引水工程衬砌结构中特种混凝土材料单轴压缩应力特性分析

任恒谊

(山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东 胶州 266300)

特种混凝土在水利工程建设中具有重要作用，其较好的刚度结构及抗冻特性在胶东地区的许多水工建筑结构中均有应用，研究其强度变形特性对提升该类材料在水工结构中应用水平具有较大帮助[1-2]。国内外已有较多学者针对水工用特种混凝土开展静三轴等室内试验，探讨了该类材料强度变形特性，但并未阐述分析混凝土力学特征与温度、加载速率等之间的关系[3-5]。混凝土作为一种颗粒结构较显著的材料，一些学者借助颗粒流软件模拟混凝土在冻融循环、单轴压缩等破坏过程中强度变形特性，探讨混凝土受温度影响特性[6-8]；由于室内试验结果受尺寸差异的影响，探讨混凝土的尺寸效应对揭示混凝土强度特征受温度、加载速率影响具有较大帮助[9]，因而，文章将在实际水利工程应用背景下，探讨特种混凝土最佳配合比，并以此开展单轴破坏特性试验[10-11]，为水利工程中特种混凝土材料应用设计提供试验依据和参考。

1 试验背景与配合比试验

1.1 试验背景

胶东地区在建设引黄济青输水工程时，考虑输水渠道衬砌结构防渗稳定性，设计采用特种混凝土作为主要原材料。另外，引黄济青工程主要应对区域内农业水资源与工业水资源需求，其中引水工程与农业灌区均采用输水干渠作为中间载体，干渠总长度超过100km，渠首流量控制在0.65m3/s，不论是输水干渠还是引水工程的地面水工建筑，均需要大量混凝土材料，但由于输水渠道面临水资源流量变化，对衬砌结构承载稳定性具有较大考验，当工程环境发生较大变化时，势必会对混凝土衬砌结构力学稳定性产生影响。为此，引水工程设计部门须考虑针对特种混凝土进行最佳配合比强度破坏实验研究，试图探讨地区工程特种混凝土材料性能最佳。

1.2 配合比试验

笔者针对特种混凝土配合比参数设计，主要采用矿料级配、油石比、掺合料含量三个方面参数开展讨论研究。其中矿料级配计算按照下式计算：

(1)

根据胶东地区工程特点，笔者采用三个级配指数，即0.39、0.41、0.43开展对比研究。油石比与掺合料含量选取应按照规范要求[12-13]，3个对照组的油石比参数分别为6.4%、6.8%、7.2%；掺合料对比参数分别为10%、12%、14%。按照配合比组合，共设计了以下9个配合比实验组，见表1。

表1 特种混凝土配合比试验方案组

由于混凝土抗拉性能关乎工程质量安全性，为选出最佳配合比，笔者针对上述9个实验组分别制作出符合间接拉伸试验需求的各配合比试样，如图1所示，利用混凝土材料试验机开展间接拉伸试验，在试验前每块试样均测定其孔隙度，基于间接拉伸试验获得各个配合比试样的平均强度与最大拉伸位移，如图2所示。比较各配合比间接拉伸强度与变形结果可知，L-6试样强度最大，达2.079MPa，但其位移较低，仅为2.3mm，位移最大者为L-7试样，相比前者增大了15.6%，达2.66mm，综合位移与强度表现来看，L-5试样的强度达1.99MPa，乃是9组配合比试验方案中仅次于L-6的试样，其位移达2.59mm，变形能力一定程度反映了材料在受拉应力时所能承受的弯曲幅度，因而文章综合考虑间接拉伸试验选取L-5试样配合比方案，即级配指数为0.41、油石比为6.8%、掺合料含量为12%。

图1 特种混凝土试样形态

图2 各试样强度、拉伸位移变化曲线

2 单轴抗压破坏试验方案

不同于间接拉伸试验所用试样，本次变速率单轴试验需考虑不同温度与不同加载速率下混凝土破坏特性，因而需按照最佳配合比方案制作出单轴实验试样。在工程施工现场，对特种混凝土样品进行切割，获得不同尺寸的特种混凝土试样，在室内进行精加工，打磨试样表面以及按照径高100mm×200mm尺寸切割，获得如图3所示试样。

图3 单轴破坏试验试样

由于需要测定不同低温条件下特种混凝土试样单轴破坏特性，因而以RMTS试验机作为加载系统，该试验系统附加有环境模拟箱，可实现环境温度在-40～150℃下的加载试验，即可满足加载与低温实时进行的试验要求。根据前述实验目的，本实验中应变速率梯度分别为10-4、10-3、10-2、10-1s-1，试验环境温度按照引水工程所在地不同季节，模拟环境温度为-5、0、5℃，故最终实验方案组见表2。

表2 单轴破坏实验方案组

每块试样单轴破坏实验均按照如下步骤进行。

(1)在环境模拟箱内设置好实验温度，将试样放入环境箱内养护48h，保证试样内部均处于均匀热状态。

(2)调整RMTS试验机加载系统的单轴应变速率，开始试样加载，并观察数据采集仪呈现的实时应力-应变曲线。

(3)当试样达到峰值荷载后破坏，结束数据采集，停止试验，从环境模拟箱内取出试样，更换下一组试样，重新前述步骤。

3 特种混凝土单轴抗压特性影响因素分析

3.1 低温影响单轴抗压特性

图4为相同应变加载速率下各温度对应的混凝土应力应变曲线，从此可知，整体上峰值应力以温度-5℃下为最大，此种现象在各应变加载下均是一致，加载速率为10-2s-1，温度为5℃时的峰值应力为17.96MPa，而在温度为-5℃时相比前者增大了134.4%，达42.1MPa。从试样变形特征来看，温度在-5、0℃时，在应力达到峰值后快速下降，但在温度为5℃下的峰值应力后应力变化较小，特别是加载速率愈小时，峰值应力后期试样应变硬化特征显著，即应变增大但应力变化较小，加载速率为10-1s-1时，峰值应力后应力变化幅度为44.6%，而在加载速率为10-3s-1时应力变化幅度仅为5.2%，应力几乎为水平稳定状态。分析表明，温度与特种混凝土单轴抗压强度呈负相关，且温度增大，混凝土趋于硬化，塑性变形增强；此种现象主要是由于在低温时特种混凝土原材料中沥青成分会趋于固化状态，试样颗粒结构承载能力增大，但沥青趋于固态亦增加了试样的脆性；温度愈高，试样中沥青材料趋于可流动性，软化程度较高，承载力较弱，在加载过程中具有较大的塑性变形，并会在峰值应力后趋于硬化。

图5为各加载速率下不同温度试样弹性模量变化曲线。从此可看出，弹性模量与温度呈负相关，加载速率为10-3s-1，温度为5℃时的弹性模量为834.8MPa，而温度为-5℃时相比前者增大了3.05倍；另外，从各加载速率的弹性模量变化来看，加载速率愈大，弹性模量变化斜率愈小，且各温度下均以加载速率愈小者为模量最大值。弹性模量表征了混凝土材料线弹性变形能力，上述分析表明，环境温度愈大，混凝土材料在随外荷载增加过程中愈趋于硬化特性，线弹性特性愈弱，故弹性模量较低；另一方面，加载速率愈大，试样线弹性变形愈少，容线弹性发挥空间较小，故而弹性模量愈低。图6为同一加载速率下三个不同温度试样破坏后形态图，温度较高者表面破坏裂纹较少，而温度较低时表面宏观裂纹较显著，呈脆性破坏，这亦印证了前文所述弹性模量与温度之间关系。

图5 弹性模量与温度关系曲线

图6 试样破坏后形态

3.2 应变速率影响单轴抗压特性

图7为相同环境温度下各加载速率对应的混凝土应力—应变曲线。由此可看出，应变加载速率愈大，混凝土试样单轴抗压强度愈大，此现象不仅在低温-5℃中如此，在温度较高者5℃下亦是一致。温度为0℃，加载速率为10-4s-1时峰值应力为5MPa，而相同温度下加载速率增大2个、3个量级后，即加载速率为10-2、10-1s-1，相应的峰值应力相比前者分别增大了3.9、7.5倍。另从低应变加载速率下来看，其应力-应变曲线硬化特征显著，在环境温度-5℃时仅加载速率10-4s-1下具有硬化现象，当温度增大至5℃时，加载速率在10-3、10-4s-1下均具有显著硬化效应，即峰值应力后均为水平稳定状态，随着应变增大，应力变化幅度不超过10%，塑性变形较强。分析表明，加载速率较大时，试样受外荷载作用形成的裂纹会逐渐被压密，而激发内部晶体颗粒抵抗裂纹的能力，故而试样强度与加载速率呈正相关变化；当加载速率过低时，混凝土内特种材料的可流动特性会助长试样逐步硬化，而不会快速产生裂纹，因而峰值应力后期处于硬化状态。

图7 应力应变曲线(加载速率影响)

图8为弹性模量与应变加载速率变化特征曲线，从变化趋势来看，弹性模量与加载速率呈正相关，这主要是由于加载速率较大时，材料的塑性变形会大大缩短，线弹性特征为试样变形主导作用；温度为-5℃，加载速率为10-4s-1时弹性模量相比速率为10-2、10-1s-1下分别下降了72.8%、79.8%，仅为929.04MPa。从混凝土材料特性来看，加载速率增大，可助长特种混凝土刚度与线弹性变形特征，抑制塑性变形的产生，增大脆性变形。

图8 弹性模量与加载速率关系

4 结论

(1)综合间接拉伸强度与位移特征，以级配指数0.41、油石比6.8%、掺合料含量12%为配合比的试样强度变形处于最佳状态。

(2)研究了单轴力学特征参数均与温度呈负相关，加载速率为10-2s-1时，温度为-5℃的峰值应力相比5℃时的增大了134.4%，弹性模量增大了3.4倍，温度增高，特种混凝土硬化特征显著，脆性破坏特征减弱。

(3)获得了峰值应力、弹性模量均与加载速率呈正相关，温度0℃时，加载速率为10-2、10-1s-1所对应的峰值应力相比加载速率为10-4s-1时的分别增大了3.9、7.5倍，低加载速率下试样在峰值应力后期硬化显著，受温度增大影响，中等加载速率中亦存在应变硬化现象。