大型灌區(qū)現(xiàn)役襯砌模袋混凝土渠道力學(xué)性能檢驗

李亞童，申向東，高 矗，劉 昱(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

河套灌區(qū)位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾市，西接烏蘭布和沙漠，東至包頭市九原區(qū)，南臨黃河，北抵陰山，是中國設(shè)計灌溉面積最大的灌區(qū)之一。黃河流經(jīng)灌區(qū)南部邊緣345 km，灌區(qū)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(yán)峻形勢，河套灌區(qū)建設(shè)進(jìn)入以節(jié)水改造為目的的新階段。從2005年開始灌區(qū)逐步進(jìn)行節(jié)水改造工程，其主要內(nèi)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(qiáng)度高、耐磨、抗化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)常被用到護(hù)坡、護(hù)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(qū)節(jié)水改造工程將其作為一種新型現(xiàn)澆混凝土技術(shù)運(yùn)用到一干渠、總干渠、豐濟(jì)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(qū)渠道防滲工程中首次使用模袋混凝土，針對于河套灌區(qū)夏季高溫干旱、冬季嚴(yán)寒少雪、無霜期短、封凍期長的地域和氣候特點(diǎn)，有關(guān)在役模袋混凝土的力學(xué)性能及耐久性的研究較少，缺乏系統(tǒng)和合理的評價。因此本文將利用鉆芯法直接檢測混凝土強(qiáng)度并通過應(yīng)力應(yīng)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(qū)在役襯砌模袋混凝土渠道的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的質(zhì)量檢驗檢測及科學(xué)的評估，使其可以在河套灌區(qū)以及北方寒旱區(qū)大面積的應(yīng)用推廣。

1 鉆芯法檢測現(xiàn)役渠道模袋混凝土強(qiáng)度

近年來隨著混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)在質(zhì)量監(jiān)控、工程驗收、已建工程的安全性評價方面發(fā)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(qiáng)度，不需進(jìn)行某種物理量與強(qiáng)度之間的換算，具有不受混凝土齡期限制、測試結(jié)果誤差范圍小、直觀、能真實地反映混凝土強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。因此本文采用鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度。由于目前國內(nèi)外對于模袋混凝土取芯技術(shù)并未提出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，在此文中將參照普通混凝土取芯方法進(jìn)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(jī)和人造金剛石薄壁鉆頭。首先把鉆機(jī)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(yù)埋件位置，然后人工把持鉆機(jī)緩慢鉆入、勻速鉆進(jìn)，對鉆頭連續(xù)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(jù)現(xiàn)場模袋混凝土的三種厚度進(jìn)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(qiáng)的可塑性，需要對其進(jìn)行切割磨平等工序，使用紅外線切割機(jī)對現(xiàn)場鉆取的模袋混凝土芯樣進(jìn)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(xiàn)象出現(xiàn)，以免對芯樣的抗壓強(qiáng)度值產(chǎn)生影響。

2 模袋混凝土抗壓強(qiáng)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(dāng)進(jìn)行鉆芯位置的選擇、芯樣尺寸確定、取芯機(jī)的安裝、芯樣的二次加工及進(jìn)行抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的測量值，從而影響強(qiáng)度的離散程度，這也是工程檢測中經(jīng)常會遇到的問題。因此根據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 03：2007)規(guī)定利用鉆芯法確定混凝土檢測批的強(qiáng)度推定值時，需要剔除抗壓強(qiáng)度樣本中的異常值。

根據(jù)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 03：2007)中3.2.3條規(guī)定剔除規(guī)則應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋 正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》(GB/T4883-2008)的規(guī)定執(zhí)行，其中格拉布斯雙側(cè)檢驗法被廣泛使用。t檢驗法雖然并未寫入規(guī)范中，但在一些文獻(xiàn)中也常使用這種方法進(jìn)行剔除，在此分別利用格布拉斯雙側(cè)檢驗法[5]與t檢驗準(zhǔn)則雙側(cè)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(nèi)蒙古河套灌區(qū)沈烏灌域控制范圍內(nèi)，模袋混凝土襯砌設(shè)計強(qiáng)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(qiáng)度為33.2 MPa。由于需要對已建設(shè)使用的模袋混凝土渠道進(jìn)行質(zhì)量檢測，經(jīng)討論后決定采用鉆芯法，確定檢驗批混凝土強(qiáng)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(jīng)計算，檢驗批芯樣抗壓強(qiáng)度值為23.9～41.3 MPa并利用格拉布斯檢驗法進(jìn)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(qiáng)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(xiàn)出檢驗批混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度中存在需要剔除的異常值。但通過對統(tǒng)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(dāng)n=15時t1>tn,且t1>t0.975，最小值為異常值，剔除；當(dāng)n=14時，t1>tn,且t1>t0.975，仍有異常值24.8 MPa存在，剔除；當(dāng)n=13時，未檢驗出異常值。故檢驗批混凝土芯樣的強(qiáng)度推定值按剔除后的13個數(shù)值進(jìn)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(qiáng)度推定值符合規(guī)范中的各項要求，檢驗批模袋混凝土芯樣的強(qiáng)度推定值為32.1 MPa，這也說明當(dāng)數(shù)據(jù)具有較大離散度時t檢驗法剔除混凝土強(qiáng)度異常值的優(yōu)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(chǎn)生或多或少的空洞等缺陷，從而導(dǎo)致模袋混凝土檢驗批芯樣的強(qiáng)度離散情況高于在澆筑后經(jīng)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(yùn)用到模袋混凝土強(qiáng)度的異常值檢驗上。在此也說明規(guī)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(guī)范的同時，也應(yīng)找到真正適合于研究工程的方法。同時也可建議在規(guī)范中添加t檢驗法作為輔助計算方法或作為補(bǔ)充剔除模袋混凝土異常值的方法。

4 模袋混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的測定及其特征

除了上面對檢驗批強(qiáng)度推定值的計算，同樣需要對其力學(xué)性能進(jìn)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(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析。對芯樣試件進(jìn)行抗壓試驗得出試驗力與變形數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)，計算出應(yīng)力、應(yīng)變值，經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的取舍，得出代表檢驗批混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖1所示。

(1)

圖1 應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress strain curve

此應(yīng)力應(yīng)變曲線分為上升段與下降段兩個階段，上升段初始時隨應(yīng)力的增加，應(yīng)變變化較小，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系趨近于直線，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是試件兩端面不平整，試驗機(jī)與試件端面接觸不完全。當(dāng)壓力機(jī)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(xiàn)出塑性性質(zhì)，而后隨著應(yīng)力的增大，混凝土芯樣在承受試驗機(jī)對其施加的外力時，結(jié)構(gòu)的變形緩步增加，對外力的增加相應(yīng)的做出了正確的反應(yīng)，直至產(chǎn)生應(yīng)力最大值后，混凝土芯樣開始破壞。隨后產(chǎn)生下降段，不同于其他應(yīng)力-應(yīng)變曲線，本試驗的下降段延伸雖較短但很平緩，隨應(yīng)力的減小，應(yīng)變增加較多，說明混凝土芯樣的延性較好，具有殘余強(qiáng)度抵抗變形。此應(yīng)力-應(yīng)變曲線與本組試件抗壓強(qiáng)度異常值剔除后的13塊芯樣試件的抗壓強(qiáng)度推定值的計算結(jié)果基本吻合。

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

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，本文把應(yīng)力應(yīng)變曲線分上升段和下降段兩段進(jìn)行擬合，經(jīng)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(shù)，d、e為下降段曲線參數(shù)。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(yīng)力-應(yīng)變曲線方程的參數(shù)。

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(jié)合與呼應(yīng)，本文將從其微觀結(jié)構(gòu)特征上繼續(xù)闡述力學(xué)性能，從而更好的說明檢測結(jié)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(qū)和水泥石區(qū)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F(xiàn)ig.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(jié)性比較好，水泥的水化產(chǎn)物連接比較致密，孔隙產(chǎn)生較小。從圖3(b)中可以清晰地看到水泥的水化產(chǎn)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(jié)構(gòu)更加緊實，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jìn)了混凝土抵抗外力的能力。

6 結(jié) 論

(1)在計算檢驗批試件強(qiáng)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(jìn)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(shù)，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(guī)范中加入t檢驗法作為輔助計算方法或作為補(bǔ)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(qiáng)度推定值為32.1 MPa，雖然與設(shè)計配合比實驗室強(qiáng)度33.2 MPa有一些降低，但是對于服役混凝土來說，強(qiáng)度仍然高于設(shè)計強(qiáng)度的30%，已經(jīng)體現(xiàn)出本段混凝土良好的力學(xué)性能，整體工程質(zhì)量可靠，且能按照設(shè)計要求繼續(xù)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(yīng)力-應(yīng)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(shè)計強(qiáng)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(yīng)的力學(xué)反應(yīng)，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(nèi)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(qiáng)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(xué)性能與通過t檢驗剔除異常值后計算得到的強(qiáng)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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