渠道水工混凝土防渗材料破坏性能试验

吾尔来西·吾提库尔

（新疆额尔齐斯河投资开发（集团）有限公司，乌鲁木齐 830000）

0 引 言

水工混凝土材料在水利工程中应用十分广泛，因受到动荷载的作用，混凝土材料在使用期间并非处于单一应力状态，为评价混凝土结构是否安全，必须展开此类材料破坏性能试验，以研究其复杂应力状态下的破坏准则和动态性能。混凝土材料具备颗粒流特性，当前国内外学者依托颗粒流仿真计算软件展开混凝土材料单轴、三轴破坏特性试验及力学特征分析，为掌握水工混凝土材料性能提供了重要参考，但应用室内混凝土材料试验系统展开水工混凝土材料力学破坏试验的相关研究却少之甚少，对仿真模拟结果的真实性和准确性缺乏必要验证。文章基于新疆某灌区输水渠道工程实际，通过室内试验手段，设计出不同荷载试验条件，展开渠道水工混凝土防渗材料三轴破坏试验及力学性能试验，研究水灰比、加载速率、围压等对混凝土力学特性的影响特性，为灌区输水渠道防渗设计及施工提供借鉴指导。

1 工程背景

新疆某灌区共有干渠5 条、支渠8 条，灌水设施及引水设施配套较为齐全，已建输水渠道长度超300km，设计流量在1.24～5.85m³/s 之间，可灌溉农田面积达5.43×104hm2。但因灌区建设年代较早、运营时间过长，部分渠道表现出边坡坍塌、渠坡渗漏、衬砌结构不稳定等病害。渠道下卧土层主要为季节性冻土，受到冻胀破坏后对衬砌渠道稳定性威胁较大。为保证渠道输水安全，必须及时采取防渗改建措施。结合现场踏勘及实地考察，灌区管理部门提出以掺无机材料的水工混凝土为基材，渠道全断面及底板均浇筑混凝土，并确保全断面混凝土浇筑厚度在70mm 以上。水工混凝土材料力学性能直接关系着渠道防渗效果，为此，必须在方案设计阶段展开水工混凝土防渗材料破坏性能试验。

2 试验方案

应用TAZW-10000 型液压伺服动静力试验机程序展开三轴试验，为精确控制试件加载过程，主要根据试件类型设计加载形式。变形传感器测量范围为±10mm，力传感器最大测量范围为1000kN；试件体积变形通过排油法测定。将三轴试验围压上限设定为90MPa，以展开水工混凝土材料体积膨胀扩容特性研究。将试验温度确定在-15～120℃之间，并按照0.5s 的时间间隔采集数据，精度误差控制在0.5%以内，试件加载期间应力应变状态可实时查看。

水工混凝土防渗材料三轴破坏试验以中间主应力和第三主应力相等为假设前提。为展开混凝土防渗材料最佳配合比研究，必须意识到水灰比对试件力学特征的影响，设置不同水灰比组与围压组，以得到水工混凝土材料基本力学特征[1]。按照《水工混凝土配合比设计规程DL / T 5330-2015》所规定的C30 强度进行配合比设计，其中，水、水泥、砂、小石、中石用量分别为175kg/m³、291kg/m³、676.9kg/m³、502.8kg/m³、754.3kg/m³，水泥使用的是P.O42.5 普通硅酸盐水泥，中砂粒径5～40mm、小石和中石粒径分别为5～20mm 和20～40mm。选取材料后通过搅拌机加水拌匀，掺加钢纤维。制备好的混凝土堆料置入养护模具中按设计规程养护，最终形成符合三轴破坏试验要求尺寸的100mm×200mm 试件，继续养护48h 后脱模。试件制备及养护过程中变截面处容易成为薄弱面，引发试件在拉压应力区域以外发生破坏，造成试验失败。为此，在试件变截面处粘贴碳纤维布以进行改进，使三轴拉压动态试验中，试件的破坏全部发生在拉压应力区域。

试验水灰比为0.35、0.40、0.45；试验围压为0MPa、2MPa、4MPa、6MPa、8MPa。按照目标配合比制成试件后还应在室内打磨端面，使其尺寸满足岩石力学试验要求。为模拟混凝土力学性能在不同荷载变形速率下的变化特征，设置0.0002mm/s、0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s、2mm/s 等五组不同变形速率。

3 试验过程及结果

3.1 试验过程

试件受压方向上加载板和试件表面摩擦力对试件起到约束作用，必须采取减少摩擦的方法以消除约束力对试件的影响。具体而言，在三层聚乙烯塑料薄膜中间涂抹两层二硫化钼甘油，并将塑料薄膜粘贴于试件表面。

按照以下步骤展开每组试件三轴力学试验：

1）全面检查三轴试验系统中各传感器性能，满足规范及试验规程后，将养护完成的试件从养护箱中取出，测定物理力学参数后套上隔油套筒，置于三轴缸压力舱内，同时按照试验要求安装位移及变形传感器；试件放置时应确保中心对准加载台垂直向。

2）由计算机向伺服阀发送指令控制荷载及围压的施加，并加载至目标值后进行轴向荷载加载速率调整，此后展开试验，并记录试件应力应变，直至试件失稳破坏，停止试验并结束数据采集。

3）将围压和轴压卸除后取出试件，放入下一块试件，按照以上过程展开试验；如此循环，直至完成全部试件三轴力学试验。以上过程中混凝土试件所承受的竖向、侧向拉应力及试件变形等数据全部由计算机动态采集。

3.2 试验结果

3.2.1 加载速率的影响

水工混凝土试件三轴力学性能受加载变形速率的影响较大。不同加载速率下试件应力应变趋势详见图1，限于篇幅，此处仅列出了围压为0MPa 和4MPa 的情况。根据图中情况，随着加载速率的增大，三轴加载应力持续增加；当应变为0.06，加载速率0.0002mm/s、0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s、2mm/s 时的试件应力依次为62.5MPa、64.4MPa、66.8MPa、67.5MPa、71.3MPa；不同试件在加载应力不超出56.5MPa 时力学特征较为一致，而超出后力学特征差异开始增大。此外，当加载速率增大至一定水平时，试件裂缝会受到粗细集料的持续填充，因外部荷载而引发的次生裂缝会快速愈合，裂缝扩展也得到有效遏制；在配合比及围压等试验条件均相同时，试件裂缝在加载速率作用下的愈合作用只有在屈服阶段后才会明显显现，而在线弹性变形阶段，试件间应力差异并不大[2]。不同加载速率下，试件应变峰值基本稳定在0.07，加载速率对试件变形影响不大。试件受到三轴应力作用后发生失稳破坏归根结底是由结构内部裂缝的扩展导致的，随着加载速率的提高，试件内部裂缝扩展速度明显滞后于加载速率，故造成内部裂缝扩展受限，加载应力水平提高。

图1 混凝土试件三轴应力应变曲线

根据水灰比不同、围压相同情况下加载变形速率与试件峰值应力的关系曲线（图2），试件峰值应力受到加载速率影响下的变动趋势基本一致；当水灰比较低时，峰值应力差明显减小。对于水灰比为0.35的情况，加载速率为0.0002mm/s的试件峰值应力比加载速率0.02mm/s、2mm/s的峰值应力分别降低4.5%和5.34%；而对于水灰比为0.45的情况，加载速率为0.0002mm/s的试件峰值应力比加载速率0.02mm/s、2mm/s的峰值应力分别降低44.3%和52.4%。以上结果说明水灰比较低时，加载速率对试件承载力的影响较弱，而随着水灰比的提升，这种影响持续增大。

图2 不同水灰比下混凝土峰值应力曲线（围压4MPa）

3.2.2 围压的影响

根据不同围压下水工混凝土试件力学破坏试验结果，可以得出试件三轴应力应变曲线，结果如图3 所示，限于篇幅，此处仅列出了水灰比0.35 和0.40的情况。由图可知，随着围压的增大，应力快速增大后趋于稳定并缓慢下降，当应变为0.03、围压取2MPa 时对应的应力为48.41MPa，随着围压顺次增大至4MPa、6MPa 及8MPa 时，应力值分别增大为50.3MPa、52.1MPa、71.9MPa。从整体变化趋势来看，随着围压的增大，试件出现脆性破坏的可能性不断减弱。进一步分析表明，围压的增大能有效抑制宏观裂缝发展，使试件在峰值应力后期仍保持较高的承载能力；高围压下试件以塑性变形为主，线弹性变形占比很小，当围压取8MPa 时，峰值应力点对应应变为0.0910，而围压取2MPa、4MPa、6MPa时峰值应力应变依次为0.050、0.073、0.086，说明随着围压的增大，峰值应力应变递增，试件侧向束缚力和轴向变形随之增大。

图3 围压与试件三轴应力应变关系曲线

通过对不同水灰比下试件峰值应力与围压关系（图4）的分析，水灰比不变时随着围压的升高，峰值应力增大；水灰比为0.35 时围压8MPa 的峰值应力是围压2MPa 峰值应力的1.5 倍；而当水灰比为0.40 时，围压8MPa 的峰值应力是围压2MPa 峰值应力的1.22 倍。说明水灰比的增大对试件峰值应力的增加有削弱作用。进一步分析表明，水灰比增大后，试件内部胶凝材料减少，试件开口式裂隙增多，使试件在围压侧向束缚作用下趋于一致，即峰值应力减小。

图4 试件峰值应力变化曲线（加载速率0.02mm/s）

3.2.3 水灰比的影响

围压相同、水灰比不同情况下试件加载应力和峰值应力应变曲线具体见图5，由图可知，试件峰值应力随着水灰比的增大而减小。当围压取4MPa时，水灰比0.35、0.40 及0.45 时峰值应力依次为63.6MPa、48.5MPa、34.1MPa，表明水灰比对试件应力增长有抑制作用，大水灰比会降低水泥结构中的胶凝剂，无法较好填充混凝土空隙，进而减弱试件承载力。此外，随着水灰比的降低，试件表现出愈加明显的脆性破坏特征；且随着水灰比的增大，试件变形能力增强，当水灰比分别为0.35、0.40 和0.45 时试件应变值依次为0.087、0.110、0.053.说明较大的水灰比既能抑制试件应力增长，又能限制试件变形扩展。为此，必须结合水利工程荷载实际，选择最佳的水灰比，确保混凝土防渗材料应力变形均处于理想状态。

图5 不同水灰比下试件三轴应力应变曲线（围压4 MPa）

3.2.4 试件三轴强度的变化

根据三轴加载试验下不同加载速率试件强度看出，抗压强度与加载速率呈正相关关系，加载速率为0.0002mm/s 的试件强度为3.84MPa，而加载速率为0.002mm/s、0.02mm/s、2mm/s 时试件强度依次为3.96MPa、4.12MPa、4.54MPa。且随着无机材料掺率的增大，试件强度提升幅度也更大，或者说无极材料掺率越大，加载速率对试件强度影响强度的差异也更大，试件强度受加载速率的影响也愈加敏感。通过分析原因看出，无机材料掺率增大后，试件颗粒间的粘结性能更优，试件整体也更加稳固，在试验中的承载强度也愈高。

4 结 论

综上所述，借助混凝土材料三轴试验系统所展开的新疆某灌区输水渠道水工混凝土防渗材料破坏性能试验结果表明，三轴加载应力和加载速率之间正相关，加载速率越高则试件失稳破坏也更为剧烈；试件三轴加载抗压强度和加载速率正相关，且随着无机材料掺率的增大，加载速率对试件强度的提升效果愈发明显。根据文章分析，为提升该灌区输水渠道混凝土结构防渗性能，应提高水灰比，以削弱围压对水工混凝土峰值应力的促进程度，同时应增大围压，以约束三轴加载速率对水工混凝土材料力学特性的不利影响。