大型灌區現役襯砌模袋混凝土渠道力學性能檢驗

李亞童，申向東，高 矗，劉 昱(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

河套灌區位于中國內蒙古自治區西部的巴彥淖爾市，西接烏蘭布和沙漠，東至包頭市九原區，南臨黃河，北抵陰山，是中國設計灌溉面積最大的灌區之一。黃河流經灌區南部邊緣345 km，灌區引黃灌溉條件便利，年均引黃用水量約38億m3左右，然而面對黃河水資源日益緊缺、用水高峰難錯的嚴峻形勢，河套灌區建設進入以節水改造為目的的新階段。從2005年開始灌區逐步進行節水改造工程，其主要內容為渠道襯砌防滲改造及建筑物配套工程。近些年因模袋混凝土具有整體性能好，強度高、耐磨、抗化學腐蝕等特點常被用到護坡、護底、防滲工程中[1]，逐步替代了以往混凝土砌塊襯砌。河套灌區節水改造工程將其作為一種新型現澆混凝土技術運用到一干渠、總干渠、豐濟渠、沙河渠和南二分干渠等5處渠道襯砌中。截止2014年5月，5處模袋混凝土襯砌工作已相繼完工。由于在河套灌區渠道防滲工程中首次使用模袋混凝土，針對于河套灌區夏季高溫干旱、冬季嚴寒少雪、無霜期短、封凍期長的地域和氣候特點，有關在役模袋混凝土的力學性能及耐久性的研究較少，缺乏系統和合理的評價。因此本文將利用鉆芯法直接檢測混凝土強度并通過應力應變分析及電子顯微鏡掃描從宏觀與微觀兩方面對河套灌區在役襯砌模袋混凝土渠道的力學性能進行系統的質量檢驗檢測及科學的評估，使其可以在河套灌區以及北方寒旱區大面積的應用推廣。

1 鉆芯法檢測現役渠道模袋混凝土強度

近年來隨著混凝土結構無損檢測技術的發展，無損檢測技術在質量監控、工程驗收、已建工程的安全性評價方面發揮了無可替代的重要作用[2]。其中分為非破損法、半破損法和綜合法三種。對于已投入使用的水工建筑來說，鉆芯法可以直接從渠道上鉆取芯樣，可直接測得混凝土的抗壓強度，不需進行某種物理量與強度之間的換算，具有不受混凝土齡期限制、測試結果誤差范圍小、直觀、能真實地反映混凝土強度等諸多優點[3]。因此本文采用鉆芯法檢測混凝土強度。由于目前國內外對于模袋混凝土取芯技術并未提出相應的技術規范，在此文中將參照普通混凝土取芯方法進行操作。

1.1 模袋混凝土芯樣的制取

本工程中使用的主要工具是HZ-15混凝土鉆孔取芯機和人造金剛石薄壁鉆頭。首先把鉆機固定于被測混凝土渠道表面，由于襯渠屬于素混凝土所以不必考慮鋼筋及預埋件位置，然后人工把持鉆機緩慢鉆入、勻速鉆進，對鉆頭連續加水冷卻[4]。由于模袋混凝土要求混凝土的流動性大，從而工程中混凝土的粗骨料最大粒徑均小于一般混凝土粗骨料的最大粒徑，所以本次取芯直徑為75 mm，芯樣鉆取長度根據現場模袋混凝土的三種厚度進行取樣，分別為100、120、150 mm。

1.2 模袋混凝土芯樣的加工

因為模袋混凝土具有很強的可塑性，需要對其進行切割磨平等工序，使用紅外線切割機對現場鉆取的模袋混凝土芯樣進行二次加工，去掉兩端不平整處，使芯樣的高徑比為1。在切割時要特別小心，避免蹦邊等現象出現，以免對芯樣的抗壓強度值產生影響。

2 模袋混凝土抗壓強度檢測批中異常值的剔除

由于鉆芯法屬于半破損的檢測手段，所以當進行鉆芯位置的選擇、芯樣尺寸確定、取芯機的安裝、芯樣的二次加工及進行抗壓強度試驗等這些相對主觀性的步驟時均會影響混凝土芯樣強度的測量值，從而影響強度的離散程度，這也是工程檢測中經常會遇到的問題。因此根據《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》(CECS 03：2007)規定利用鉆芯法確定混凝土檢測批的強度推定值時，需要剔除抗壓強度樣本中的異常值。

根據《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》(CECS 03：2007)中3.2.3條規定剔除規則應按現行國家標準《數據的統計處理和解釋 正態樣本離群值的判斷和處理》(GB/T4883-2008)的規定執行，其中格拉布斯雙側檢驗法被廣泛使用。t檢驗法雖然并未寫入規范中，但在一些文獻中也常使用這種方法進行剔除，在此分別利用格布拉斯雙側檢驗法[5]與t檢驗準則雙側檢驗法[3]，找到適合本工程的剔除方法。

3 工程實例

南二分干渠位于內蒙古河套灌區沈烏灌域控制范圍內，模袋混凝土襯砌設計強度等級為C25，模袋中灌注的是商品混凝土，配合比如表1，試配強度為33.2 MPa。由于需要對已建設使用的模袋混凝土渠道進行質量檢測，經討論后決定采用鉆芯法，確定檢驗批混凝土強度推定值。取芯時每隔4～5 m的位置鉆芯，鉆取15個直徑為75 mm，加工后高度為75 mm的芯樣。經計算，檢驗批芯樣抗壓強度值為23.9～41.3 MPa并利用格拉布斯檢驗法進行異常值剔除，如表2所示。

表1 南二分干渠(3-4)閘陰坡模袋混凝土配合比Tab.1 South of the canal (3-4) gate shady slope bagged concrete mix

表2 南二分干渠(3-4)閘陰坡檢驗批芯樣抗壓強度及格拉布斯檢驗計算Tab.2 The south canal (3-4) gate shady slope test batch of compressive strength for core samples and Grubbs test calculation

從表2可以看出，上限值與下限值的差值為6.7 MPa，且大于5.0 MPa或0.1 的最大值，表現出檢驗批混凝土芯樣的抗壓強度中存在需要剔除的異常值。但通過對統計量的計算得出G′n>Gn的同時G′n

表3 南二分干渠(3-4)閘陰坡檢驗批芯樣t檢驗計算Tab.3 South canal (3-4) gate shady slope test batch of core sample t test calculated

當n=15時t1>tn,且t1>t0.975，最小值為異常值，剔除；當n=14時，t1>tn,且t1>t0.975，仍有異常值24.8 MPa存在，剔除；當n=13時，未檢驗出異常值。故檢驗批混凝土芯樣的強度推定值按剔除后的13個數值進行計算：fcu,e1=32.1 MPa，fcu,e2=27.4 MPa，差值為4.68 MPa。通過剔除，本組模袋混凝土芯樣的抗壓強度推定值符合規范中的各項要求，檢驗批模袋混凝土芯樣的強度推定值為32.1 MPa，這也說明當數據具有較大離散度時t檢驗法剔除混凝土強度異常值的優勢才更為明顯，同時得到t檢驗法比格拉布斯檢驗法更適合本段渠道。這是由于模袋混凝土不同于普通混凝土，屬于具有較高流動性的自密實混凝土，泵送后無需振搗，因此在澆筑成型時會產生或多或少的空洞等缺陷，從而導致模袋混凝土檢驗批芯樣的強度離散情況高于在澆筑后經過充分振搗的普通混凝土，因此，相比普通混凝土t檢驗法會較多的運用到模袋混凝土強度的異常值檢驗上。在此也說明規范中建議的剔除方法只能代表大部分的工程檢測并不能代表全部，我們在依賴規范的同時，也應找到真正適合于研究工程的方法。同時也可建議在規范中添加t檢驗法作為輔助計算方法或作為補充剔除模袋混凝土異常值的方法。

4 模袋混凝土應力應變關系的測定及其特征

除了上面對檢驗批強度推定值的計算，同樣需要對其力學性能進行宏觀上及微觀上的分析。首先從宏觀上對檢驗批模袋混凝土進行應力-應變曲線分析。對芯樣試件進行抗壓試驗得出試驗力與變形數據，根據式(1)，計算出應力、應變值，經過對大量數據的取舍，得出代表檢驗批混凝土的應力-應變曲線圖如圖1所示。

(1)

圖1 應力應變曲線Fig.1 Stress strain curve

此應力應變曲線分為上升段與下降段兩個階段，上升段初始時隨應力的增加，應變變化較小，應力應變關系趨近于直線，出現這種現象的原因是試件兩端面不平整，試驗機與試件端面接觸不完全。當壓力機與芯樣端部完全接觸后，曲線走勢較初始階段平緩，此時模袋混凝土芯樣呈現出塑性性質，而后隨著應力的增大，混凝土芯樣在承受試驗機對其施加的外力時，結構的變形緩步增加，對外力的增加相應的做出了正確的反應，直至產生應力最大值后，混凝土芯樣開始破壞。隨后產生下降段，不同于其他應力-應變曲線，本試驗的下降段延伸雖較短但很平緩，隨應力的減小，應變增加較多，說明混凝土芯樣的延性較好，具有殘余強度抵抗變形。此應力-應變曲線與本組試件抗壓強度異常值剔除后的13塊芯樣試件的抗壓強度推定值的計算結果基本吻合。

為更好地了解這批模袋混凝土芯樣的應力應變關系并對已知的應力-應變曲線進行數學公式的擬合，首先將圖3的應力-應變曲線進行無量綱化處理，橫坐標為 ( 為峰值應力對應的應變)，縱坐標為 ( 為應力峰值)，即得出無量綱化的應力-應變曲線[6]，如圖2所示。對于普通混凝土的應力-應變曲線的表達式已提出多項式[7]、指數式[8]、三角函數[9]、有理分式[10]等一系列表達式。

根據文獻[11]，本文把應力應變曲線分上升段和下降段兩段進行擬合，經擬合上升段滿足二次多項式方程，下降段滿足線性方程：

(2)

其中式(2)中，a、b、c為上升段曲線參數，d、e為下降段曲線參數。a=-0.7682，b=1.6145，c=0.1545，d=-0.1338，e=1.1367時滿足南二分干渠(3-4)閘陰坡的應力-應變曲線方程的參數。

5 微觀形貌分析

為了能將宏觀上的計算與微觀中的圖像結合與呼應，本文將從其微觀結構特征上繼續闡述力學性能，從而更好的說明檢測結果的可靠性。因此本試驗在檢驗批模袋混凝土的粗骨料-水泥石界面過渡區和水泥石區域，分別拍攝了300倍和3 000倍的電子顯微鏡電描照片，如圖3所示。

圖3 電鏡照片Fig.3 electron microscope photographs

從圖3(a)可以看出，在水泥石與骨料界面存在著2～3 μm的微裂紋，水泥漿包裹著粗骨料及砂粒，砂漿的黏結性比較好，水泥的水化產物連接比較致密，孔隙產生較小。從圖3(b)中可以清晰地看到水泥的水化產物尺寸較小，從而孔隙便減少了許多，水泥石的孔隙中鑲嵌了較多的粉煤灰顆粒，起到了填充的作用，使結構更加緊實，促進了結構的強度提升，而且從圖中可以看到粉煤灰的顆粒粒徑在10～20 μm不等，這樣能填充水泥石中不同尺寸的孔隙，促進了混凝土抵抗外力的能力。

6 結 論

(1)在計算檢驗批試件強度推定值時，使用格拉布斯檢驗法和t檢驗法對檢驗批試件進行剔除，其中前者在差值大于5.0 MPa時并沒有檢驗出異常值的存在，但后者卻能剔除出兩個異常值，同時降低了變異系數，說明模袋混凝土因其檢驗批離散度較大比普通混凝土更加適用t檢驗法。可以建議在規范中加入t檢驗法作為輔助計算方法或作為補充剔除模袋混凝土異常值的方法。

(2)南二分干渠(3-4)閘陰坡混凝土芯樣的強度推定值為32.1 MPa，雖然與設計配合比實驗室強度33.2 MPa有一些降低，但是對于服役混凝土來說，強度仍然高于設計強度的30%，已經體現出本段混凝土良好的力學性能，整體工程質量可靠，且能按照設計要求繼續服役。

(3)通過對南二分干渠(3-4)閘陰坡模袋混凝土芯樣檢驗批應力-應變曲線的分析可以看出，曲線走勢平緩，由上升段與下降段組成，能說明在滿足設計強度的同時，混凝土芯樣的延性好，在受到外力時，可以做出相應的力學反應，確保了建筑物的安全性，且上升段曲線滿足二次多項式方程，下降段滿足線性方程。

(4)通過SEM電鏡掃描圖片，可以看出粉煤灰的添加能有效地填充混凝土中的微小孔隙，使試件內部水泥、骨料、摻和料能有效的連接、鑲嵌在一起，從而提高了混凝土的整體強度。

(5)本文通過從宏觀上與微觀上的分析均說明了工程的力學性能與通過t檢驗剔除異常值后計算得到的強度推定值相符合，同時得到本檢測段的安全性能是可靠的。

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[5] GB/T4883-2008，數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理[S].

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