防洪堤坝主要材料混凝土单轴力学特性影响因素分析研究

刘思明

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

水利工程中混凝土材料应用范围较广，在堤防大坝、水闸结构、泵站栅墩等重要水利设施中均离不开混凝土，因而混凝土材料的力学稳定性对水利工程的安全运营具有重要作用[1-3]。为此，宋致军[4]、李建闯[5]、梁凤凯[6]等通过类比岩土类材料，采用室内精密试验仪器，设计开展单轴或渗透等室内试验，由室内实验手段来研究混凝土材料的力学变化，极大提升了对混凝土力学的认知水平。由于混凝土材料是一种颗粒流类的组成物，因而采用颗粒流等离散元仿真计算平台，模拟工程实际状态约束荷载，研究混凝土在离散元仿真过程中的最优解，进而探讨混凝土材料包括应力应变在内的力学特征，为水利设计提供重要计算参考[7-9]。不论是室内手段或仿真计算，还是在现场采用微震监测或其他实时监测手段，均为获取混凝土材料在实际工程运营过程中微观和宏观变化，以此来为水工结构等运营提供安全依据[10-11]。本文利用室内仪器，根据实际工程环境下不同因素的变化，研究混凝土材料力学特征受各影响因素下变化规律，为混凝土材料在水利工程中更好应用提供参考依据。

2 试验概况

2.1 工程背景

西北地区设计建设一个区域水利调度中心枢纽工程，使之为地区水资源高效利用及控制提供重要保障。枢纽工程建设有节制闸，采用直径为2.8 m弧形钢闸门，采用液压式启闭机作为开度控制设备，确保通行流量控制在合理范围内，既可以确保水资源的高效传输，又可以保障下游水利设施安全运营，特别是下游坝坡、坝脚等易破坏区域。该水利枢纽工程中下游还设置有消能池，并增设厚60 cm的导墙，与消能池共同承担水力保护作用。该水利枢纽工程中重要设施是防洪堤坝，可为下游生活区以及工业区提供安全保障。设计堤坝长度为875 m，坝顶高程为125.8 m，宽度为3.4 m，坝身采用混凝土浇筑一体式，上下游坝坡坡度分别为1/2.5和1/3，大坝坝肩处设置有坎步，以减弱水力冲击。堤防大坝防渗系统由防渗墙以及止水面板、土工布等结构构成，承担整体堤防工程渗流安全性。该防渗墙结构主要采用混凝土浇筑，并且均为预应力张拉型，确保混凝土不受张拉破坏。由于该水利枢纽工程设计原材料中以混凝土居多，堤防以及导墙、消能池等水工结构安全稳定性与混凝土材料息息相关。鉴于混凝土材料的力学特征对水工设计具有重要意义，特别是在极端等环境中混凝土材料力学稳定性，因而本文利用现场混凝土取样，设计开展单轴力学破坏试验，研究混凝土材料力学特征影响因素，为水利设计提供参考。

2.2 试验概况

本试验涉及到冻融交替试验箱以及单轴加载试验系统两部分，其中冻融试验箱可实现高低温变化，内置有加热系统与制冷系统，试验温度可为-20～80 ℃，电脑程序控制式加温与低温变化，在保证内部空气温度达到目标值的同时，又可使试验箱内温度长期处于稳定状态，温度波动不超过5%。本文加温速率选择为0.4 ℃/min，当达到目标温度后，保温2 h，确保混凝土试样内部晶体颗粒温度处于同质化，之后再开始进行融化，冻融循环试验即采用上述温度试验箱。单轴加载试验机采用RAW-500伺服式液压控制试验系统，该试验系统包括有加载系统与数据采集系统，加载系统采用电脑程序控制轴向荷载，可变换力控与变形控制两种方式。其中，变形控制加载最小速率可达0.000 1 mm/min，轴向加载力传感器最大可达1 000 kN，轴向位移传感器最大量程可达20 mm，环向变形传感器量程为-10～10 mm，各传感器精度均满足实验要求，误差不超过0.5%，确保实验精度及试验结果可靠性。

根据现场取回混凝土配合比检测得知，工程所用混凝土材料中水灰比为0.45，水泥用量为387 kg/m3，粗细骨料分别为1 178和620 kg/m3，水用量为216 kg/m3，所采用的圆柱体试样模型筒见图1。经钻孔加工获得单轴试验所需的圆柱体试样，直径、高度控制为50和100 mm。为研究养护龄期对混凝土材料力学特征影响，本试验共设置有12、24、36和48 h；本文低温温度共设置有-15 ℃和-5 ℃，另混凝土受冻主要发生终凝后；借助高低温交替箱实现冻融循环，次数分别设置0、50、100和150次，所有冻融循环周期为3 h左右，冻融循环试验主要以温度交替箱控制；试验具体方案见表1。

表1 试验具体方案

图1 圆柱体试样模型筒(直径/高度：50 mm/100 mm)

试验程序如下：

1) 根据目标受冻温度在温度试验箱内设定好，并设置好冻融循环次数，每次冻融循环次数结束后，均应测定试样物理参数，当试样质量损耗率超过5%，认定试验已达到破坏，无法继续冻融循环。

2) 当冻融循环试验结束后，在恒温恒湿养护箱内按照目标养护龄期完成养护，之后取出试样测定物理参数。

3) 将完成冻融循环与养护后的混凝土试样放入RAW-500试验加载系统中，以力控与变形控制完成单轴加载，其中变形控制加载速率为0.02 mm/min，力控加载速率为30 kN/min，直至试验发生失稳破坏。

4) 结束试验，卸下轴向荷载与相关监测传感器，更换试样，重复进行上述操作。

3 养护龄期对混凝土材料单轴力学特性影响

经三轴试验获得不同因素对混凝土材料单轴力学特性影响结果，图2为不同养护龄期下混凝土试样应力应变曲线。从图2中可看出，在相同受冻温度下，当养护龄期愈长，则试样加载应力愈大，即养护龄期与加载应力成正相关关系。当处于受冻温度-10 ℃时，且相同加载应变0.1%下，养护龄期12 h对应的加载应力为14.45 MPa，而养护龄期为24、36和48 h相对应的加载应力是前者的1.6倍、1.9倍和2.2倍；当受冻温度上升至-5 ℃时，前述差异幅度为1.5倍、1.7倍和2倍。由此可知，受冻温度增大，对不同养护龄期试样加载应力幅度差异影响较小。从不同养护龄期混凝土试样变形特征可看出，当养护龄期愈大，则试样线弹性变形阶段增长斜率愈大，表明混凝土的线弹性模量愈大，受冻温度-10 ℃时养护龄期48 h的试样弹性模量为335.7 MPa，而养护龄期为12、36 h的试样弹性模量相比前者降低65.4%和8.9%。由此可知，养护龄期愈大，可增长试样的线弹性变形，进而抑制混凝土塑性变形能力，在峰值应力后期，养护龄期48 h的试样应力下降幅度最大可达88.4%，而养护龄期12 h的试样以塑性变形作用占据主导。

图2 不同养护龄期下混凝土应力应变曲线

图3为两个不同受冻温度下养护龄期对混凝土材料单轴强度特征参数影响特性。从图3可知，混凝土单轴抗压强度随养护龄期变化而递增，但增长幅度逐渐降低。在受冻温度-10 ℃下，养护龄期12 h的试样单轴抗压强度可达22.5 MPa，养护龄期24 h的试样单轴抗压强度相比前者增长22.3%，当养护龄期为36 h时，混凝土抗压强度相比龄期24 h又增长15.2%，而养护龄期48与36 h之间试样抗压强度幅度仅为4.2%，即养护龄期对混凝土抗压强度的增长效应具有逐渐放缓的态势。因此在实际工程中，应合理设计养护龄期，受冻温度-5 ℃下的抗压强度变化亦是如此。与抗压强度变化呈显著差别的是，残余强度随养护龄期变化始终保持较稳定，两个受冻温度下均是如此。两者仅在残余强度量值上有所差异，其中受冻温度-10 ℃时的残余强度稳定在3.5～4 MPa，而受冻温度为-5 ℃下残余强度相比前者增大14.3%～28.6%。

图3 强度特征值与养护龄期关系曲线

4 工程环境对混凝土材料单轴力学特性影响

4.1 受冻温度

受冻温度作为本次单轴试验中认为设定值，其实质上是模拟在不同低温环境下混凝土材料力学特征变化，图4为不同受冻温度下混凝土试样典型应力应变结果。从图4中可看出，两个受冻温度试样间加载应力差异较小，应力应变曲线部分交织，但从整体上可看出，当受冻温度愈低时，试样承载能力相对有所降低。从养护龄期24 h下两个试样对比可知，受冻温度为-10 ℃下单轴抗压强度为27.55 MPa，而受冻温度为-5 ℃试样抗压强度相比前者增大8.7%。分析认为，当受冻温度愈低时，试样在试验前会受到一定的冻胀损伤，对混凝土内部晶体颗粒承载能力及摩擦咬合能力均是较大的损害，反映在强度上则是降低。从不同养护龄期下两个受冻温度试样抗压强度差异可看出，当养护龄期延长，两个受冻温度试样差异显著缩小，甚至在养护龄期48 h下两个受冻温度试样间单轴抗压强度差异仅为6.3%，表明养护龄期愈大，受冻温度对混凝土材料的承载力抑制效应会相对减弱。笔者认为，当养护龄期延长，两个试样在初始状态下晶体颗粒与混凝土骨架稳定性均达到最佳状态，此时受冻温度变化5 ℃，对试样内部的损伤差异影响较小，故表现两个受冻温度间试样的抗压强度无显著差别。从变形特征可看出，两个受冻温度下的峰值应力点相应的应变值基本无显著差异，养护龄期36 h下两个试样的峰值应力点应变均为0.14%，表明受冻温度对混凝土材料变形影响较小。

图4 不同受冻温度下混凝土应力应变曲线

4.2 冻融循环次数

冻融循环实质上也是模拟工程外界环境在变化过程中对混凝土材料力学稳定性影响，图5为不同冻融循环次数下混凝土试样力学特征。从图5中3个不同养护龄期下冻融循环次数与力学特征变化关系可知，冻融循环次数与加载应力为负相关关系，在养护龄期12 h下，相同应变0.1%时循环0次加载应力为14.6 MPa，而循环50、100和150次相应的加载应力相比前者分别降低15.1%、50%和61.6%。冻融循环次数愈多，试样内部晶体颗粒受到的“冻胀-恢复”循环愈多，造成混凝土颗粒骨架稳定性大大降低[12-13]，进而影响混凝土整体承载稳定性。从各冻融循环试样变形特征可看出，冻融循环次数愈多，则峰值应变稍有增长，但幅度并不明显。以养护龄期24 h为例，其循环0次时峰值应变为0.16%，而循环50、100和150次峰值应变分别达0.17%、0.19%和0.22%。另一方面，在线弹性变形阶段，冻融循环次数愈多的试样斜率愈小，弹性模量值亦较小，养护龄期36 h下冻融循环0次试样弹性模量为326 MPa，而循环50和150次的试样弹性模量相比前者降低20.3%和60.8%。由此表明，当冻融循环次数愈多，则试样脆性变形特征愈弱，而冻融循环次数较少的试样脆性变形破坏能力较强。

图5 不同冻融循环次数下混凝土应力应变曲线

对比不同冻融循环次数下混凝土试样的强度变化特征可知，单轴抗压强度随冻融循环次数增大而递减，养护龄期36 h下试样冻融循环0次试样的抗压强度为31.63 MPa，而循环50和150次试样抗压强度是前者的95.2%和79.5%。从强度变化差异幅度可知，在养护龄期12 h时，平均冻融循环每增长50次，单轴抗压强度损失9.3%，而此强度损失在养护龄期24和36 h下分别变为5.5%和4.6%，表明养护龄期可降低混凝土抗压强度受冻融循环的损失效应。本文认为，混凝土试样在较长的养护周期中，其晶体颗粒从初凝至终凝全过程均发育完全，相比养护龄期较短的试样，其在颗粒骨架中可承受较大的变形荷载，表现在冻融循环过程可抵抗较多的“冻胀-恢复”损伤，故强度损失减小。见图6。

图6 强度特征值与冻融循环次数关系曲线

5 结 论

1) 养护龄期与混凝土抗压强度为正相关关系，但增长速率逐渐放缓，且受冻温度提高，并不显著影响各养护龄期间试样强度幅度差异，养护龄期24 h的试样抗压强度相比龄期12 h增长22.3%；养护龄期可促进混凝土线弹性变形能力增长，弹性模量值愈大，养护龄期为12和36 h的试样弹性模量相比龄期48 h降低65.4%和8.9%。

2) 受冻温度对混凝土力学特征影响较小，受冻温度愈低，混凝土抗压强度愈小，养护龄期24 h时受冻温度为-5 ℃试样抗压强度相比-10 ℃下增大8.7%，养护龄期愈大，受冻温度对混凝土材料承载力的抑制效应会减弱，峰值应变在两个受冻温度下无显著差异。

3) 混凝土抗压强度随冻融循环次数增大而递减，但养护龄期愈大，可降低混凝土强度受冻融循环的损失效应，龄期36h下循环50和150次试样抗压强度是循环0次的95.2%和79.5%，平均循环每增长50次，强度损失9.3%，而在龄期12、24 h下强度损失为5.5%和4.6%；循环次数愈多，峰值应变稍有增长，但弹性模量递减，龄期36 h下循环50和150次的试样弹性模量相比循环0次下降低20.3%和60.8%。