水闸底板混凝土材料拉压力学特征影响变化分析研究

李春元

(广东益鑫源工程建设管理咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 工程背景

为改善粤北地区水力资源分布不均现状，在珠江上游考虑新建一水利枢纽，承担地区防洪、蓄水调度、排涝及灌溉等水利作用，设计上游蓄水库最大容量为6000万m3，最大集水面积超过200万m2，建设引水明渠55 km，惠及下游农田超过13.33万hm2，有效提升地区农业灌溉效率，降低农业用水缺水率。该枢纽工程包括有主坝、溢洪道、输水渠道及水力控制设施，主坝设计高度为35.5 m，采用混凝土重力坝设计形式，坝顶宽度为3.5 m，在局部坝肩处加设有防浪墙，有效降低由于水力冲刷对坝体冲蚀影响，高度为2.6 m，墙体面层采用抗渗纤维体，降低后期维护成本。坝身采用止水面板与土工防渗系统，设计坝体内最大渗透坡降不得超过0.2，限制渗流活动，坝身上、下游最大水头差不超过2 m，坝身内静水压力低于20 kPa。全坝体均采用同一类型混凝土浇筑，合理砂率为28%，所用水泥为特种水泥，确保混凝土材料水化热较低。溢洪道与泄洪闸构成了枢纽工程主要泄流设施，设计最大泄流量为300 m3/s，采用阶梯式溢流面作为溢洪道过渡段，下游配备有消能池、消能坎、水工挡墙等消能建筑，为确保各类水工消能建筑的运营稳定性，均在地基持力层中深挖1.5 m，而该地基覆盖土与坝基上覆土层性质基本一致，均为黏土体。采用混凝土垫层形式降低黏土层地基沉降，确保坝基沉降不超过坝高1‰，极大改善软弱地基土变形。泄洪闸作为溢洪道重要组成部分，其闸顶高度为4.5 m，采用多孔式泄流设计，以钢闸门作为控流设施，前期对水流监测表明拟建水闸所在流段无显著涡流、漩涡等存在，渗流活动较平稳。闸室两壁均采用坝体材料同类型的混凝土现浇制作，设置有预应力闸墩结构，设计横、纵连系梁作为结构抗拉构件，降低闸墩受结构静力破坏威胁。闸室底板厚度设计为0.8 m，采用坝体同类型材料混凝土浇筑，全长为4.2 m，底板结构不仅受结构自重压应力影响，且受闸墩与连系梁拉应力影响。从工程设计安全角度考虑，该枢纽工程泄洪设施的安全运营很大程度上取决于抗拉设计，不仅仅需要考虑抗拉构件的设置，对结构抗拉材料的分析同样具有重要意义。本文从该工程水闸底板混凝土材料养护条件入手，研究养护因素对混凝土材料拉、压应力影响，为水闸工程的安全设计提供重要基础论证。

2 材料与方法

为确保试验结果的可靠性，本文采用WLT混凝土力学试验系统开展拉、压力学试验研究，该试验系统配备有先进的传感器设备与精密的加载装置，最大轴向荷载可达1500 kN，每一级荷载加载过程中波动幅度不超过1%。由于本试验中不仅需要研究混凝土压缩破坏，也要完成混凝土的拉伸力学试验。根据试验规范要求，本文设计以劈裂间接拉伸方法作为试验研究手段。不论是压缩或是拉伸破坏试验，本试验中均配备有8通道数据采集装置，全部可实现实时数据回存、处理等功能。采用的轴向传感器量程为-15～15 mm，而环向变形传感器可与轴向变形采集装置作为联动，互相验证数据采集的可靠性，最大误差不超过1‰。从试验过程可控性考虑，本试验中均采用轴向变形控制加载方式，速率为0.01 mm/min。

根据闸室底板结构所用混凝土材料，从工程搅拌站获得混凝土样品，经室内加工成型制备成直径、高度分别为75 mm、150 mm试样，如图1所示。混凝土间接拉伸试样尺寸与压缩试样有所差异，取同一批样品在实验室进行精加工成直径、高度分别为100 mm、50 mm试样，劈裂试验时以直径中心线作为加载控制线，研究拉伸应力破坏全过程特征[1-2]。所有制备好试样均在标准养护箱内完成养护，笔者为研究养护因素对混凝土拉、压力学特征影响，设定有养护湿度与养护温度两种因素。各试验组中具体参数如表1所示。

图1 制备的混凝土试样

表1 各组混凝土试样养护龄期与养护温度

3 混凝土材料压缩力学特征

3.1 养护温度的影响

根据对不同养护温度下试样压缩破坏试验研究，获得养护温度影响下混凝土材料应力应变特征，如图3所示。从图中可知，养护温度愈高，则试样压缩应力愈大，即养护温度有促进混凝土材料承载性能的作用；当位于同一加载应变1%时，养护温度5 ℃下试样的加载应力为21.7 MPa，而养护温度20 ℃、50 ℃试样较前者分别增高了45.7%、175.2%，当养护温度升高后，混凝土试样内部胶凝材料有助于催化水化反应，提升其早凝效果，故而承载应力水平提高。另一方面，养护温度愈大，试样破坏后下降段幅度较大，即呈显著脆性，养护温度5 ℃、35 ℃、50 ℃下试样的降幅分别可达28.5%、49.8%、55.6%。由此可知，养护温度升高，以试样弹性变形与脆性破坏受影响最为显著。养护温度5 ℃下混凝土试样弹性模量为25.8 MPa，而温度20 ℃、50 ℃试样弹性模量较之分别增多了33.6%、2.03倍，养护温度平均增大15 ℃，可提高混凝土试样弹性模量45.0%。综合试验讨论可知，养护温度升高，有助于提升混凝土材料承载强度，但过高的养护温度会促发混凝土内部裂缝向着脆性变形转变，易出现脆性变形破坏特征。

图2 养护温度影响下混凝土应力应变特征

图3 养护湿度影响下混凝土应力应变特征

3.2 养护湿度的影响

根据各养护湿度组试样压缩破坏试验结果，获得图3所示结果。分析可知，湿度与加载应力水平为正相关关系，同一加载应变1.5%时，养护湿度为5%试样的加载应力为39.6 MPa，而湿度增大至35%、95%后试样的加载应力相比增大了7.7%、29.8%；从试样进入屈服变形阶段后应力对比可知，湿度65%、95%试样加载应力水平较湿度5%下分别具有增幅15.8%～19.4%、29.2%～35.2%；分析认为，当养护相对湿度减少后，混凝土试样处于较为干燥环境，而混凝土本身在干燥环境中易出现裂缝等现象，且养护湿度过低，促使混凝土内部胶凝材料的水化进展较慢，此也是引起混凝土承载失稳的重要内因。

对比混凝土变形特征可知，不同养护湿度下试样弹性变形段基本一致，即弹性模量较为稳定在32 MPa左右，而不同养护湿度试样在峰值应变处基本接近，为2.05%，表明养护湿度对混凝土变形特征影响较小，仅改变了试样承载水平。

图4为不同养护温度、湿度下混凝土试样抗压强度影响变化曲线。依据图中强度特征可知，养护温度、湿度与混凝土强度均为正相关变化；在同一养护湿度5%组中，温度5 ℃试样抗压强度为36.8 MPa，而温度35 ℃、50 ℃试样强度较之分别增长了50.8%、73.4%，在该试验组中温度增长15 ℃，强度平均可增幅20.4%。当湿度为65%、95%时，混凝土强度随养护温度的平均增幅为19.5%、18.9%，养护温度对强度促进效应无显著变化。当同一温度20 ℃组中，随湿度变化引起强度平均增幅为7.8%，且温度增大至35 ℃、50 ℃后，平均增幅分别为6.3%、4.4%，即湿度因素对强度影响较小。笔者认为，对比压缩力学受养护条件影响变化可知，以养护温度影响更为显著，不论是强度或是变形均是如此。

图4 抗压强度影响变化特征

4 混凝土材料拉伸力学特征

由于养护湿度对混凝土材料力学特征影响较为局限，故本文主要研究不同养护温度下混凝土材料拉伸力学特征影响，如图5所示。从图中可知，不同养护温度下该类型混凝土试样在峰值拉伸应力后仍具有一定承载能力，即拉伸破坏后试样仍具有抗拉特性，此一定程度上可为水闸底板抗拉设计提供参考。另一方面，养护温度愈高，拉伸全过程中拉应力水平愈大，以同一位移0.1 mm，养护温度5 ℃试样的拉伸应力为3.63 MPa，而温度20 ℃、50 ℃试样在该拉伸变形处的应力较之分别增长了21.6%、40.1%。本文认为，养护温度对混凝土材料微观影响主要集中于其密实度的提升，且局部分布的薄弱面在高养护温度下有助于驱使晶体颗粒膨胀，挤压微孔隙，提升整体混凝土主骨架的稳定性[3-4]。从抗拉应力对比来看，养护温度5 ℃试样抗拉强度为4.28 MPa，而温度35 ℃、50 ℃试样抗拉强度较前者分别增大了14.9%、21.8%，养护温度每增大15 ℃，其抗拉应力平均可提升6.8%。分析拉伸变形特征可知，温度愈高，混凝土试样的峰值拉伸变形以及最大变形值均较低，温度20 ℃试样的峰值变形与拉伸变形分别为0.112 mm、0.550 mm，而温度35 ℃、50 ℃试样最大变形分别为0.440 mm、0.370 mm。从控制变形方面考虑，过大的养护温度，易导致混凝土失稳破坏裂纹发展出现较剧烈。

图5 养护温度影响下拉伸应力变形特征

5 结 论

本文主要得到以下三点结论：

(1)养护温度愈高，则混凝土加载应力水平愈大，在同一养护湿度5%、95%组，温度每增长15 ℃，强度平均可增幅20.4%、18.9%；温度愈高，混凝土脆性破坏特征愈强，弹性模量亦增大，温度20 ℃、50 ℃试样弹性模量较5 ℃下分别升高了33.6%、2.03倍。

(2)湿度与加载应力水平为正相关关系，同一温度组中，湿度对混凝土强度影响较小，在温度20 ℃、35 ℃、50 ℃组中，随湿度变化引起强度平均增幅分别为7.8%、6.3%、4.4%；养护湿度条件对混凝土弹性变形影响较小，模量值均稳定在32 MPa。

(3)混凝土试样在峰值拉伸应力后仍具有一定承载力；养护温度愈高，试样抗拉强度愈大，温度每增大15 ℃，其抗拉应力平均可提升6.8%；过高的养护温度，易导致混凝土试样变形破坏较剧烈，峰值变形以及最大变形值均较低。