劉建祖

(江西省宜春市袁州區(qū)水利局，江西 宜春 336000)

1 引言

水利工程中混凝土材料應(yīng)用范圍較廣，研究最適合工程的混凝土配合比參數(shù)對最大化利用混凝土性能具有重要作用[1-3]。田豐[4]、劉璇等[5]、張厚雷[6]利用顆粒離散元仿真平臺，模擬單、三軸條件下混凝土試樣加載破壞過程，研究混凝土力學(xué)特征與配合比設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系。雖顆粒離散元仿真計算平臺較為高效，但由于模擬工況與實(shí)際工程存在差異，且顆粒流模型與實(shí)際試樣區(qū)別性較大，對混凝土試樣的力學(xué)特征影響效應(yīng)亦有較大差異，因而一些學(xué)者利用現(xiàn)場監(jiān)測儀器或原位試驗(yàn)，對混凝土試樣強(qiáng)度變形或滲透特征開展現(xiàn)場實(shí)測，為工程準(zhǔn)確應(yīng)用混凝土材料提供重要參考[7-9]。實(shí)質(zhì)上，與巖土體材料類似，在室內(nèi)利用精密實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計滲流試驗(yàn)或力學(xué)試驗(yàn)，測定混凝土試樣力學(xué)特征參數(shù)，分析力學(xué)參數(shù)與配合比參數(shù)之間關(guān)系，為評價混凝土配合比參數(shù)影響性提供依據(jù)[10-12]。本文設(shè)計開展水工混凝土單、三軸加載破壞室內(nèi)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)介紹

2.1 工程背景

為保護(hù)河流流經(jīng)區(qū)域的水利工程以及生活設(shè)施安全性，設(shè)計對河道兩側(cè)岸坡開展除險加固設(shè)計，該河流流域面積超過200 km2，與所連接的抽水泵站、蓄水設(shè)施等一起承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)水資源中轉(zhuǎn)調(diào)度、防洪發(fā)電等重要作用。岸坡工程所在區(qū)段內(nèi)堤防工程設(shè)計頂部高程為35.6 m，寬度為3.6 m，以砂土料、粉質(zhì)壤土等作為堆筑料，分層堆筑構(gòu)建起堤防工程，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明堤防工程豎向最大沉降不超過6 mm，兩側(cè)岸坡坡度均為1/1.5，無顯著危險滑移面，但由于水流侵蝕作用，水土流失較嚴(yán)重，特別是在堤底區(qū)域，此對岸坡長期穩(wěn)定性乃是較大考驗(yàn)，堤防工程岸坡斷面圖見圖1。由于夏季降雨等影響，河道上游水位局部流量常高于50 m3/s，導(dǎo)致下游防洪壓力較大，堤防工程設(shè)計為10 a一遇洪峰流量51.6 m3/s，研究區(qū)域內(nèi)所建設(shè)的堤防工程全長1800 m，以防滲墻以及止水面板構(gòu)建起完善的防滲系統(tǒng)，設(shè)計防滲墻厚度為60 cm，插入基巖深度1.8 m，全堤防工程共有12處防滲墻結(jié)構(gòu)，最大滲透坡降僅為0.3，雖堤防滲流場穩(wěn)定性較好，但在區(qū)段部分岸坡內(nèi)由于土質(zhì)松動，導(dǎo)致坡身受到較大沖擊影響，為此，考慮對區(qū)段內(nèi)岸坡坡身開展加固處理。工程部門考慮采用水工混凝土作為岸坡坡身固結(jié)材料，噴射至坡身，減緩岸坡土體受水流動力影響，但由于所采用的水工混凝土材料配合比對力學(xué)、滲透特性均有較大影響，設(shè)計最佳混凝土配合比參數(shù)對提升混凝土力學(xué)穩(wěn)定性以及防滲能力具有較大正向作用。綜上可知，研究工程所用水工類混凝土材料力學(xué)以及透水特性影響因素對設(shè)計最佳配合比具有較大幫助，故本文借助室內(nèi)試驗(yàn)手段，開展配合比參數(shù)因素對水工混凝土材料力學(xué)以及透水特性影響變化規(guī)律。

圖1 河道堤防護(hù)坡斷面圖

2.2 試驗(yàn)概況

針對力學(xué)穩(wěn)定性以及透水特性，分別開展單軸壓縮破壞以及透水試驗(yàn)，其中單軸壓縮試驗(yàn)采用常規(guī)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的TAW-500型伺服式液壓控制試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)采用液壓程序控制，該實(shí)驗(yàn)室可滿足巖石或混凝土基本力學(xué)試驗(yàn)，包括有加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TAW-500型加載系統(tǒng)最大軸向荷載可達(dá)500 kN，加載方式可采用力控與變形控制兩種方式，其中力控最大速率可達(dá)80 kN/min，變形控制最大速率為4 mm/min。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器監(jiān)測部分與數(shù)據(jù)自動處理部分，傳感器監(jiān)測內(nèi)容包括有軸向變形、環(huán)向變形以及體積變形監(jiān)測部分，軸向變形傳感器量程為-10 mm～10 mm，環(huán)向變形傳感器監(jiān)測最大值可達(dá)15 mm，所有監(jiān)測傳感器在試驗(yàn)前均有專業(yè)試驗(yàn)人員標(biāo)定處理，最大誤差不超過0.5%；數(shù)據(jù)自動處理部分以每間隔0.5 s進(jìn)行自動繪圖，可全程實(shí)時讀取試樣加載過程中應(yīng)力變形狀態(tài)。透水試驗(yàn)采用簡單透水裝置，以滲透壓頭以及滲透時間作為衡量計算滲透系數(shù)的重要參數(shù)，每次數(shù)據(jù)采集間隔均為1 s，監(jiān)測混凝土試樣透水變化。

本實(shí)驗(yàn)中水工混凝土力學(xué)以及透水特性配合比參數(shù)影響因素主要以外摻量為主，其中根據(jù)實(shí)際工程中所添加的硅質(zhì)摻量以及礦渣摻量作為研究對象，試驗(yàn)研究參數(shù)范圍以實(shí)際工程中所涉及到的開展對比試驗(yàn)。試驗(yàn)對比組中硅質(zhì)摻量分別設(shè)定為0%、4%、8%、12%，礦渣摻量研究組中分別設(shè)定為6%、12%、18%、24%、30%、36%，每個試樣組中均是以單一變量因素作為研究對象，所制作的試樣見圖2，原材料試樣中水灰比為0.36，砂率為29%，坍落度65 mm，尺寸標(biāo)號為150 mm，養(yǎng)護(hù)28 d，試樣具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)具體方案

圖2典型試樣圖

3 硅質(zhì)材料摻量對水工混凝土力學(xué)與透水性影響

3.1 力學(xué)特性

經(jīng)單軸試驗(yàn)獲得不同硅質(zhì)摻量下水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖3。從圖3可看出，硅質(zhì)摻量愈多，則混凝土加載應(yīng)力水平愈高，當(dāng)應(yīng)變同為1%時，硅質(zhì)摻量0%試樣的應(yīng)力為1.18 MPa，而硅質(zhì)摻量為4%、8%、12%的混凝土加載應(yīng)力相比前者分別增大了1倍、2.9倍、9.6倍。分析認(rèn)為，當(dāng)水工混凝土配合比參數(shù)中硅質(zhì)摻量增大，則試樣內(nèi)部更具有較多硅灰元素，其具有的鈣質(zhì)等水堿性化合物與水結(jié)合，可產(chǎn)生固態(tài)膠結(jié)物質(zhì)，一定程度上可填補(bǔ)水工混凝土顆粒骨架微小孔隙中，提升顆粒骨架完整性，促進(jìn)混凝土試樣承載能力提升；除此之外，當(dāng)愈多的硅質(zhì)摻量存在于水工混凝土內(nèi)部，粗細(xì)骨料與膠凝材料的結(jié)合程度以及接觸面愈廣，提升了顆粒骨架的整體粘結(jié)性，亦可體現(xiàn)處混凝土承載水平增大[13]。從單軸變形特征來看，硅質(zhì)摻量與水工混凝土試樣的脆性變形能力有關(guān)，且硅質(zhì)摻量愈大的混凝土試樣脆性變形特征更強(qiáng)，峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降幅度愈大，峰值應(yīng)變點(diǎn)愈小，硅質(zhì)摻量為0%、4%、8%、12%四個試樣的峰值應(yīng)變分別為5.54%、4.31%、3%、2.2%，其中硅質(zhì)摻量0%試樣峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降幅度僅為11%，而摻量12%試樣應(yīng)力下跌幅度超過72.5%，表明硅質(zhì)摻量雖可提升混凝土承載能力，但也促進(jìn)了試樣脆性變形破壞發(fā)展的趨勢。

圖3 不同硅質(zhì)摻量下水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4為硅灰摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響特征曲線。從圖4可知，抗壓強(qiáng)度與硅灰摻量為正向促進(jìn)關(guān)系，礦渣摻量均為6%的試驗(yàn)組中，硅灰摻量0%試樣抗壓強(qiáng)度為16.53 MPa，而硅灰摻量4%、8%、12%試樣的抗壓強(qiáng)度相比前者增大了16.1%、38.4%、53.7%，當(dāng)?shù)V渣摻量增大至24%后，各硅灰摻量不同的試樣間抗壓強(qiáng)度幅度差異基本無顯著變化，即混凝土礦渣含量并不影響硅灰摻量對混凝土強(qiáng)度能力的影響；當(dāng)混凝土配合比參數(shù)中硅質(zhì)摻量增大4%，抗壓強(qiáng)度平均增大了15.5%。

圖4 不同硅灰摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度

3.2 透水特性

圖5為透水性試驗(yàn)后整理獲得的不同硅灰摻量混凝土試樣透水系數(shù)變化曲線。從透水系數(shù)變化可知，硅灰摻量有抑制水工混凝土透水性的作用，礦渣摻量6%試驗(yàn)組中，在硅質(zhì)摻量0%時混凝土透水系數(shù)為4.261 mm/s，而硅灰摻量增大至8%、12%后，透水系數(shù)相比之降低了17.6%、21.4%；從數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來看，水工混凝土透水系數(shù)與硅質(zhì)摻量具有二次函數(shù)關(guān)系。從透水系數(shù)變化規(guī)律可知，當(dāng)硅質(zhì)摻量愈多，愈會堵塞透水通道，降低水工混凝土內(nèi)部水流活躍性，此實(shí)質(zhì)上與硅質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)硅質(zhì)與混凝土膠凝材料結(jié)合，不僅僅會降低混凝土孔隙度，也會降低混凝土內(nèi)部細(xì)小顆粒的流動性，增大顆粒骨架整體對水流通道的“抵抗性”，故表現(xiàn)透水系數(shù)較低的現(xiàn)象。

圖5 不同硅灰摻量混凝土試樣透水系數(shù)

4 礦渣摻量對水工混凝土力學(xué)與透水性影響

4.1 力學(xué)特性

同理獲得不同礦渣摻量下水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖6。從圖6可看出，礦渣摻量對混凝土應(yīng)力影響存在拐點(diǎn)，當(dāng)?shù)V渣摻量在30%以內(nèi)時，混凝土應(yīng)力水平隨礦渣摻量為遞增特征，當(dāng)?shù)V渣摻量超過30%后，應(yīng)力水平隨礦渣摻量有遞減態(tài)勢，當(dāng)處于相同應(yīng)變1.2%時，礦渣摻量6%對應(yīng)的應(yīng)力為1.84 MPa，而礦渣摻量18%、30%相同條件下的應(yīng)力相比前者分別增大了4.2倍、6倍，但礦渣摻量36%應(yīng)力水平相比摻量30%時卻降低了22.8%。當(dāng)?shù)V渣存在于混凝土內(nèi)部后，可與水泥等膠凝材料形成良好的固結(jié)狀態(tài)，減少混凝土內(nèi)部孔隙，提升整體承載穩(wěn)定性，另一方面礦渣內(nèi)部所具有的鋁化物可與水泥漿液結(jié)合，增強(qiáng)顆粒間粘結(jié)性，減少初始裂隙的發(fā)育，亦是可提升混凝土承載能力[14-15]。當(dāng)?shù)V渣摻量超過30%后，此時礦渣成分可結(jié)合的混凝土自由水較少，無法進(jìn)一步提升混凝土內(nèi)部漿液流動性，導(dǎo)致顆粒骨架粘結(jié)性大大降低，進(jìn)而表現(xiàn)在承載能力水平降低的現(xiàn)象，就本文試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)?shù)V渣摻量在30%時混凝土應(yīng)力效果最佳。從峰值應(yīng)變來看，礦渣摻量30%試樣的應(yīng)變?yōu)?.4%，乃是四個試樣中最低者，其中峰值應(yīng)變一定程度上反映了試樣整體變形趨勢和能力，從力學(xué)曲線亦可知，在摻量影響拐點(diǎn)以下時，礦渣摻量有助于提升混凝土試樣線彈性變形能力，摻量6%時試樣的線彈性模量為3.5 MPa，而摻量18%、30%試樣線彈性模量相比之增大了1.12倍、2.66倍，但在摻量36%后線彈性模量有所降低，其中摻量36%試樣的線彈性模量相比摻量30%時降低了19.9%，綜上表明礦渣摻量有助于提升混凝土線彈性變形能力，但超過礦渣摻量影響節(jié)點(diǎn)后，對線彈性模量具有抑制效應(yīng)。

圖6 不同礦渣摻量下水工混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7為抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量變化曲線。從圖7強(qiáng)度曲線可知，各硅質(zhì)摻量試驗(yàn)組中，抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量為先增后減變化，其中在硅質(zhì)摻量8%試驗(yàn)組中，礦渣摻量6%的抗壓強(qiáng)度為22.88 MPa，而礦渣摻量為18%、30%試樣的抗壓強(qiáng)度相比前者增大了40.6%、90%，但摻量36%后抗壓強(qiáng)度相比之摻量30%時又降低了13.1%；從降低幅度來看，各硅質(zhì)摻量試驗(yàn)組試樣間抗壓強(qiáng)度變化幅度無顯著差異，硅質(zhì)摻量8%試驗(yàn)組中，在礦渣摻量力學(xué)特征影響拐點(diǎn)之前，當(dāng)摻量增大6%，強(qiáng)度增長幅度平均約為17.5%，而在此之后，礦渣摻量繼續(xù)增大6%，強(qiáng)度損耗幅度為13.1%。

圖7 抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量變化

4.2 透水特性

圖8為不同礦渣摻量下混凝土試樣的透水系數(shù)變化曲線。從圖8可知，透水系數(shù)隨礦渣摻量變化并無顯著一致性變化特征，表明礦渣摻量對混凝土透水系數(shù)無顯著性影響，硅質(zhì)摻量8%試驗(yàn)組中最大滲透系數(shù)為3.69 mm/s，屬礦渣摻量30%，當(dāng)?shù)V渣摻量增大6%，混凝土透水系數(shù)最大變化幅度僅為4.4%，該試驗(yàn)組中混凝土試樣的透水系數(shù)分布在3.5 mm/s～3.7 mm/s。綜上分析可知，設(shè)計混凝土配合比時，礦渣摻量僅需考慮其對混凝土承載強(qiáng)度影響，透水性影響基本可忽略。

圖8 不同礦渣摻量下混凝土透水系數(shù)

5 結(jié)論

(1)硅質(zhì)摻量與混凝土加載應(yīng)力水平以及脆性變形能力均具有正相關(guān)關(guān)系，硅灰摻量4%、8%、12%試樣的抗壓強(qiáng)度相比摻量0%試樣增大了16.1%、38.4%、53.7%，且礦渣含量并不影響硅灰摻量對混凝土強(qiáng)度能力的影響，硅質(zhì)摻量增大4%，抗壓強(qiáng)度平均增大了15.5%。

(2)硅灰抑制水工混凝土透水性，硅灰摻量8%、12%下混凝土透水系數(shù)相比摻量0%降低了17.6%、21.4%，且混凝土透水系數(shù)與硅質(zhì)摻量具有二次函數(shù)關(guān)系。

(3)礦渣摻量對混凝土應(yīng)力影響存在拐點(diǎn)，為摻量30%，礦渣摻量0～30%以內(nèi)時，混凝土承載力隨摻量為遞增，礦渣摻量增大6%，抗壓強(qiáng)度平均增長17.5%，而摻量超過30%后，承載力隨礦渣摻量為遞減，摻量增大6%，強(qiáng)度平均損耗13.1%。

(4)礦渣摻量對混凝土透水系數(shù)無顯著性影響，硅質(zhì)摻量8%試驗(yàn)組中礦渣摻量增大6%，混凝土透水系數(shù)最大變化幅度僅為4.4%，該組中礦渣摻量在6%～36%下的透水系數(shù)分布在3.5 mm/s～3.7 mm/s。