周新川

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

混凝土材料在水利工程中應(yīng)用廣泛，混凝土防滲材料配比方案的優(yōu)化確定對(duì)于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。為此國(guó)內(nèi)不少學(xué)者[2- 5]采用仿真模擬平臺(tái)對(duì)混凝土顆粒力學(xué)特征進(jìn)行模擬，從而對(duì)了解混凝土防滲材料的力學(xué)特性提供了有效的研究方式和手段，但其防滲材料固體顆粒力學(xué)仿真模擬效果受混凝土構(gòu)造及內(nèi)部防滲材料顆粒形態(tài)影響較大，使得其防滲材料單軸力學(xué)模擬效果和實(shí)際力學(xué)特征有所差異。河道堤防混凝土防滲材料穩(wěn)定性通過(guò)原位觀測(cè)試驗(yàn)測(cè)定值和實(shí)際值吻合度較高，分析的結(jié)果也更為可靠[6]。因此，采用原位觀測(cè)方式，通過(guò)設(shè)計(jì)單軸力學(xué)及滲透試驗(yàn)對(duì)水工混凝土性能進(jìn)行測(cè)試成為當(dāng)前分析水工混凝土穩(wěn)定性的重要手段和依據(jù)[7]。近些年來(lái)關(guān)于堤防岸坡防滲材料特性研究取得一定成果[8- 14]，但是對(duì)于河道堤防岸坡不同砂率及碳釬維摻量下的防滲材料性能影響研究還較少，為此本文用單軸力學(xué)及透水試驗(yàn)對(duì)不同砂率及碳釬維摻量下的防滲材料性能進(jìn)行測(cè)定，研究成果對(duì)于堤防防滲材料的參數(shù)配比方案具有參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)河段堤防概況

以遼河干流遼中水文站上游20km綜合治理河段作為原位觀測(cè)河段，河流上游設(shè)置有防洪橡膠板和一個(gè)蓄能抽水泵站，河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防行洪能力為3500m3/s，河道防洪堤防頂部設(shè)計(jì)高程為11.5m，迎水和背水兩側(cè)的坡度均為1∶2，堤防地基堆筑材料主要為黏土、砂土等土料，對(duì)各層土料進(jìn)行分層壓實(shí)，堤頂沉降最大值不高于6mm，堤防岸坡的防滲結(jié)構(gòu)通過(guò)土工布和防滲墻進(jìn)行共同構(gòu)成，防滲墻厚度設(shè)計(jì)值為55cm，基巖插入的深度為0.8m，防滲墻結(jié)構(gòu)河段堤防每隔100m的距離進(jìn)行布設(shè)，滲透坡降對(duì)于堤防最大值低于0.25。河段上游由于抽水蓄能泵站放水影響，上游來(lái)水對(duì)下游河道沖刷影響明顯。為此在河段進(jìn)行綜合治理時(shí)，需要對(duì)岸坡穩(wěn)定及滲透性能進(jìn)行加固和改善。在河段堤防工程設(shè)計(jì)時(shí)采用坡面加固噴射材料作為其河道堤防水工混凝土的主要防滲材料，由于對(duì)坡面加固噴射材料的沖刷及防滲性能認(rèn)識(shí)不足，尤其是對(duì)加固噴射材料的砂率及碳釬維摻量配比方案還存在一定盲區(qū)，因此亟需對(duì)加固防滲材料的力學(xué)特性及滲透性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定參數(shù)配比最優(yōu)方案。

2 試驗(yàn)方法

2.1 主要試驗(yàn)儀器

本文主要采用原位采樣，室內(nèi)試驗(yàn)的方式，通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮和透水試驗(yàn)對(duì)加固噴射的水工混凝土材料力學(xué)及防滲性能進(jìn)行測(cè)定，采用伺服式液壓控制系統(tǒng)對(duì)其防滲材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，該液壓操作系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)加載及采集系統(tǒng)對(duì)其液壓程序進(jìn)行控制，其中單軸荷載最高值為1000kN，變形控制為其主要的單軸壓縮方式，壓縮速率最大值為100kN/min，最大速率對(duì)于其液壓控制系統(tǒng)為4mm/min，試樣在全過(guò)程中均可保證兩種采集方式按照試驗(yàn)預(yù)定進(jìn)行失穩(wěn)破壞。傳感器監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)自動(dòng)處理包含在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)，混凝土材料下的軸環(huán)向變形通過(guò)傳感器進(jìn)行測(cè)定，軸向傳感器變形量監(jiān)測(cè)量程在±10mm范圍內(nèi)，環(huán)向變形最大監(jiān)測(cè)值可達(dá)到20mm，各變形監(jiān)測(cè)傳感器誤差低于0.5%。每隔0.5s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)自動(dòng)處理及采集，應(yīng)力變形狀態(tài)通過(guò)試驗(yàn)混凝土樣品加載單軸力學(xué)后可以進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。采用簡(jiǎn)易透水裝置進(jìn)行透水試驗(yàn)，水頭變化每間隔1s進(jìn)行記錄，本次試驗(yàn)中以砂率及碳釬維摻量作為主要配比參數(shù)方案，針對(duì)砂率及碳釬維摻量不同配比方案進(jìn)行變形應(yīng)力及滲透性能的測(cè)試，結(jié)合試驗(yàn)河段采用的混凝土試驗(yàn)材料，砂率及碳釬維摻量初始設(shè)定參數(shù)配比方案見表1。

表1 砂率及碳釬維摻量初始設(shè)定參數(shù)范圍配比

2.2 試驗(yàn)步驟

通過(guò)設(shè)定水壓恒定值采用自然滲透的方式對(duì)混凝土材料的滲透性能進(jìn)行試驗(yàn)，滲透試驗(yàn)步驟較為簡(jiǎn)易，主要以單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行滲透破壞試驗(yàn)，具體步驟為：

(1)混凝土材料在完成透水試驗(yàn)進(jìn)行烘干后，進(jìn)行12h的養(yǎng)護(hù)，相關(guān)物理指標(biāo)在試驗(yàn)前完成測(cè)定，液壓控制系統(tǒng)內(nèi)放入試驗(yàn)材料。加載方向與試驗(yàn)兩端中心面保持一致，監(jiān)測(cè)傳感器在加載試驗(yàn)前安裝到不同配比參數(shù)方案下的混凝土不同軸向，相關(guān)測(cè)試的物理參數(shù)提前在程序中進(jìn)行設(shè)定。

(2)以變形加載控制整個(gè)試驗(yàn)全程，逐步進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，變形控制速率低于0.02mm/min范圍內(nèi)，逐步進(jìn)行加載到混凝土試驗(yàn)材料出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象后加載試驗(yàn)停止。

(3)采集的變形及透水試驗(yàn)數(shù)據(jù)在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行保存，變形傳感器從荷載中進(jìn)行卸載，進(jìn)行其他試樣的測(cè)定，并按以上步驟進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

3 混凝土防滲材料單軸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同砂率對(duì)混凝土單軸力學(xué)影響試驗(yàn)

首先針對(duì)4種初始砂率條件下的單軸進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)其不同應(yīng)變力條件下的應(yīng)力加載值進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 不同砂率對(duì)混凝土單軸力學(xué)影響試驗(yàn)結(jié)果

從表1中試驗(yàn)結(jié)果可看出，砂率和應(yīng)力加載值呈現(xiàn)正關(guān)系，隨著砂率增加其不同應(yīng)變條件下的應(yīng)力加載值逐步加大，砂率在配比方案中值越高其混凝土防滲材料的應(yīng)力逐步增加。在相同應(yīng)變力條件下，當(dāng)砂率增加到2%、4%、6%時(shí)相比于0%砂率條件下其應(yīng)力增加值分別增加倍比分別在0.9～12.5之間。在進(jìn)行混凝土防滲材料配比中砂率越高，這主要是因?yàn)榛炷练罎B材料中骨架顆?？紫吨心芨玫谋簧白犹畛洌沟闷淇紫堵时唤档?，從而提高混凝土防滲材料的承載能力。隨著砂率增加混凝土防滲材料變形特征越明顯。相比于0%砂率下，當(dāng)砂率增加到2%、4%、6%時(shí)其彈性模量增幅在1.5～3.2倍，其試驗(yàn)在應(yīng)力峰值后的砂率有所下降，6%初始砂率條件下應(yīng)力峰值下降幅度超高跟50%，而0%初始砂率試驗(yàn)條件下應(yīng)力峰值下降幅度低于20%，不同砂率條件下各試驗(yàn)材料樣品隨著砂率增大而減小，因此在進(jìn)行防滲材料增加試驗(yàn)材料砂率要避免破壞材料的脆性。

3.2 不同碳釬維摻量對(duì)混凝土單軸力學(xué)影響試驗(yàn)

在進(jìn)行不同砂率條件下混凝土單軸力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同碳纖維摻量下堤防岸坡混凝土防滲材料的單軸力學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)，分析結(jié)果見表3。

表3 不同碳釬維摻量對(duì)混凝土單軸力學(xué)影響試驗(yàn)結(jié)果

從表3中試驗(yàn)結(jié)果可知，碳纖維摻量對(duì)混凝土的加載應(yīng)力有一定促進(jìn)效應(yīng)，相比于0%的碳纖維摻量下，其他碳纖維摻量下的應(yīng)力加載值分別可增加倍比在20%以上，混凝土防滲材料應(yīng)力加載值整體上雖然可通過(guò)碳纖維摻量有所促進(jìn)，但對(duì)應(yīng)力水平增幅總體影響較小。各防滲材料試樣的變形特征隨碳纖維摻量變化影響差異性較低，各試驗(yàn)材料的彈性模量均在4.5MPa左右范圍內(nèi)變化，各試驗(yàn)碳纖維摻量條件下應(yīng)力峰值變化較小，混凝土防滲材料變形特征受碳纖維摻量影響較低。

3.3 碳釬維摻量-抗壓強(qiáng)度及砂率-抗壓強(qiáng)度曲線

對(duì)不同碳纖維摻量和砂率初始條件下對(duì)碳纖維摻量-混凝土防滲材料抗壓強(qiáng)度及砂率-混凝土防滲材料的抗壓強(qiáng)度曲線進(jìn)行試驗(yàn)分析，如圖1—2所示，并對(duì)碳纖維摻量、砂率初始條件下的碳釬維摻量-抗壓強(qiáng)度及砂率-抗壓強(qiáng)度曲線進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表4—5。

圖1 相同碳釬維摻量下砂率-抗壓強(qiáng)度擬合曲線

圖2 相同砂率下碳釬維摻量-抗壓強(qiáng)度擬合曲線

表4 砂率-抗壓強(qiáng)度擬合曲線顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

表5 碳釬維摻量-抗壓強(qiáng)度擬合曲線顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

從4種碳纖維摻量條件下的砂率-抗壓強(qiáng)度曲線可看出，隨著砂率的增加混凝土防滲材料抗壓強(qiáng)度逐步增加，但隨著砂率增加，其抗壓強(qiáng)度曲線逐步變化平緩，強(qiáng)度增幅有所減小，這和前面砂率條件單軸力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果也較為吻合，當(dāng)存在碳纖維摻量時(shí)，砂率的增加對(duì)其強(qiáng)度促進(jìn)影響較小，當(dāng)砂率初始率增加到4%后防滲材料的抗壓強(qiáng)度遞增幅度可達(dá)到36.5%，而再增加到6%后其抗壓強(qiáng)度增幅可達(dá)到71.5%，抗壓強(qiáng)度隨著砂率增加其平均強(qiáng)度總體呈現(xiàn)遞增變化，砂率每增加2%其抗壓強(qiáng)度平均可提高34.5%。從4種砂率條件下碳纖維摻量-抗壓強(qiáng)度曲線可看出，碳纖維摻量增加到一定程度后其防滲材料的抗壓強(qiáng)度增幅有所降低，當(dāng)碳纖維摻量每增加1%時(shí)抗壓強(qiáng)度增幅均值均為8.2%。從各砂率條件下抗壓強(qiáng)度曲線可看出混凝土防滲材料的抗壓強(qiáng)度隨著碳纖維摻量增加有所提高，但影響程度相比于砂率影響要小。從不同試驗(yàn)初始條件下砂率-抗壓強(qiáng)度曲線及碳纖維摻量-壓強(qiáng)度曲線檢驗(yàn)值可看出，各擬合曲線的決定系數(shù)均高于0.7，擬合度較高，且從兩組曲線檢驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著碳纖維摻量和砂率不同程度的增加，其曲線擬合度有所降低，這主要是因?yàn)殡S著砂率和碳纖維摻量增加，其抗壓強(qiáng)度影響度降低，使得其擬合曲線吻合度有所減小。從F檢驗(yàn)值可看出，各組曲線均具有較好的顯著性，通過(guò)試驗(yàn)確定的砂率-抗壓強(qiáng)度曲線及碳纖維摻量-抗壓強(qiáng)度曲線可以為后期防滲材料設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度下砂率和碳纖維摻量的配比值提供技術(shù)支撐。

4 混凝土防滲材料透水試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 砂率對(duì)防滲材料透水系數(shù)影響試驗(yàn)

結(jié)合簡(jiǎn)易透水裝置對(duì)不同砂率對(duì)防滲材料的透水性能影響進(jìn)行試驗(yàn)，各碳纖維摻量下的砂率-透水系數(shù)擬合曲線結(jié)果如圖3所示，并對(duì)各組擬合曲線的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖3 不同碳纖維摻量砂率-透水系數(shù)擬合曲線

表6 砂率-透水系數(shù)擬合曲線顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

從表6結(jié)果可看出，混凝土透水性能隨著砂率的較大而有所減小，每加大2%砂率，平均滲透系數(shù)可減少24.2%。水工混凝土防滲材料的滲透性能隨著砂率的增加有所減小，隨著砂率的增加，防滲材料骨架顆?？紫冻鋵?shí)度增加，孔隙度被降低，滲透通道在混凝土防滲材料內(nèi)部被抑制，滲透系數(shù)隨著砂率增加有所降低，這也說(shuō)明在試驗(yàn)材料中有碳纖維摻量存在時(shí)可以對(duì)其滲透性能有所抑制。從不同碳纖維摻量下砂率-透水系數(shù)擬合曲線檢驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著碳纖維摻量增加，其砂率-透水系數(shù)擬合曲線擬合決定性系數(shù)有所降低，這主要是因?yàn)殡S著砂率增加其滲透性能有所降低，使得其擬合曲線的決定系數(shù)降低，但各組曲線的F檢驗(yàn)值表明均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

4.2 碳釬維摻量對(duì)防滲材料透水系數(shù)影響試驗(yàn)

對(duì)各砂率下的碳纖維摻量-透水系數(shù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖4所示，并對(duì)各組擬合曲線的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

從圖4中可看出，混凝土防滲材料的透水性能受碳纖維摻量的增加影響呈下降變化，碳釬維摻量對(duì)混凝土透水性能的影響低于對(duì)其強(qiáng)度性能的影響，透水系數(shù)均值隨著碳纖維摻量每增加1%可平均減少23.5%，物理化學(xué)反應(yīng)可在膠凝材料和碳纖維中產(chǎn)生，混凝土防滲材料的流動(dòng)性受其中固體沉淀顆粒的影響有所降低，防滲材料內(nèi)部滲透通道受到影響而有所堵塞，混凝土滲透系數(shù)隨碳纖維摻量增加呈線性遞減變化。從不同砂率條件下的碳纖維摻量-透水系數(shù)擬合曲線的擬合度檢驗(yàn)和顯著性檢驗(yàn)變化可看出，各組擬合曲線的決定系數(shù)均高于0.7，呈現(xiàn)較高的擬合變化，但隨著砂率增加其擬合度有所減小，這主要是因?yàn)殡S著砂率的增加混凝土防滲材料的滲透性能有所抑制，因此降低了其擬合系數(shù)，同理隨著砂率增加碳纖維摻量-透水系數(shù)擬合曲線的顯著性檢驗(yàn)水平也有所降低。

圖4 不同砂率條件下的碳纖維摻量-透水系數(shù)擬合曲線

表7 碳釬維摻量-透水系數(shù)擬合曲線顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

(1)混凝土防滲材料配比設(shè)計(jì)時(shí)，砂率配比建議在2%～4%之間，以免砂率過(guò)高，加大防滲材料的脆性破壞，結(jié)合試驗(yàn)確定的砂率-抗壓強(qiáng)度擬合曲線，在設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度下，確定其砂率配比值，再結(jié)合砂率-滲透系數(shù)曲線擬合值綜合確定其滲透系數(shù)設(shè)計(jì)值。

(2)砂率、碳纖維摻量對(duì)防滲材料的滲透性能均有抑制作用，其中砂率的抑制作用要強(qiáng)于碳纖維摻量，因此在防滲材料配比方案設(shè)計(jì)時(shí)，可提高砂率配比量，降低碳纖維摻量配比量，建議砂率、碳纖維摻量可按2∶1或者3∶1進(jìn)行配比。

(3)砂率、碳纖維摻量對(duì)防滲材料強(qiáng)度和滲透性能影響是相互的，并不獨(dú)立，因此后期研究中還應(yīng)對(duì)其不同配比組合方案下的單軸力學(xué)及滲透性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。