引水工程襯砌結構中特種混凝土材料單軸壓縮應力特性分析

任恒誼

(山東省調水工程運行維護中心膠州管理站，山東 膠州 266300)

特種混凝土在水利工程建設中具有重要作用，其較好的剛度結構及抗凍特性在膠東地區的許多水工建筑結構中均有應用，研究其強度變形特性對提升該類材料在水工結構中應用水平具有較大幫助[1-2]。國內外已有較多學者針對水工用特種混凝土開展靜三軸等室內試驗，探討了該類材料強度變形特性，但并未闡述分析混凝土力學特征與溫度、加載速率等之間的關系[3-5]。混凝土作為一種顆粒結構較顯著的材料，一些學者借助顆粒流軟件模擬混凝土在凍融循環、單軸壓縮等破壞過程中強度變形特性，探討混凝土受溫度影響特性[6-8]；由于室內試驗結果受尺寸差異的影響，探討混凝土的尺寸效應對揭示混凝土強度特征受溫度、加載速率影響具有較大幫助[9]，因而，文章將在實際水利工程應用背景下，探討特種混凝土最佳配合比，并以此開展單軸破壞特性試驗[10-11]，為水利工程中特種混凝土材料應用設計提供試驗依據和參考。

1 試驗背景與配合比試驗

1.1 試驗背景

膠東地區在建設引黃濟青輸水工程時，考慮輸水渠道襯砌結構防滲穩定性，設計采用特種混凝土作為主要原材料。另外，引黃濟青工程主要應對區域內農業水資源與工業水資源需求，其中引水工程與農業灌區均采用輸水干渠作為中間載體，干渠總長度超過100km，渠首流量控制在0.65m3/s，不論是輸水干渠還是引水工程的地面水工建筑，均需要大量混凝土材料，但由于輸水渠道面臨水資源流量變化，對襯砌結構承載穩定性具有較大考驗，當工程環境發生較大變化時，勢必會對混凝土襯砌結構力學穩定性產生影響。為此，引水工程設計部門須考慮針對特種混凝土進行最佳配合比強度破壞實驗研究，試圖探討地區工程特種混凝土材料性能最佳。

1.2 配合比試驗

筆者針對特種混凝土配合比參數設計，主要采用礦料級配、油石比、摻合料含量三個方面參數開展討論研究。其中礦料級配計算按照下式計算：

(1)

根據膠東地區工程特點，筆者采用三個級配指數，即0.39、0.41、0.43開展對比研究。油石比與摻合料含量選取應按照規范要求[12-13]，3個對照組的油石比參數分別為6.4%、6.8%、7.2%；摻合料對比參數分別為10%、12%、14%。按照配合比組合，共設計了以下9個配合比實驗組，見表1。

表1 特種混凝土配合比試驗方案組

由于混凝土抗拉性能關乎工程質量安全性，為選出最佳配合比，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，利用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。比較各配合比間接拉伸強度與變形結果可知，L-6試樣強度最大，達2.079MPa，但其位移較低，僅為2.3mm，位移最大者為L-7試樣，相比前者增大了15.6%，達2.66mm，綜合位移與強度表現來看，L-5試樣的強度達1.99MPa，乃是9組配合比試驗方案中僅次于L-6的試樣，其位移達2.59mm，變形能力一定程度反映了材料在受拉應力時所能承受的彎曲幅度，因而文章綜合考慮間接拉伸試驗選取L-5試樣配合比方案，即級配指數為0.41、油石比為6.8%、摻合料含量為12%。

圖1 特種混凝土試樣形態

圖2 各試樣強度、拉伸位移變化曲線

2 單軸抗壓破壞試驗方案

不同于間接拉伸試驗所用試樣，本次變速率單軸試驗需考慮不同溫度與不同加載速率下混凝土破壞特性，因而需按照最佳配合比方案制作出單軸實驗試樣。在工程施工現場，對特種混凝土樣品進行切割，獲得不同尺寸的特種混凝土試樣，在室內進行精加工，打磨試樣表面以及按照徑高100mm×200mm尺寸切割，獲得如圖3所示試樣。

圖3 單軸破壞試驗試樣

由于需要測定不同低溫條件下特種混凝土試樣單軸破壞特性，因而以RMTS試驗機作為加載系統，該試驗系統附加有環境模擬箱，可實現環境溫度在-40～150℃下的加載試驗，即可滿足加載與低溫實時進行的試驗要求。根據前述實驗目的，本實驗中應變速率梯度分別為10-4、10-3、10-2、10-1s-1，試驗環境溫度按照引水工程所在地不同季節，模擬環境溫度為-5、0、5℃，故最終實驗方案組見表2。

表2 單軸破壞實驗方案組

每塊試樣單軸破壞實驗均按照如下步驟進行。

(1)在環境模擬箱內設置好實驗溫度，將試樣放入環境箱內養護48h，保證試樣內部均處于均勻熱狀態。

(2)調整RMTS試驗機加載系統的單軸應變速率，開始試樣加載，并觀察數據采集儀呈現的實時應力-應變曲線。

(3)當試樣達到峰值荷載后破壞，結束數據采集，停止試驗，從環境模擬箱內取出試樣，更換下一組試樣，重新前述步驟。

3 特種混凝土單軸抗壓特性影響因素分析

3.1 低溫影響單軸抗壓特性

圖4為相同應變加載速率下各溫度對應的混凝土應力應變曲線，從此可知，整體上峰值應力以溫度-5℃下為最大，此種現象在各應變加載下均是一致，加載速率為10-2s-1，溫度為5℃時的峰值應力為17.96MPa，而在溫度為-5℃時相比前者增大了134.4%，達42.1MPa。從試樣變形特征來看，溫度在-5、0℃時，在應力達到峰值后快速下降，但在溫度為5℃下的峰值應力后應力變化較小，特別是加載速率愈小時，峰值應力后期試樣應變硬化特征顯著，即應變增大但應力變化較小，加載速率為10-1s-1時，峰值應力后應力變化幅度為44.6%，而在加載速率為10-3s-1時應力變化幅度僅為5.2%，應力幾乎為水平穩定狀態。分析表明，溫度與特種混凝土單軸抗壓強度呈負相關，且溫度增大，混凝土趨于硬化，塑性變形增強；此種現象主要是由于在低溫時特種混凝土原材料中瀝青成分會趨于固化狀態，試樣顆粒結構承載能力增大，但瀝青趨于固態亦增加了試樣的脆性；溫度愈高，試樣中瀝青材料趨于可流動性，軟化程度較高，承載力較弱，在加載過程中具有較大的塑性變形，并會在峰值應力后趨于硬化。

圖5為各加載速率下不同溫度試樣彈性模量變化曲線。從此可看出，彈性模量與溫度呈負相關，加載速率為10-3s-1，溫度為5℃時的彈性模量為834.8MPa，而溫度為-5℃時相比前者增大了3.05倍；另外，從各加載速率的彈性模量變化來看，加載速率愈大，彈性模量變化斜率愈小，且各溫度下均以加載速率愈小者為模量最大值。彈性模量表征了混凝土材料線彈性變形能力，上述分析表明，環境溫度愈大，混凝土材料在隨外荷載增加過程中愈趨于硬化特性，線彈性特性愈弱，故彈性模量較低；另一方面，加載速率愈大，試樣線彈性變形愈少，容線彈性發揮空間較小，故而彈性模量愈低。圖6為同一加載速率下三個不同溫度試樣破壞后形態圖，溫度較高者表面破壞裂紋較少，而溫度較低時表面宏觀裂紋較顯著，呈脆性破壞，這亦印證了前文所述彈性模量與溫度之間關系。

圖5 彈性模量與溫度關系曲線

圖6 試樣破壞后形態

3.2 應變速率影響單軸抗壓特性

圖7為相同環境溫度下各加載速率對應的混凝土應力—應變曲線。由此可看出，應變加載速率愈大，混凝土試樣單軸抗壓強度愈大，此現象不僅在低溫-5℃中如此，在溫度較高者5℃下亦是一致。溫度為0℃，加載速率為10-4s-1時峰值應力為5MPa，而相同溫度下加載速率增大2個、3個量級后，即加載速率為10-2、10-1s-1，相應的峰值應力相比前者分別增大了3.9、7.5倍。另從低應變加載速率下來看，其應力-應變曲線硬化特征顯著，在環境溫度-5℃時僅加載速率10-4s-1下具有硬化現象，當溫度增大至5℃時，加載速率在10-3、10-4s-1下均具有顯著硬化效應，即峰值應力后均為水平穩定狀態，隨著應變增大，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，試樣受外荷載作用形成的裂紋會逐漸被壓密，而激發內部晶體顆粒抵抗裂紋的能力，故而試樣強度與加載速率呈正相關變化；當加載速率過低時，混凝土內特種材料的可流動特性會助長試樣逐步硬化，而不會快速產生裂紋，因而峰值應力后期處于硬化狀態。

圖7 應力應變曲線(加載速率影響)

圖8為彈性模量與應變加載速率變化特征曲線，從變化趨勢來看，彈性模量與加載速率呈正相關，這主要是由于加載速率較大時，材料的塑性變形會大大縮短，線彈性特征為試樣變形主導作用；溫度為-5℃，加載速率為10-4s-1時彈性模量相比速率為10-2、10-1s-1下分別下降了72.8%、79.8%，僅為929.04MPa。從混凝土材料特性來看，加載速率增大，可助長特種混凝土剛度與線彈性變形特征，抑制塑性變形的產生，增大脆性變形。

圖8 彈性模量與加載速率關系

4 結論

(1)綜合間接拉伸強度與位移特征，以級配指數0.41、油石比6.8%、摻合料含量12%為配合比的試樣強度變形處于最佳狀態。

(2)研究了單軸力學特征參數均與溫度呈負相關，加載速率為10-2s-1時，溫度為-5℃的峰值應力相比5℃時的增大了134.4%，彈性模量增大了3.4倍，溫度增高，特種混凝土硬化特征顯著，脆性破壞特征減弱。

(3)獲得了峰值應力、彈性模量均與加載速率呈正相關，溫度0℃時，加載速率為10-2、10-1s-1所對應的峰值應力相比加載速率為10-4s-1時的分別增大了3.9、7.5倍，低加載速率下試樣在峰值應力后期硬化顯著，受溫度增大影響，中等加載速率中亦存在應變硬化現象。