大山水库修复工程胶结混凝土力学试验研究

赵雯雯

（临沂市水利局，山东 临沂 276000）

1 试验概况

1.1 试验背景

大山水库大坝全长超过1 250 m，设计最大坝高达37.8 m，目前，由于临港区大山水库局部水利设施受运营年限较长，部分坝体、渠道以及水闸支撑结构等处均需修复，因而需要在原有结构基础上进行胶结混凝土材料施工，为此，工程设计部门讨论开展对此类混凝土材料力学特征影响因素开展分析，为工程建设调配最优胶结混凝土材料提供依据。

1.2 试验介绍

为确保本试验结果准确性与科学性，本试验采用ST-RTS 岩石材料力学试验系统。ST-RTS力学试验系统最大可完成轴向荷载1 000 kN 试验。数据采集设备包括有内置测试装置与外接精密LVDT 传感器设备，外接LVDT 传感器精度较高，最大量程为-10~10 mm，最大误差不超过1‰，而环向传感器可获得试样加载过程中横向变形参量，其量程为-15~15 mm。

本试验所有样品原材料均取自大山水库修复工程场地，如试验样品所需的水泥、粗细骨料等，在室内按照相应的配合比参量进行调配。本文主要研究胶结混凝土材料的含气量、粉煤灰掺量对力学特征影响，针对含气量影响因素，胶结材料在配合比中通过控制引气剂，使胶结材料含气量满足目标参量要求，在搭配一致的42.5 级水泥及其他混合料，制备出满足规范要求的直径、高度均为50 mm、100 mm 试样，并且所有试样均经加工、打磨，确保平整度误差不超过1%。而粉煤灰掺量主要通过控制配合比中粉煤灰熟料矿物掺量，达到满足试验参量要求。所有试样在制备后均在养护箱内养护14 d，再进行12 h 的20 MPa围压损伤愈合养护，降低初始加工损伤效应，使试样物理特性在试验前具有一致性。本试验中含气量与粉煤灰掺量试验组分别为A、B 组，其中含气量对比组中分别为含气量1%、3%、6%、9%、12%，而粉煤灰试验组中设定掺量为0%、5%、10%、15%、20%、25%，各试验组中仅改变单一掺量因素，其他配合比参数保持一致，具体方案如表1 所示。

表1 各组胶结混凝土试样含气量与粉煤灰掺量

2 含气量对胶结材料力学特征影响

2.1 应力应变特征

根据不同试验组下胶结材料单轴加载破坏试验，获得含气量影响下胶结材料试样应力应变特征，如图1 所示。从图中可看出，胶结材料试样加载应力水平与含气量具有负相关关系，在粉煤灰掺量5%试验组中，加载应变1%下含气量1%试样对应的加载应力为26.2 MPa，与之同时含气量6%、12%试样加载应力较前者分别减少了63.6%、81.6%；而当位于粉煤灰掺量为20%试验组中，相同应变1%下含气量6%、12%试样的加载应力与含气量1%试样间差幅分别为52.3%、68.6%，即增大粉煤灰掺量，有助于缩小不同含气量试样间加载应力水平差异。当胶结材料中增添有定量的引气剂，导致胶结材料内部具有相应的空气占比，实质上形成了内部孔隙通道，对胶结材料颗粒骨架结构稳定性具有一定损害性，进而形成承载应力水平降低的现象；当粉煤灰掺量增多后，粉煤灰较细颗粒粒径可进入引气剂造成的内部孔隙中，可一定程度缩小不同引气剂含量造成的承载应力差异。

图1 含气量影响下胶结材料应力应变特征

从变形特征来看，各含气量试验组试样在峰值应力后期变形破坏特征具有差异性，当含气量愈高时，峰值应力后为延性破坏特征，而含气量较低时，试样为脆性破坏特征，峰值应力后呈显著下跌现象。当含气量较低时，胶结材料整体硬脆性特征较强，因而峰值应力后应力下跌迅速。从线弹性变形阶段可看出，两个粉煤灰掺量试验组中，含气量1%试样弹性模量分别为27.7 MPa、41.1 MPa，而在粉煤灰掺量5%试验组中，含气量3%、9%试样弹性模量较前者分别减少了31.8%、42.1%，表明含气量差异性亦会影响胶结材料线弹性变形能力。另从峰值应变、最大应变参数可知，含气量愈多试样的峰值应变、最大应变愈大，在图2（a）组中含气量1%~12%试样峰值应变分别为1.28%、1.5%、1.67%、1.86%、2.1%，由此可知，含气量对胶结材料变形特征影响为正向促进效应。

图2 各含气量试样抗压强度变化特征

2.2 力学强度特征

针对胶结材料力学强度特征，本文给出不同粉煤灰掺量试验组中各含气量试样抗压强度变化特征，如图2 所示。从图中可知，粉煤灰掺量0%试验组中含气量1%试样强度为25.4 MPa，而含气量为3%、9%、12%试样强度较前者分别降低了26.5%、63.5%、80%，含气量参数与胶结材料强度具有负相关关系，且两者具有线性函数关系。从整体降幅来看，粉煤灰掺量0%试验组中，在含气量3%试样后，含气量每增长3%，试样强度平均降低34.6%；而在粉煤灰掺量5%、20%试验组中，试样强度平均降幅分别为16.2%、12.6%。由此可知，粉煤灰掺量有削弱含气量抑制胶结材料强度效应的作用。

3 粉煤灰掺量对材料力学特征影响

3.1 应力应变特征

如图3 所示，当粉煤灰掺量为15%时，试样加载应力水平为各粉煤灰掺量试验组中最高，在加载应变1%时粉煤灰掺量0%试样的加载应力为11.05 MPa，而掺量5%、15%试样同等应变下加载应力较前者分别增长了20.5%、109.6%，而掺量20%、25%试样加载应力相比掺量15%在相同应变下分别降低了36.1%、47.4%，即粉煤灰掺量对试样加载应力影响具有阶段转变节点。当粉煤灰掺量为0%~15%时，试样加载应力水平与掺量具有正相关关系，而掺量超过15%后，试样加载应力水平为降低现象。分析认为，粉煤灰掺量对胶结材料承载应力水平影响具有合理参数特征，即存在合理粉煤灰掺量值，只有当位于合理掺量值左右时，胶结材料承载应力才为最大。

图3 粉煤灰掺量影响下胶结材料应力应变特征

从变形特征可知，弹性模量参数与加载应力水平影响变化具有一致性，掺量0%试样弹性模量为14.5 MPa，而合理掺量15%试样弹性模量较前者增大了64.7%，但掺量20%、25%试样弹性模量较合理掺量试样又分别减少了24.8%、28.8%。从峰值应变亦可看出，粉煤灰掺量对峰值应变、最大应变参数影响无显著性规律，粉煤灰掺量0%~25%六个试样的峰值应变分别为1.45%、1.51%、1.52%、1.3%、1.48%、1.43%。

3.2 力学强度特征

经数据处理获得粉煤灰掺量与胶结材料抗压强度特征，如图4 所示。依图中抗压强度变化可知，抗压强度与掺量呈“倒V”型变化，以粉煤灰掺量15%下为最高，在含气量3%试验组中，掺量0%~15%区间内，掺量增长5%，试样强度平均增大15.2%；而在掺量15%~25%区间内，试样强度平均损耗11.5%。当含气量为6%时，粉煤灰掺量影响胶结材料强度的两区间增幅与降幅分别有所减小，在掺量0%~15%与掺量15%~25%区间内试样强度的平均增幅、降幅分别为23.4%、23.6%。综合分析，笔者认为引气剂的添加应控制在较低范围，不应过多而导致强度损耗；针对粉煤灰掺量来说，其应控制在合理掺量15%左右，确保胶结材料强度满足大山水库修复工程需求。

图4 各粉煤灰掺量试样抗压强度变化特征

4 结 语

1）胶结材料试样加载应力值与含气量具有负相关关系，粉煤灰掺量增大，胶结材料受含气量影响效应降低，且含气量与试样强度呈线性函数关系；粉煤灰掺量0%、20%试验组中，含气量每增长3%，试样强度平均降低34.6%、12.6%。

2）粉煤灰掺量影响胶结材料强度具有阶段性变化特征，其强度与掺量曲线呈“倒V”型变化，以掺量15%为合理掺量，在含气量3%试验组中掺量0%~15%与15%~25%区间分别为递增、递减变化，平均增幅与降幅为15.2%、11.5%。

3）含气量对胶结材料弹性模量具有负相关作用，且含气量较高时峰值应力后为延性破坏特征，含气量愈多，试样峰值应变、最大应变愈大，但粉煤灰掺量影响下的胶结材料应变参量无显著性规律。