曾 鵬

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

混凝土是水利工程中常見的承載材料[1-2]，在工程中，其拉伸應(yīng)力表現(xiàn)是較弱一環(huán)，研究混凝土的力學(xué)特征，不能只研究混凝土壓縮力學(xué)特征，而是應(yīng)該從宏、細(xì)觀兩方面綜合評(píng)價(jià)其拉、壓力學(xué)水平。張冬梅等[3]、寧致遠(yuǎn)等[4]為研究混凝土的拉伸應(yīng)力特征，通過(guò)自研拉伸試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)開展了混凝土的拉伸力學(xué)破壞試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)了混凝土拉伸應(yīng)力、應(yīng)變的影響因素，有助于提高混凝土拉伸力學(xué)認(rèn)知水平。李春元[5]、鮑耀等[6]為綜合探討混凝土的拉、壓應(yīng)力表現(xiàn)，分別設(shè)計(jì)了拉伸、壓縮力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)比了拉、壓力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與其他物理因素之間的關(guān)聯(lián)性，為工程建設(shè)提供了力學(xué)依據(jù)?；炷晾簯?yīng)力宏觀差異已有較多研究成果，而細(xì)觀研究可幫助分析此種差異性根源，劉洋甫等[7]利用聲發(fā)射、SEM掃描等方法開展了混凝土的細(xì)觀力學(xué)破壞監(jiān)測(cè)，重構(gòu)了混凝土破壞路徑的演變過(guò)程，有力支撐了混凝土拉、壓應(yīng)力破壞根源性研究。依托高安水庫(kù)工程混凝土材料改性設(shè)計(jì)背景，借助直接拉伸試驗(yàn)裝置和CT掃描手段，揭示混凝土拉、壓破壞路徑及差異性。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)述

1.1 工程概述

作為贛江中下游支流重要控制樞紐，高安水庫(kù)承擔(dān)著錦河水資源調(diào)度，控制著錦河以及贛江在高安境內(nèi)的其他支流，具有防洪排澇、水力發(fā)電以及生態(tài)補(bǔ)水的作用，特別是在枯水季，高安水庫(kù)水資源調(diào)度，對(duì)下游鄱陽(yáng)湖生態(tài)補(bǔ)水，乃至南昌市區(qū)的水資源供應(yīng)，均有較大的幫助。高安水庫(kù)控制流域面積為129km2，設(shè)計(jì)庫(kù)容量為1.85億m3，正常蓄水位為83m，設(shè)計(jì)洪水位為84.85m，所建設(shè)的輸水干渠總長(zhǎng)接近150km，可滿足高安、宜豐等地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，惠及農(nóng)田面積超過(guò)10萬(wàn)hm2。同時(shí)，作為贛江下游重要的梯級(jí)調(diào)度樞紐，高安水庫(kù)承擔(dān)了南昌市區(qū)防洪安全，僅2020年6月梅雨季，整個(gè)贛江流域降雨量打破了8、12、24h降雨，全流域出現(xiàn)洪峰警報(bào)，而高安水庫(kù)開閘泄洪，有力支撐了南昌、鄱陽(yáng)湖的防洪體系。該水庫(kù)作為贛江下游不可或缺的水利樞紐，其在較長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)年限內(nèi)，部分水工建筑已出現(xiàn)老化或防滲體系破損的現(xiàn)象，尤以水庫(kù)大壩部分區(qū)段滲流活動(dòng)加劇，常年的大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)2020—2022年的較大洪峰過(guò)境沖擊，高安水庫(kù)大壩基巖滲透侵蝕破壞較嚴(yán)重，很大程度上，高安水庫(kù)運(yùn)營(yíng)能力均與大壩防洪安全密切相關(guān)。因此，水庫(kù)管理部門考慮對(duì)主、副壩進(jìn)行檢修并加固，同時(shí)建設(shè)新副壩，對(duì)新副壩發(fā)電引水涵管進(jìn)口啟閉塔工作橋重點(diǎn)勘測(cè)加固，其橋體三維特征如圖1所示。

圖1 啟閉塔工作橋三維特征

工作橋設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆鋼混結(jié)構(gòu)，橋梁主梁最大跨度為10.5m，最小跨度也達(dá)到了9.1m，主梁截面高×寬為0.6m×0.35m，橋面寬度為2.5m，澆筑鋪設(shè)的混凝土厚度達(dá)30cm。根據(jù)高安水庫(kù)主、副壩檢修加固施工方案，啟閉塔工作橋乃是施工重難點(diǎn)，其混凝土澆筑面、橋梁跨度等，均影響著施工安全?；诟甙菜畮?kù)啟閉塔工作橋施工影響因素分析，大體積混凝土的開裂、承載弱等問(wèn)題必須解決，而設(shè)計(jì)部門討論在原類型混凝土基礎(chǔ)上，進(jìn)行材料改性設(shè)計(jì)，提高啟閉塔工作橋工程混凝土的適用性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)啟閉塔工作橋混凝土材料應(yīng)用需求，主要考慮到混凝土的抗拉能力以及承載能力，因此本試驗(yàn)研究對(duì)象為混凝土的拉、壓力學(xué)特征，且試驗(yàn)對(duì)象為改性混凝土。從工程現(xiàn)場(chǎng)取回原狀混凝土，測(cè)試其粗骨料公稱粒徑為10～16mm，級(jí)配良好，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.68，水灰比為0.62，在考慮已有工程成果前提下[8]，采用鋼纖維為改性劑，主要可提升混凝土整體拉結(jié)性，所采用的鋼纖維原料如圖2(a)所示。所有試件均在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重塑加工，制作成圓柱體或長(zhǎng)方體形態(tài)，其中拉伸力學(xué)試驗(yàn)采用直接拉伸方法，配合有拉伸粘結(jié)頭，分別固定在試樣頂、底部，拉頭與試件之間的粘結(jié)性滿足國(guó)標(biāo)試驗(yàn)要求[9]，其制作方法及試件安裝原理如圖2(b)所示，圓柱體試件直徑、高度分別為50、100mm，長(zhǎng)方體試件邊長(zhǎng)分別為150、75、75mm，且表面平整度不存在超過(guò)1mm的裂隙，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)完成8h養(yǎng)護(hù)才可進(jìn)行后續(xù)力學(xué)加載試驗(yàn)。

圖2 改性混凝土試件及摻加料

為確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性，采用GCTS多功能巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備開展對(duì)比試驗(yàn)，該設(shè)備如圖3(a)所示，加載系統(tǒng)與控制系統(tǒng)互為獨(dú)立，不產(chǎn)生數(shù)據(jù)干擾影響，所配備的位移監(jiān)測(cè)設(shè)備有LVDT引伸計(jì)、環(huán)向應(yīng)變計(jì)等，可實(shí)時(shí)獲取試件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變特征。直接拉伸試驗(yàn)通過(guò)加載頭與試件的粘結(jié)，避免產(chǎn)生壓縮應(yīng)力干擾，其試樣加載安裝如圖3(b)所示，而壓縮力學(xué)試驗(yàn)為常規(guī)三軸力學(xué)方法，如圖3(c)所示為其試件安裝加載狀態(tài)。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備及試件

不僅如此，為全面反映改性混凝土力學(xué)特征影響，在宏觀力學(xué)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，增加細(xì)觀力學(xué)分析，所采用的細(xì)觀研究手段為工業(yè)CT試驗(yàn)設(shè)備，如圖4所示，該工業(yè)級(jí)CT設(shè)備掃描速度為6.5幀/s，裂隙分辨率最小為2μm，可對(duì)試樣裂隙特征進(jìn)行三維重組。

圖4 工業(yè)CT試驗(yàn)設(shè)備

基于上述試驗(yàn)分析及設(shè)備闡述，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為了宏觀力學(xué)與細(xì)觀CT掃描，其中宏觀力學(xué)為直接拉伸與三軸壓縮，所用試件改性劑摻量均保持一致，方案改性劑摻量梯次為1.5%～9%，間隔摻量為1.5%，另增設(shè)有摻量0%、10% 2組對(duì)比試樣。三軸試驗(yàn)中圍壓設(shè)定為5、30MPa，CT掃描在力學(xué)加載前、后都要進(jìn)行，并重構(gòu)三維裂隙分布。

2 混凝土材料宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸力學(xué)特征

基于不同摻量改性劑下混凝土試樣拉伸力學(xué)試驗(yàn)，獲得了改性劑摻量對(duì)試樣應(yīng)力、應(yīng)變影響特性，如圖5所示。

圖5 改性混凝土直接拉伸應(yīng)力應(yīng)變特征

從圖5中可看出，改性劑摻量不同，混凝土的拉伸應(yīng)變?cè)诜逯祽?yīng)力后會(huì)呈現(xiàn)差異性變化特征，部分試樣在峰值拉伸應(yīng)力后，不會(huì)快速下降，而是逐漸出現(xiàn)殘余應(yīng)力，此部分試樣摻量為7.5%、9%、10%，殘余應(yīng)力分別為2.65、2.77、2.88MPa。與之不同的是，也有部分試樣在出現(xiàn)峰值拉伸應(yīng)力后，迅速發(fā)生應(yīng)力下降，此部分以原狀混凝土為典型，且摻量1.5%～6%的試樣也是如此，只要出現(xiàn)峰值拉伸應(yīng)力，混凝土迅速發(fā)生失穩(wěn)。對(duì)比摻量與應(yīng)變關(guān)系可知，峰值應(yīng)變離散性較顯著，摻量0%、3%、6%試樣峰值應(yīng)變依次為0.18%、0.21%、0.22%，而摻量7.5%、10%試樣分別為0.2%、0.25%，因此，改性劑摻量對(duì)拉伸應(yīng)變影響主要在于拉伸破壞后。

總體上來(lái)看，當(dāng)改性劑摻量愈多，則混凝土拉伸應(yīng)力水平愈大，此趨勢(shì)較為顯著，特別是峰值拉伸應(yīng)力的對(duì)比更為宏觀，原狀混凝土峰值拉伸應(yīng)力為2.03MPa，而摻量3%、6%、9%下試樣承載拉伸應(yīng)力較之前者分別提高了88.9%、199.5%、249.1%。從拉伸應(yīng)力的促進(jìn)效果來(lái)看，在摻量6%后，試樣拉伸應(yīng)力效果的增幅逐漸減小，如摻量6%～7.5%試樣、9%～10%試樣間，峰值拉伸應(yīng)力分別僅增長(zhǎng)了0.73、0.25MPa。因此，在一定區(qū)間內(nèi)，改性劑摻量對(duì)混凝土拉伸應(yīng)力改變效果較好，過(guò)多摻量的改性劑，反而會(huì)改變混凝土顆粒結(jié)構(gòu)特征[10]，導(dǎo)致抗拉能力變?nèi)?，因此本工程中混凝土材料的改性劑摻量不?yīng)過(guò)高。

2.2 壓縮力學(xué)特征

同理，針對(duì)混凝土三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖6為兩圍壓下混凝土試樣壓縮力學(xué)特征。分析可知，與拉伸力學(xué)不同的是，混凝土的壓縮應(yīng)力、應(yīng)變均高于前者，且不論是圍壓5或是30MPa，改性劑摻量不會(huì)改變混凝土壓縮應(yīng)變發(fā)展方向。圍壓5MPa下，各試樣均在峰值應(yīng)力后出現(xiàn)了應(yīng)力下降，且殘余應(yīng)力基本吻合，同時(shí)峰值應(yīng)變穩(wěn)定在0.86%，殘余應(yīng)力與峰值應(yīng)力之間降幅分布于56.9%～82.9%；圍壓30MPa時(shí)，混凝土試樣在峰值應(yīng)力后的降幅不及前者圍壓，但總體上各試樣應(yīng)變發(fā)展效應(yīng)具有類似性，各個(gè)試樣在高圍壓作用下，均加強(qiáng)了延塑性變形，峰值應(yīng)力后的應(yīng)力降幅分布于1.5%～6%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改性劑摻量對(duì)混凝土壓縮變形影響較弱，而圍壓乃是改變混凝土壓縮應(yīng)變的最大因素[11]。

圖6 改性混凝土三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征

從混凝土壓縮應(yīng)力水平來(lái)看，其與摻量的關(guān)系也是正相關(guān)，同樣也是在一定摻量后，混凝土的應(yīng)力水平增長(zhǎng)也減緩。圍壓5MPa時(shí)，摻量0%～6%時(shí)，試樣三軸抗壓強(qiáng)度分布于31～80.3MPa，各摻量間試樣抗壓強(qiáng)度平均增長(zhǎng)了12.3MPa，增幅穩(wěn)定在26.9%，而摻量7.5%～10% 3個(gè)試樣之間抗壓強(qiáng)度僅增長(zhǎng)了6.9%。同樣的，圍壓增大至30MPa后，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度分布于74.85～297.1MPa，且同樣在摻量7.5%～10%之間，強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩；但不可忽視，圍壓增大后，混凝土試樣承載能力不僅提高，同時(shí)改性劑摻量與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系更敏感，當(dāng)摻量每梯次遞增1.5%，在摻量0%～6%區(qū)間內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度能平均增長(zhǎng)35.2%。分析表明，在壓縮應(yīng)力狀態(tài)，混凝土承載能力與改性劑摻量關(guān)系受圍壓影響顯著，控制改性劑摻量在不超過(guò)6%時(shí)最為適宜。

3 混凝土材料細(xì)觀力學(xué)特征

為驗(yàn)證宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，基于CT掃描細(xì)觀特征分析[12]，獲得了不同摻量下試樣三維孔隙重構(gòu)特征，如圖7所示。

圖7 混凝土試樣三維孔隙重構(gòu)特征

從圖7中可看出，不同應(yīng)力狀態(tài)下，試樣加載破壞后的孔隙分布特征不盡相同，拉伸應(yīng)力破壞后孔隙數(shù)量顯著高于壓縮應(yīng)力，但隨著改性劑摻量增多，混凝土破壞后內(nèi)部孔隙數(shù)量也減少。對(duì)比之下，拉伸應(yīng)力破壞路徑下，孔隙集中于試樣端部與中上部，而壓縮應(yīng)力下，孔隙從端部逐漸向著底部擴(kuò)散，即混凝土壓縮破壞路徑乃是從端-中-底部擴(kuò)展、貫通，從工程應(yīng)用角度考慮，避免混凝土受拉，減少混凝土的拉應(yīng)力集中區(qū)域更為安全。

基于CT孔隙重構(gòu)結(jié)果，可獲得不同摻量下混凝土的各孔隙體積區(qū)間數(shù)量分布特征，如圖8所示。

圖8 混凝土CT掃描破壞后孔隙分布特征

由圖8可知，在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土破壞后孔隙數(shù)量占比最多的為孔隙體積低于0.1mm3，在孔隙體積<0.01、0.01～0.1mm32個(gè)區(qū)間內(nèi)，混凝土試樣孔隙數(shù)量占總數(shù)量的90%以上，此種趨勢(shì)在各摻量試樣拉伸破壞中皆是如此，即拉伸破壞的根源在于細(xì)小裂隙的滋生，影響著材料軟弱面的承載，因而混凝土抗拉能力較弱。不同的是，壓縮應(yīng)力下，體積超過(guò)1mm3的孔隙數(shù)量最多，尤以孔隙體積1～10mm3占比最多，幾乎每個(gè)試樣該孔隙體積區(qū)間內(nèi)數(shù)量占比均超過(guò)50%。細(xì)觀結(jié)果表明，混凝土壓縮破壞來(lái)自于大裂隙的擴(kuò)展、延伸、貫通，從而導(dǎo)致了試樣失穩(wěn)?？傮w上看，當(dāng)改性劑摻量增多，不論是拉伸應(yīng)力或是壓縮應(yīng)力下，孔隙數(shù)量均會(huì)減少[13]，但孔隙體積區(qū)間主導(dǎo)地位不會(huì)改變，即改性劑的存在，不會(huì)改變混凝土壓縮或拉伸應(yīng)力破壞路徑。從高安水庫(kù)啟閉塔工作橋的建設(shè)來(lái)看，適當(dāng)增添改性劑，如摻量6%，有助于提高拉、壓承載能力，優(yōu)化工程運(yùn)營(yíng)能力。

4 結(jié)論

(1)改性劑摻量會(huì)影響混凝土的殘余拉伸應(yīng)力段特征；摻量與拉伸應(yīng)力水平為正相關(guān)特征，但在摻量6%后，拉伸應(yīng)力增長(zhǎng)不明顯。

(2)摻量不會(huì)改變混凝土壓縮應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)，而圍壓會(huì)影響混凝土壓縮應(yīng)變特征；摻量愈多，混凝土壓縮應(yīng)力愈大，但過(guò)多摻量，同樣會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩。

(3)CT三維裂隙重構(gòu)表明了拉伸應(yīng)力破壞來(lái)自于端部及中上部，而壓縮應(yīng)力下，孔隙由端-中-底部擴(kuò)展、貫通。

(4)拉、壓應(yīng)力下，孔隙數(shù)量最多的分別為孔隙體積<0.1、1～10mm3；改性劑摻量愈多，混凝土孔隙數(shù)量愈少，但孔隙體積優(yōu)勢(shì)區(qū)間不會(huì)改變。