任恒誼

(山東省調(diào)水工程運行維護中心膠州管理站，山東 膠州 266300)

水利工程中混凝土材料應用范圍較廣，對提升工程穩(wěn)定性以及防滲特性均有較大幫助[1- 3]，特別是在引水工程輸水渠道的襯砌結(jié)構(gòu)以及防滲系統(tǒng)中。研究不同配合比混凝土力學穩(wěn)定性即是揭示混凝土失穩(wěn)破壞的重要手段，目前已有一些專家與學者借助數(shù)值仿真手段[4- 6]，研究混凝土顆粒流狀態(tài)，揭示混凝土這類材料在單、三軸力學條件下失穩(wěn)破壞全過程力學特征。當然，由于混凝土材料為人造材料，因而人為對混凝土材料的尺寸以及試驗環(huán)境條件等改變，均會影響到加載過程混凝土力學特征，因而一些學者已開展了相關(guān)力學特征的影響性研究[7- 9]。室內(nèi)試驗作為混凝土基礎(chǔ)力學的研究重要手段，借助巖土力學等試驗儀器，設(shè)計開展混凝土力學實驗，可探討獲得配合比差異組之間力學特征變化[10- 12]。以引黃濟青輸水渠道所用混凝土材料為研究對象，利用巖石力學試驗儀器，研究探討該類混凝土材料力學特性，為輸水渠防滲加固建設(shè)提供重要參考。

1 試驗背景及試驗方案

1.1 試驗背景

引黃濟青輸水工程作為運行多年的區(qū)域內(nèi)重要輸水線路，部分輸水渠道出現(xiàn)較嚴重滲漏，最大滲漏量甚至達67m3/s，極大影響了輸水渠道長期運營穩(wěn)定性，造成水資源利用效率降低。根據(jù)工程設(shè)計部門地勘資料，輸水渠道沿線均為粉細砂土，晶體顆粒磨圓度較高，一定程度上與預制混凝土可產(chǎn)生良好契合效應，達到防滲效果。輸水渠道中斷面變化差異造成預制混凝土尺寸不一，在部分界面處出現(xiàn)應力集中等現(xiàn)象，進而堵塞輸水渠道流場穩(wěn)定性。針對上述影響引黃濟青輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)的力學問題，利用輸水渠道的改性混凝土材料開展力學破壞試驗，探討襯砌材料力學穩(wěn)定性。

受預制混凝土所組成原材料配比差異影響，混凝土材料強度變形等特征均會發(fā)生一定變化，因而劃分混凝土3個基本組成部分：礦料級配、油石比、摻合料，以此確定適合工程的3個重要參量。按照規(guī)范可知，其中礦料級配計算按照下式計算獲得[13- 14]：

(1)

式中，Dmax、di—最大、最小粒徑。

根據(jù)膠東地區(qū)工程地質(zhì)特點，以全渠道斷面中滲漏最為嚴重的濰坊壽寒邊界至坊央公路橋斷面為研究對象，全斷面12km，堤身寬度4m，部分堤段頂部高程已被削弱低于安全高度，選用預制混凝土材料級配分別為0.3、0.35、0.4開展對比研究。油石比與摻合料含量選取應按照規(guī)范要求[15- 16]，3個對照組油石比參數(shù)分別為6%、6.5%、7%；摻合料對比參數(shù)分別為13%、15%、17%。按照配合比組合，共設(shè)計有以下9個配合比實驗組，見表1。

由于混凝土抗拉性能關(guān)乎工程質(zhì)量安全，為選取出最佳配合比，筆者針對上述9個實驗組分別制作出符合間接拉伸試驗需求的各配合比試樣，如圖1所示。

表1 混凝土配合比試驗方案組

圖1 瀝青混凝土試樣形態(tài)

利用RMTS混凝土材料試驗機開展間接拉伸試驗，在試驗前每塊試樣均測定其孔隙度，基于間接拉伸試驗獲得各個配合比試樣的平均強度與最大拉伸位移，如圖2所示。

圖2 各試樣強度、拉伸位移變化曲線

比較測試結(jié)果可知，Y- 3試樣強度最大，達1.384MPa，但其位移較低，僅為2.88mm；位移最大者為L- 1試樣，相比前者增大了15.6%，達3.33mm；綜合位移與強度表現(xiàn)來看，Y- 2試樣的強度達1.325MPa，在9組配合比試驗方案中僅次于Y- 3試樣，其位移達3.235mm，變形能力一定程度反映了材料在受張拉應力時所能承受的彎曲幅度，因而綜合考慮本次實驗選取Y- 2試驗配合比方案，即級配指數(shù)0.35、油石比6.5%、摻合料含量15%。

1.2 試驗儀器及方案

為研究預制混凝土材料的力學特征，設(shè)計室內(nèi)單軸力學試驗，借助液壓試驗機ATS對混凝土試樣破壞全過程開展力學分析。該試驗機可承擔單、三軸巖石等材料試驗，并可轉(zhuǎn)換不同加載控制方式，包括本次試驗中應用較多的應變式控制方式，亦有力控方式，力傳感器最大荷載可達1000kN，軸向變形傳感器量程達-10～10mm，所有測量傳感器誤差不超過0.5%，并可搭配模擬環(huán)境試驗箱，提供高低溫環(huán)境力學耦合實驗，實驗溫度可為-10～100℃，數(shù)據(jù)采集間隔可精確至0.1s，所有數(shù)據(jù)均實時在電腦程序中展現(xiàn)，幫助實驗人員全方位全維度觀察試樣力學特征變化過程。由于單軸力學破壞實驗不同于間接拉伸試驗，且為了研究不同尺寸影響下混凝土材料破壞規(guī)律，本次單軸力學試驗根據(jù)輸水渠道全斷面特征，研究考慮不同尺寸的瀝青混凝土試樣，按照徑高100mm×200mm、100mm×150mm、100mm×100mm 3個尺寸切割，獲得如圖3所示試樣。

圖3 單軸破壞試驗試樣

根據(jù)前述實驗目的，本實驗中應變速率梯度分別為10- 7s- 1、10- 5s- 1、10- 3s- 1、10- 1s- 1，按照不同尺寸試樣換算實驗過程變形速率，例如100mm×200mm試樣的10-5s-1應變速率對應的變形加載速率為0.002mm/s，試樣100mm×150mm對應的變形加載速率又為0.0015mm/s，其他尺寸試樣同理類似換算即可。不同尺寸試樣均需完成同一組加載速率試樣，即最終實驗方案組，見表2。

每塊試樣單軸破壞實驗均是按照如下步驟進行。

(1)試樣在養(yǎng)護桶內(nèi)完成相同養(yǎng)護時間48h，在試驗前完成質(zhì)量與密度等物理參數(shù)測定，確保試樣在進行單軸試驗前不出現(xiàn)內(nèi)部初始損傷裂隙，即保證試樣初始狀態(tài)各向同性。

表2 單軸破壞實驗方案組

(2)以應變控制方式施加荷載，并在控制程序中調(diào)整ATS加載系統(tǒng)的單軸應變速率為試樣目標速率，后開始加載，并觀察數(shù)據(jù)采集儀呈現(xiàn)的實時應力應變曲線。

(3)當試樣達到峰值荷載后破壞，結(jié)束數(shù)據(jù)采集，停止試驗，從加載箱內(nèi)取出試樣，更換下一組試樣，重新前述步驟。

2 加載速率對預制混凝土單軸力學影響特性

基于前述不同加載速率單軸力學試驗，獲得混凝土試樣不同加載速率下應力應變特征曲線，如圖4所示。從圖中可看出，應變加載速率愈大，則混凝土試樣單軸抗壓強度愈大，在 3種不同尺寸高度中均是如此，當試樣高度均為100mm時，加載速率10-1s-1下峰值應力為28.81MPa，而加載速率降低2、4、6個量級后，即加載速率為10-3、10-5、10-7s-1時，相應的峰值應力相比前者分別降低了33.4%、74.3%、78.1%。當試樣高度為200mm時，3個加載速率為10-3、10-5、10-7s-1，相比速率10-1s-1下降的幅度分別為42.4%、76.7%、78.5%，即高度增大，各加載速率試樣的峰值應力變化幅度較穩(wěn)定，筆者認為尺寸效應在加載速率促進混凝土試樣強度發(fā)展過程中影響較弱。從低應變加載速率應力應變?nèi)^程可以看出，硬化變形特征顯著。在高度為200mm的試樣組中，加載速率為10-5、10-7s-1的試樣在峰值應力后持續(xù)處于應力較緩慢下降階段，隨應變增大，應力變化幅度不超過10%，塑性變形較強。分析表明，加載速率較大時，試樣受外荷載形成的次生裂紋會快速被壓密愈合，內(nèi)部孔隙填充所得的細小晶體顆?？蛇M一步激發(fā)試樣獲得較強的抵抗裂紋擴展能力，故而試樣強度與加載速率為正相關(guān)變化；當加載速率過低時，混凝土內(nèi)粗細骨料可流動特性會在較緩慢的加載速率“幫助”下逐步運動到細小裂紋中，使試樣趨于硬化，而不會快速貫通產(chǎn)生宏觀大裂紋，因而峰值應力后期處于硬化狀態(tài)。

圖4 混凝土單軸應力應變曲線(加載速率影響)

圖5為不同加載速率下混凝土試樣彈性模量變化曲線。從加載速率與彈性模量參數(shù)間關(guān)系來看，兩者為正相關(guān)變化特征，當試樣高度為150mm時，加載速率10-1s-1的試樣彈性模量為946.33MPa，而加載速率降低至10-5、10-7s-1后，彈性模量值降低了72.8%、85.1%。分析認為造成此現(xiàn)象主要是由于加載速率較大時，材料的塑性變形會大大減小，線彈性特征為占據(jù)主導作用，此種現(xiàn)象在應力應變曲線峰值應力后期尤為顯著，加載速率10-5、10-7s-1等試樣的峰值后期塑性硬化占據(jù)長期發(fā)展 “主流”。從混凝土材料特性來看，加載速率增大，可助長混凝土剛度與線彈性變形特征，進而抑制塑性變形的產(chǎn)生，增大脆性變形破壞可能性。

圖5 混凝土彈性模量變化特征曲線(加載速率影響)

3 尺寸效應影響單軸力學特性

圖6為各應變加載速率下3種不同尺寸對應的應力應變曲線。從圖中可知，尺寸為100mm×100mm試樣峰值應力在3個加載應變速率下均是最高，相反，尺寸為100mm×200mm的試樣峰值應力為最低，加載速率為10-3s-1時，試樣高度200mm的試樣峰值應力為11.1MPa，而高度100、150mm試樣峰值應力相比前者分別增大了72.7%、18.9%。從峰值應變來看，試樣高度愈大，則應變愈小，加載速率為10-3s-1下100mm×200mm試樣峰值應變?yōu)?.1%，其相比100mm×100mm試樣峰值應變減少了54.4%。分析表明，試樣高度增大，會抑制混凝土承載能力，減弱材料變形能力，即為材料尺寸效應，當材料高度愈大，徑高之間差距愈大，則尺寸效應愈發(fā)顯著；從工程應用角度考慮，應盡量減少材料尺寸效應對強度削弱作用。

從試樣抗壓強度、彈性模量與尺寸效應相關(guān)曲線可知(如圖7所示)，抗壓強度、彈性模量參數(shù)與試樣高度均為負相關(guān)變化特征。分析2個參數(shù)受尺寸效應影響可知，加載速率愈大，則參數(shù)受尺寸差異影響愈顯著，在加載速率同為10-5s-1下，高度100mm試樣的彈性模量與200mm試樣之間差距幅度為47.7%，而在加載速率為10-1s-1下兩者之間差距為110.6%，表明加載速率越大，則尺寸效應越發(fā)凸顯，加載速率一定程度上會加強混凝土尺寸效應。

4 結(jié)論

(1)研究了混凝土最佳配合比方案，綜合間接拉伸強度與位移特征，以級配指數(shù)0.35、油石比6.5%、摻合料含量15%為配合比的試樣強度變形均處于最佳狀態(tài)。

(2)獲得了加載速率與峰值應力、彈性模量均為正相關(guān)，試樣高度100mm時，加載速率為10-3、10-7s-1的峰值應力相比10-1s-1時分別降低了33.4%、78.1%，尺寸效應在加載速率促進混凝土試樣強度發(fā)展過程中影響較弱。

(3)研究了試樣高度與峰值應力、彈性模量均為負相關(guān)特征；加載速率愈大，則參數(shù)受尺寸差異影響愈顯著，加載速率10-4s-1下高度100與200mm試樣彈性模量差距為47.7%，而加載速率10-2s-1下差距為110.6%。

圖6 應力應變曲線(尺寸效應影響)

圖7 抗壓強度、彈性模量與尺寸效應關(guān)系