掺量均保持一致，方案改性剂掺量梯次为1.5%～9%，间隔掺量为1.5%，另增设有掺量0%、10% 2组对比试样。三轴试验中围压设定为5、30MPa，CT扫描在力学加载前、后都要进行，并重构三维裂隙分布。

2 混凝土材料宏观力学试验结果

2.1 拉伸力学特征

基于不同掺量改性剂下混凝土试样拉伸力学试验，获得了改性剂掺量对试样应力、应变影响特性，如图5所示。

图5 改性混凝土直接拉伸应力应变特征

从图5中可看出，改性剂掺量不同，混凝土的拉伸应变在峰值应力后会呈现差异性变化特征，部分试样在峰值拉伸应力后，不会快速下降，而是逐渐出现残余应力，此部分试样掺量为7.5%、9%、10%，残余应力分别为2.65、2.77、2.88MPa。与之不同的是，也有部分试样在出现峰值拉伸应力后，迅速发生应力下降，此部分以原状混凝土为典型，且掺量1.5%～6%的试样也是如此，只要出现峰值拉伸应力，混凝土迅速发生失稳。对比掺量与应变关系可知，峰值应变离散性较显著，掺量0%、3%、6%试样峰值应变依次为0.18%、0.21%、0.22%，而掺量7.5%、10%试样分别为0.2%、0.25%，因此，改性剂掺量对拉伸应变影响主要在于拉伸破坏后。

总体上来看，当改性剂掺量愈多，则混凝土拉伸应力水平愈大，此趋势较为显著，特别是峰值拉伸应力的对比更为宏观，原状混凝土峰值拉伸应力为2.03MPa，而掺量3%、6%、9%下试样承载拉伸应力较之前者分别提高了88.9%、199.5%、249.1%。从拉伸应力的促进效果来看，在掺量6%后，试样拉伸应力效果的增幅逐渐减小，如掺量6%～7.5%试样、9%～10%试样间，峰值拉伸应力分别仅增长了0.73、0.25MPa。因此，在一定区间内，改性剂掺量对混凝土拉伸应力改变效果较好，过多掺量的改性剂，反而会改变混凝土颗粒结构特征[10]，导致抗拉能力变弱，因此本工程中混凝土材料的改性剂掺量不应过高。

2.2 压缩力学特征

同理，针对混凝土三轴压缩力学试验结果进行分析，图6为两围压下混凝土试样压缩力学特征。分析可知，与拉伸力学不同的是，混凝土的压缩应力、应变均高于前者，且不论是围压5或是30MPa，改性剂掺量不会改变混凝土压缩应变发展方向。围压5MPa下，各试样均在峰值应力后出现了应力下降，且残余应力基本吻合，同时峰值应变稳定在0.86%，残余应力与峰值应力之间降幅分布于56.9%～82.9%；围压30MPa时，混凝土试样在峰值应力后的降幅不及前者围压，但总体上各试样应变发展效应具有类似性，各个试样在高围压作用下，均加强了延塑性变形，峰值应力后的应力降幅分布于1.5%～6%。试验数据表明，改性剂掺量对混凝土压缩变形影响较弱，而围压乃是改变混凝土压缩应变的最大因素[11]。

图6 改性混凝土三轴压缩应力应变特征

从混凝土压缩应力水平来看，其与掺量的关系也是正相关，同样也是在一定掺量后，混凝土的应力水平增长也减缓。围压5MPa时，掺量0%～6%时，试样三轴抗压强度分布于31～80.3MPa，各掺量间试样抗压强度平均增长了12.3MPa，增幅稳定在26.9%，而掺量7.5%～10% 3个试样之间抗压强度仅增长了6.9%。同样的，围压增大至30MPa后，相应的抗压强度分布于74.85～297.1MPa，且同样在掺量7.5%～10%之间，强度增长减缓；但不可忽视，围压增大后，混凝土试样承载能力不仅提高，同时改性剂掺量与抗压强度之间关系更敏感，当掺量每梯次递增1.5%，在掺量0%～6%区间内，其抗压强度能平均增长35.2%。分析表明，在压缩应力状态，混凝土承载能力与改性剂掺量关系受围压影响显著，控制改性剂掺量在不超过6%时最为适宜。

3 混凝土材料细观力学特征

为验证宏观力学试验结果，基于CT扫描细观特征分析[12]，获得了不同掺量下试样三维孔隙重构特征，如图7所示。

图7 混凝土试样三维孔隙重构特征

从图7中可看出，不同应力状态下，试样加载破坏后的孔隙分布特征不尽相同，拉伸应力破坏后孔隙数量显著高于压缩应力，但随着改性剂掺量增多，混凝土破坏后内部孔隙数量也减少。对比之下，拉伸应力破坏路径下，孔隙集中于试样端部与中上部，而压缩应力下，孔隙从端部逐渐向着底部扩散，即混凝土压缩破坏路径乃是从端-中-底部扩展、贯通，从工程应用角度考虑，避免混凝土受拉，减少混凝土的拉应力集中区域更为安全。

基于CT孔隙重构结果，可获得不同掺量下混凝土的各孔隙体积区间数量分布特征，如图8所示。

图8 混凝土CT扫描破坏后孔隙分布特征

由图8可知，在拉伸应力状态下，混凝土破坏后孔隙数量占比最多的为孔隙体积低于0.1mm3，在孔隙体积<0.01、0.01～0.1mm32个区间内，混凝土试样孔隙数量占总数量的90%以上，此种趋势在各掺量试样拉伸破坏中皆是如此，即拉伸破坏的根源在于细小裂隙的滋生，影响着材料软弱面的承载，因而混凝土抗拉能力较弱。不同的是，压缩应力下，体积超过1mm3的孔隙数量最多，尤以孔隙体积1～10mm3占比最多，几乎每个试样该孔隙体积区间内数量占比均超过50%。细观结果表明，混凝土压缩破坏来自于大裂隙的扩展、延伸、贯通，从而导致了试样失稳。总体上看，当改性剂掺量增多，不论是拉伸应力或是压缩应力下，孔隙数量均会减少[13]，但孔隙体积区间主导地位不会改变，即改性剂的存在，不会改变混凝土压缩或拉伸应力破坏路径。从高安水库启闭塔工作桥的建设来看，适当增添改性剂，如掺量6%，有助于提高拉、压承载能力，优化工程运营能力。

4 结论

(1)改性剂掺量会影响混凝土的残余拉伸应力段特征；掺量与拉伸应力水平为正相关特征，但在掺量6%后，拉伸应力增长不明显。

(2)掺量不会改变混凝土压缩应力应变趋势，而围压会影响混凝土压缩应变特征；掺量愈多，混凝土压缩应力愈大，但过多掺量，同样会导致抗压强度增长减缓。

(3)CT三维裂隙重构表明了拉伸应力破坏来自于端部及中上部，而压缩应力下，孔隙由端-中-底部扩展、贯通。

(4)拉、压应力下，孔隙数量最多的分别为孔隙体积<0.1、1～10mm3；改性剂掺量愈多，混凝土孔隙数量愈少，但孔隙体积优势区间不会改变。