岸坡防滲性材料水工混凝土單軸力學及透水試驗研究

陳 玲

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

水利工程中，混凝土材料應用范圍較廣。研究混凝土材料的力學及滲透特性對提升混凝土配合比參數設計水平具有重要意義[1-3]。為此，張珂等[4]、劉東海等[5]、馬翔等[6]利用顆粒離散元仿真平臺計算了不同荷載工況下混凝土顆粒流模型的力學特征，對認識混凝土的力學特性具有重要作用。但不可忽視，由于混凝土顆粒流模型的試件尺寸、顆粒體形狀，甚至顆粒接觸狀態均會影響到最終仿真模擬計算結果。因而根據工程現場混凝土應用范圍，采用相應的原位監測儀器或微震等監測設備，可及時預判混凝土工程的失穩前兆，對工程的安全運營具有重要參考意義[7-9]。不論是仿真計算亦或是現場監測，利用室內試驗手段，其結果更具可靠性，在工程設計中更具參考價值。因而，一些學者利用室內巖土力學儀器，設計單軸、三軸等力學試驗或滲流實驗，探討混凝土材料的力學水平、滲流特征，并分析各種因素對其的影響，極大豐富了混凝土基礎力學研究成果[10-12]。本文根據混凝土不同配合比參數，設計單軸加載破壞與透水性試驗，研究砂率以及碳纖維摻量對混凝土的力學以及透水性影響，為工程實際應用或設計提供一定參考。

2 試驗概況

2.1 試驗背景

區域內河流是重要水資源來源渠道，利用該河流建設有發電站、蓄水池抽水泵站中轉樞紐、河道防洪堤壩等水利設施，總流域面積超過180 km2。上游水利發電樞紐工程年發電量可達600×104kW·h，為區域內工業用電以及生活用電提供便利；抽水泵站是為區域內水資源調度服務，南部水資源分布較多，因而抽水泵站與蓄水池共同構建起高效水資源中轉樞紐，年可調度水量超過100×104m3；河道防洪堤壩設計為10年一遇洪峰流量51.6 m3/s，此參數主要針對于上游河流在雨季局部流量較高的情況，水文監測上游最大流量可達50 m3/s，堤壩設計頂部高程為58.5 m，迎、背水側坡度均為1/1.5，采用多種土體材料為堆筑料，包括有黏土、砂土等土料，分層堆筑并壓實，監測表明堤壩最大沉降不超過6 mm，另防滲系統采用防滲墻與土工布等共同構建起防滲結構，防滲墻厚度設計為60 cm，插入基巖深度1.6 m，按照堤防長度每100～150 m的間距設置防滲墻結構，堤壩最大滲透坡降不超過0.3。現由于上游河流水利能量較大，對下游堤防岸坡坡身沖刷影響較顯著，導致坡身部分水土流失較嚴重，為此應考慮對岸坡水土穩定性以及防滲性開展加固處理。工程設計部門設計考慮利用水工混凝土材料作為坡面加固噴射材料，增強坡身抵抗水流沖刷的能力，由于對所采用的水工混凝土力學以及透水性認識不夠，特別是混凝土配合比參數設計存在較大盲區，因而有必要針對性開展配合比參數對混凝土力學、滲透特性的影響特征，為采用最佳配合比參數提供參考。根據實驗條件，本文借助室內試驗手段，開展砂率、碳纖維摻量等配合比參數因素對水工混凝土材料力學以及透水特性影響性實驗。

2.2 試驗介紹

本文針對水工混凝土材料力學以及透水特性分別設計開展單軸壓縮破壞以及透水試驗，其中單軸壓縮試驗采用TAW-500型伺服式液壓控制試驗系統。該試驗系統采用液壓程序控制，包括加載系統與數據采集系統。其中，加載系統最大軸向荷載可達500 kN，加載方式可采用力控與變形控制兩種方式，其中力控最大速率可達80 kN/min，變形控制最大速率為4 mm/min，兩種加載方式均可保證試樣在全過程按照預定計劃發生失穩破壞。數據采集系統包括傳感器監測部分與數據自動處理部分，傳感器監測內容包括軸向變形、環向變形以及體積變形監測部分，軸向變形傳感器量程為-10～10 mm，環向變形傳感器監測最大值可達15 mm，所有監測傳感器最大誤差不超過0.5%；數據自動處理部分以每間隔0.5 s進行自動繪圖，可全程實時讀取試樣加載過程中應力變形狀態。透水性試驗采用簡單裝置的透水裝置，每間隔1 s記錄水頭變化，并測算出混凝土材料的透水系數，以此監測混凝土試樣滲透特征。本試驗中，配合比參數變化的因素主要以砂率、碳纖維摻量為主，因而試驗方案以此兩因素開展對比性試驗分析。根據岸坡坡面混凝土材料砂率范圍，設定砂率分別為0%、2%、4%和6%，碳纖維摻量試驗組分別設定參數為0%、1%、2%和3%，每個試樣組中均是以單一變量因素作為研究對象，所制作的試樣見圖1，具體實驗方案見表1。

圖1 典型試樣圖

表1 試驗具體方案

透水試驗主要以滲透壓頭所施加的恒定水壓為自然滲透，實施步驟較易，試驗較繁瑣，以單軸壓縮為主。以下是單軸壓縮加載破壞試驗步驟：

1) 待已完成透水試驗的水工混凝土烘干后，在養護箱內養護12 h，完成試驗前物理參數測定，置試樣于液壓控制試驗系統中。試樣兩端面中心應與加載方向一致，安裝好監測傳感器，在程序中設定好相關試樣的物理參數。

2) 開始軸向加載，全程均以變形控制加載，速率控制在0.02 mm/min，直至試驗發生失穩破壞，停止加載。

3) 結束試驗，保存實驗數據，卸下試樣荷載與變形傳感器，更換試樣，重復進行上述操作。

3 混凝土單軸力學特征分析

3.1 砂率對混凝土力學特征影響

經單軸壓縮加載破壞試驗獲得不同砂率影響下混凝土應力應變曲線，見圖2。從圖2中可看出，砂率與混凝土加載應力水平具有正相關關系，表明配合比參數中砂率愈大，愈有利于水工混凝土承載應力的提高；當處于相同應變1.2%時，砂率0%的混凝土試樣加載應力為1.72 MPa，當砂率增大至2%、4%和6%后，相同條件下的加載應力相比前者分別增大1.1倍、3.7倍和12.9倍。分析認為，當混凝土配合比參數砂率增大，則混凝土內部粗細骨料的搭配性更好，砂子的存在能夠更好填充至混凝土顆粒骨架孔隙中，降低混凝土孔隙率，提升混凝土承載能力，進而表現在加載應力水平較高[13-14]。從變形特征來看，砂率愈高，混凝土脆性變形特征愈強，線彈性變形能力愈強，表現在線彈性模量也愈大，砂率0%試樣的線彈性模量為3.2 MPa，而砂率4%、6%的試樣線彈性模量相比前者增大2.2倍、3.5倍，且高砂率試樣峰值應力后應力下跌現象較之更顯著，砂率6%混凝土試樣峰值應力后應力下降幅度為64.2%，而砂率0%混凝土的下降幅度僅為16.5%，這與砂率增強了混凝土脆性變形破壞特征相對應。另一個方面，4個砂率試樣峰值應變隨砂率增大而遞減，應變值分別為6.3%、4.7%、3.3%和2.4%，因而高砂率試樣應注意防護混凝土的脆性破壞。

圖2 不同砂率水工混凝土應力應變曲線

圖3為不同砂率水工混凝土材料抗壓強度變化曲線。從圖3中可知，抗壓強度隨砂率增大而遞增，在碳纖維0%試驗組中，砂率0%試樣的抗壓強度為20.4 MPa，而砂率2%、6%混凝土抗壓強度相比前者分別增大11.6%、133.6%；當碳纖維增大至3%，該試驗組中砂率強度幅度增長效應與前一碳纖維組并無較大差異，這與砂率設計參數對混凝土應力影響為一致，且碳纖維的存在，并不影響砂率對水工混凝土強度的促進效應。對比砂率在增長過程中強度增長效應可知，初期砂率從0%增長至4%，抗壓強度增長37.4%，而砂率從4%增長至6%，抗壓強度陡增，幅度達72%，表明砂率愈大，抗壓強度增長愈顯著；從強度總體平均增長來看，當砂率增長2%，抗壓強度平均增長35%。

圖3 混凝土抗壓強度與砂率關系曲線

3.2 碳纖維對混凝土力學特征影響

同理獲得碳纖維摻量影響下混凝土力學特征，圖4為不同碳纖維摻量下混凝土應力應變曲線。從圖4中可看出，碳纖維摻量對混凝土加載應力亦有促進效應。當處于相同應變1.2%時，碳纖維摻量0%時試樣的加載應力為2.2 MPa，而碳纖維摻量增長至1%、3%后，加載應力相比前者分別增大18.2%、79.1%。由此可見，雖碳纖維摻量整體上可促進混凝土加載應力水平，但不可忽視其對應力水平的增長效應影響較小，增長幅度并不顯著。從變形特征來看，各碳纖維摻量混凝土試樣無顯著差異性，線彈性變形階段應力應變增長幅度基本一致，線彈性模量均保持在4.5 MPa左右；從峰值應變來看，4個試樣的峰值應變為4.8%，變化幅度較小，表明碳纖維摻量對混凝土變形特征影響亦較小。

圖4 不同碳纖維摻量下混凝土應力應變曲線

圖5為碳纖維摻量影響下的混凝土抗壓強度變化特征曲線。在砂率2%試驗組中，當碳纖維摻量為0%時，其抗壓強度為16.9 MPa，而碳纖維摻量增大至1%、3%后，抗壓強度相比前者分別增大11.1%、31.7%，增長幅度較小，從碳纖維摻量對強度增長的階段性來看，當碳纖維摻量增大1%，抗壓強度增長幅度平均僅為9.7%。綜上分析可知，碳纖維摻量整體上對混凝土試樣承載能力雖有提升，但其對水工混凝土力學特征影響程度較小。

圖5 混凝土抗壓強度與碳纖維摻量關系曲線

4 混凝土透水性分析

4.1 砂率對透水性影響

采用透水試驗獲得砂率對混凝土透水性影響，圖5為不同砂率水工混凝土試樣透水系數變化特征曲線。在碳纖維摻量0%試驗組中，砂率0%的透水系數為3.72 mm/s，而砂率為2%、4%和6%的透水系數相比前者分別降低27.7%、46.5%和55.9%。當砂率增大2%,透水系數平均降低23.7%，表明砂率愈大，可抑制水工混凝土的滲透性能。筆者認為，當混凝土配合比參數中砂率增大，則試樣顆粒骨架孔隙被細小石子填充程度增強，降低了孔隙度，這也抑制了混凝土試樣內部滲透通道的發展，表現在透水系數降低的態勢。當碳纖維摻量增大至3%后，砂率對透水系數的抑制效應更具顯著，砂率增大2%，透水系數平均降低53.3%，表明鋼纖維在混凝土試樣內部的存在，對砂率抑制混凝土滲透性能的效果具有促進作用。

圖6 透水系數與砂率關系

4.2 碳纖維對透水性影響

同理，獲得碳纖維試驗組下混凝土透水系數變化特征，見圖7。從圖7中可知，碳纖維摻量與混凝土透水系數具有二次函數關系，且碳纖維對混凝土的透水性能為抑制效應，在砂率2%試驗組中，碳纖維摻量0%的透水系數為3.71 mm/s，碳纖維摻量增大為1%、3%后，透水系數相比前者分別降低14.5%、58.8%，碳纖維摻量每增大1%，其透水系數平均可降低24.8%，相比之碳纖維對混凝土力學影響效應，其對混凝土透水性影響顯著。分析可知，碳纖維與膠凝材料可發生物理化學反應，生成固態沉淀顆粒，不僅降低了混凝土流動性，導致混凝土出現局部的硬化固結，而且導致混凝土的滲透通道得到堵塞，表現在混凝土的滲透系數為降低的現象[15-16]。

圖7 透水系數與碳纖維摻量關系

5 結 論

1) 砂率與混凝土承載能力具有正相關關系，碳纖維1%試驗組下，砂率2%、6%混凝土抗壓強度相比前者分別增大11.6%、133.6%，且碳纖維的存在，并不影響砂率對混凝土強度的促進效應；砂率愈高，混凝土線彈性模量以及強度增長幅度愈大，砂率從0%至4%，強度增長37.4%，而從4%至6%，抗壓強度增長幅度達72%。

2) 碳纖維對混凝土強度具有促進效應，但增長幅度并不顯著，碳纖維摻量增大1%，強度增長幅度平均僅為9.7%；碳纖維摻量的改變，并不影響混凝土變形特征，同一砂率組下各纖維摻量混凝土的彈性模量均在4.5MPa左右。

3) 砂率的存在有助于抑制混凝土透水性能，砂率為2%、4%和6%的透水系數相比砂率0%下分別降低27.7%、46.5%和55.9%，碳纖維摻量0%下，砂率增大2%,透水系數平均降低23.7%，碳纖維摻量增大，砂率對透水系數的抑制效應更顯著。

4) 碳纖維摻量與透水系數呈二次函數關系，碳纖維對混凝土的透水性能影響超過其對強度的影響效應，碳纖維摻量每增大1%，其透水系數平均可降低24.8%。