枕头坝一级水电站混凝土干湿与冻融作用下力学试验研究

林志远

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710000)

混凝土材料在水利工程建设中起着举足轻重作用[1- 2]，其力学特征决定了水工结构设计水平，针对混凝土材料力学特性研究很有必要。拉、压力学性质乃是混凝土材料在水工建筑中常为关注的重点参数[3- 4]，以拉、压力学特征研究推动多物理场耦合分析具有重要意义。高勇[5]、张培等[6]、李刘红等[7]根据混凝土材料颗粒流骨架特点，采用PFC等颗粒流离散元仿真手段，开展了混凝土的拉、压力学特征研究，特别是针对混凝土颗粒骨架特点，自适应有不定参数，以参数化影响力学试验结果，丰富混凝土材料力学研究成果。同时，曾寅等[8]、王文璟[9]针对混凝土的力学特征影响因素，探讨了配合比参数、外加剂掺量等材料因素及围压、孔隙压力等试验因素对混凝土材料力学特征影响特性，为混凝土材料应用在水工建筑中起着参照作用。而针对物理场耦合损伤条件，李月霞[10]、唐百晓[11]、邵化建等[12]设计了冻融、干湿及热损伤等物理场作用下，混凝土力学特征影响变化，对混凝土材料在多场耦合工程中应用提供了依据。本文基于枕头坝一级水电站混凝土材料力学特性问题，不仅探讨多物理场耦合损伤影响压缩力学特征，且针对拉伸力学特性影响变化也开展了试验研究，为工程建设及运营提供参考。

1 试验概况

1.1 工程背景

枕头坝一级水电站为为流域内的第十九阶梯枢纽，其所在位置如图1所示。该水利枢纽主要承担发电及下游蓄水调度等水利功能，全标段内混凝土施工总量超过127.79万m3，涉及挡水建筑、泄洪设施及水力发电厂房建设等。泄流设施采用多孔泄洪闸，其截面如图2所示，采用预应力混凝土闸墩结构，水下泄洪洞及预应力闸墩混凝土浇筑方式如图3所示。泄流水工建筑所用混凝土量占比为28.2%，总量达36.1万m3；枕头坝一级水电站主坝混凝土占工程总量的7.6%。发电厂房进水口采用混凝土衬砌结构段与厂房轴流转浆式机组相接，共有四台工作机组，主机间段长度138.40m。厂房基础长138.40m，宽63.8m，大部分机组基面均设计在弱风化基岩上，少部分需要采用混凝土回填加固。发电厂房混凝土用量占比最多，超过60%，其所用混凝土与主坝及其他水工建筑基本一致。现为提升枕头坝一级水电站运营水平，从其使用混凝土主材料入手，探讨在各类水工建筑结构中混凝土的力学特征，为工程建设及运营提供依据。

图1 枕头坝一级水电站枢纽所在位置

图2 拦污闸门结构

图3 混凝土浇筑方式示意图

1.2 试验介绍

从枕头坝一级水电站混凝土材料力学特征研究问题入手，采用1000W程控式混凝土材料试验仪器开展力学加载破坏试验，该试验系统包括有力学加载装置、数据处理装置等，该试验系统如图4所示。另该设备可进行改良适配于拉伸试验。本文不仅需要研究混凝土压缩力学特征，也考虑采用直接拉伸方法进行混凝土拉伸力学特性分析。本试验贴合常规力学试验，采用径高比为1/2的圆柱体试样[13- 14]。荷载加载方式采用荷载递进与位移递进两种方式，其中后者采用的是环向位移控制方式，速率为0.02mm/min。拉伸力学试验中采用上、下压头控制试样，其加载速率为0.01mm/min。

图4 拉、压力学试验仪器

为综合性探讨枕头坝水电站混凝土力学特性影响变化，设置有冻-融与干-湿交替两种物理场耦合试验，分别进行拉、压力学试验前进行相应的物理场耦合试验。冻-融交替试验中低、高温分别设置为-20℃、20℃，在冻或融状态下持续时间稳定在3h，而干湿交替试验中浸泡与烘干时间分别为16、6h，两种物理场耦合试验均需完成相应的交替才计作1次。从试验影响因素考虑，冻-融试验设置为0～25次，试验阶梯为5次，而干-湿试验设置为0～20次，试验阶梯为4次。

2 混凝土压缩力学特性

2.1 冻-融交替影响

根据不同冻-融交替下混凝土压缩力学试验，获得冻融效应对混凝土压缩应力应变影响特性，如图5所示。从图中可看出，随冻-融交替次数增多，混凝土压缩应力水平并未一致性递减，而是在一定次数节点后，应力水平呈增多态势；以加载应变1%下为例，此时无冻-融效应试样压缩应力为21.4MPa，而交替5、15次后应力水平较之分别减少了31.2%、67.5%，在该应变下冻-融交替每增长5次，其应力平均损耗31.2%；与之同时，在交替20、25次后其应力水平较之15次下分别增大了62.5%、137.5%，甚至接近无冻融与冻-融5次下试样应力水平。分析表明，冻融效应对混凝土压缩应力水平影响并不具有一致性，而是在某一冻-融交替次数后呈相反变化。笔者认为，在低冻-融交替次数影响下，混凝土内部晶体颗粒骨架受冻融损伤效应影响，其骨架稳定性受削弱，且局部形成冻融损伤次生裂纹，特别是晶体水分子的冻-融交替过程导致原生裂隙得到扩展，此对混凝土压缩应力水平具有显著抑制效应；但不可忽视，当冻-融交替次数增多后，次生裂隙不仅会得到扩展，且会受到进一步在压密作用下得到迁移运动，细小颗粒在压缩作用下的宏观裂纹中填充、堵塞，对压缩宏观裂纹的扩展具有阻碍作用，进而表现在压缩应力水平增大的现象[15- 16]。从混凝土抗压强度影响特征来看，在冻-融交替次数影响下，以15次试验方案中试样强度最低，仅为17.5MPa，在冻-融交替0～15次方案内，每增长5次交替，则试样抗压强度平均降低13.2%，而在交替15～25次方案内，随交替5次变化，可引起抗压强度平均增长16.2%。

观察图5中试样变形特征可知，试样在弹性变形阶段中受冻-融交替次数影响变化特性与应力水平特征一致，弹性模量以冻-融交替15次下为最低，达7.1MPa，而交替5次、25次较之分别增大了1.2、1.3倍。峰值应变以高交替次数下试样为最大，而交替低次数下试样压缩变形特征脆性显著，峰值应力后应力下降较快。

图5 冻融影响下混凝土压缩应力应变特征

2.2 干-湿交替影响

基于干-湿交替耦合场压缩力学试验，获得干湿效应对混凝土压缩应力应变影响特性，如图6所示。依据图中可知，当耦合物理场特征为干-湿交替作用时，压缩应力受之影响变化呈一致性，均为抑制作用；在加载应变2%时，干-湿交替0次时试样压缩应力为30MPa，而交替4、12、20次下试样压缩应力分别较之减少了14.4%、25.8%、49.6%。从试样抗压强度影响亦可知，在无干-湿交替作用下试样强度为29.2MPa，而干-湿交替每增长4次，则试样强度平均损耗5.2%。当干湿交替作用下，试样内部实质上是水分子气-液态转变的过程，而全过程中会发生能量的耗散，能量对外做功的过程会在混凝土内部逐步形成次生裂隙，削弱试样对外界承载能力的反馈，故干湿作用对混凝土压缩应力水平具有抑制效应。从变形特征来看，各干湿次数试样在弹性压密变形阶段具有一致性，主要差异体现在峰值应力后阶段，以交替次数较高试样的最终应变更大，即干湿作用对混凝土变形影响主要发生在塑性变形阶段。

3 混凝土拉伸力学特性

3.1 冻-融交替影响

基于冻融物理场耦合拉伸破坏力学试验，获得冻融效应对混凝土拉伸力学特性影响，如图7所示。根据图中拉伸应力变化可知，冻融作用对拉伸应力影响同样具有阶段性特征，当冻-融次数在15次以内时，交替次数愈多，则混凝土拉伸应力水平愈低，无冻融作用下试样抗拉应力达4.87MPa，而交替次数每增多5次，则试样抗拉应力平均递减26.2%；冻融交替超过15次后，混凝土拉伸应力为递增，随每交替5次的增长，可促进抗拉应力增长18.9%；与压缩应力受影响变化相比，拉伸力学特征受冻-融作用敏感度较高。从变形特征来看，冻融交替作用愈频繁，试样峰值拉伸变形愈大，特别是在峰值应力后期，仍具有相当水平承载力。无冻融作用试样峰值拉伸应变为0.14%，而冻融5、15、20次下试样峰值拉伸应变分别为0.12%、0.12%、0.13%。另一方面，在峰值拉伸应力后期，以低冻融次数试样残余拉伸应力水平更高，无冻融试样残余拉伸应力为1.2MPa，而冻融15、20次试样残余拉伸应力分别为0.6、0.73MPa，即混凝土在拉伸破坏后不仅具有一定承载水平，且受冻融作用影响愈强，残余拉伸应力水平愈低，此与峰值拉伸应力水平受影响变化有所差异。

3.2 干-湿交替影响

同理，获得干湿效应影响下混凝土试样的拉伸应力应变特征，如图8所示。从图中应力应变特征可知，与压缩应力类似，拉伸应力水平与干-湿交替次数具有负相关变化特征，当拉伸应变为0.1%时，干-湿交替0次下试样拉伸应力为3.15MPa，而交替为12、20次下试样拉伸应力分别较之减少了52.6%、71.4%，交替次数增长5次，该应变下拉伸应力水平可减少22%。从抗拉强度影响效应来看，干-湿交替0次下试样抗拉强度为3.83MPa，受交替增长5次影响，抗拉强度平均减少20.2%。相比干湿效应对压缩应力影响，拉伸应力水平受干湿作用更为敏感。笔者认为，干湿作用对颗粒骨架的影响主要为咬合力、摩擦度等，而混凝土抗拉特性很大程度上取决于试样颗粒间咬合与碰撞[17]。不同干湿交替次数下试样峰值拉伸应变基本一致，稳定在0.14%，而最大应变及残余拉伸应力分别以低交替次数试样最大，如交替16、20次下试样残余拉伸应力分别为0.8MPa、0.55MPa，而无交替作用下试样残余拉伸应力分别较之增长了1.1、2.04倍。

图8 干湿影响下混凝土拉伸应力应变特征

4 结语

(1)冻融交替低于15次时，混凝土压缩应力水平与交替次数为负相关，反之超过15次后，呈正相关；弹性模量受冻融次数影响特性与力学特征一致。

(2)干湿交替作用会削弱混凝土压缩应力特征，干湿交替每增长4次，试样抗压强度平均损耗5.2%；干湿作用对混凝土压缩变形影响主要在塑性变形阶段。

(3)冻融作用次数对混凝土拉伸力学影响与压缩力学一致，且受影响敏感度高于压缩力学；拉伸破坏后冻融次数愈多，残余拉伸应力愈低。

(4)干湿交替作用与混凝土拉伸力学特征具有负相关关系，交替增长4次，抗拉强度平均减少20.2%，其受干湿作用敏感度高于压缩力学；干湿效应对峰值拉伸应变影响较小。