水閘底板混凝土材料拉壓力學特征影響變化分析研究

李春元

(廣東益鑫源工程建設管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

1 工程背景

為改善粵北地區水力資源分布不均現狀，在珠江上游考慮新建一水利樞紐，承擔地區防洪、蓄水調度、排澇及灌溉等水利作用，設計上游蓄水庫最大容量為6000萬m3，最大集水面積超過200萬m2，建設引水明渠55 km，惠及下游農田超過13.33萬hm2，有效提升地區農業灌溉效率，降低農業用水缺水率。該樞紐工程包括有主壩、溢洪道、輸水渠道及水力控制設施，主壩設計高度為35.5 m，采用混凝土重力壩設計形式，壩頂寬度為3.5 m，在局部壩肩處加設有防浪墻，有效降低由于水力沖刷對壩體沖蝕影響，高度為2.6 m，墻體面層采用抗滲纖維體，降低后期維護成本。壩身采用止水面板與土工防滲系統，設計壩體內最大滲透坡降不得超過0.2，限制滲流活動，壩身上、下游最大水頭差不超過2 m，壩身內靜水壓力低于20 kPa。全壩體均采用同一類型混凝土澆筑，合理砂率為28%，所用水泥為特種水泥，確保混凝土材料水化熱較低。溢洪道與泄洪閘構成了樞紐工程主要泄流設施，設計最大泄流量為300 m3/s，采用階梯式溢流面作為溢洪道過渡段，下游配備有消能池、消能坎、水工擋墻等消能建筑，為確保各類水工消能建筑的運營穩定性，均在地基持力層中深挖1.5 m，而該地基覆蓋土與壩基上覆土層性質基本一致，均為黏土體。采用混凝土墊層形式降低黏土層地基沉降，確保壩基沉降不超過壩高1‰，極大改善軟弱地基土變形。泄洪閘作為溢洪道重要組成部分，其閘頂高度為4.5 m，采用多孔式泄流設計，以鋼閘門作為控流設施，前期對水流監測表明擬建水閘所在流段無顯著渦流、漩渦等存在，滲流活動較平穩。閘室兩壁均采用壩體材料同類型的混凝土現澆制作，設置有預應力閘墩結構，設計橫、縱連系梁作為結構抗拉構件，降低閘墩受結構靜力破壞威脅。閘室底板厚度設計為0.8 m，采用壩體同類型材料混凝土澆筑，全長為4.2 m，底板結構不僅受結構自重壓應力影響，且受閘墩與連系梁拉應力影響。從工程設計安全角度考慮，該樞紐工程泄洪設施的安全運營很大程度上取決于抗拉設計，不僅僅需要考慮抗拉構件的設置，對結構抗拉材料的分析同樣具有重要意義。本文從該工程水閘底板混凝土材料養護條件入手，研究養護因素對混凝土材料拉、壓應力影響，為水閘工程的安全設計提供重要基礎論證。

2 材料與方法

為確保試驗結果的可靠性，本文采用WLT混凝土力學試驗系統開展拉、壓力學試驗研究，該試驗系統配備有先進的傳感器設備與精密的加載裝置，最大軸向荷載可達1500 kN，每一級荷載加載過程中波動幅度不超過1%。由于本試驗中不僅需要研究混凝土壓縮破壞，也要完成混凝土的拉伸力學試驗。根據試驗規范要求，本文設計以劈裂間接拉伸方法作為試驗研究手段。不論是壓縮或是拉伸破壞試驗，本試驗中均配備有8通道數據采集裝置，全部可實現實時數據回存、處理等功能。采用的軸向傳感器量程為-15～15 mm，而環向變形傳感器可與軸向變形采集裝置作為聯動，互相驗證數據采集的可靠性，最大誤差不超過1‰。從試驗過程可控性考慮，本試驗中均采用軸向變形控制加載方式，速率為0.01 mm/min。

根據閘室底板結構所用混凝土材料，從工程攪拌站獲得混凝土樣品，經室內加工成型制備成直徑、高度分別為75 mm、150 mm試樣，如圖1所示。混凝土間接拉伸試樣尺寸與壓縮試樣有所差異，取同一批樣品在實驗室進行精加工成直徑、高度分別為100 mm、50 mm試樣，劈裂試驗時以直徑中心線作為加載控制線，研究拉伸應力破壞全過程特征[1-2]。所有制備好試樣均在標準養護箱內完成養護，筆者為研究養護因素對混凝土拉、壓力學特征影響，設定有養護濕度與養護溫度兩種因素。各試驗組中具體參數如表1所示。

圖1 制備的混凝土試樣

表1 各組混凝土試樣養護齡期與養護溫度

3 混凝土材料壓縮力學特征

3.1 養護溫度的影響

根據對不同養護溫度下試樣壓縮破壞試驗研究，獲得養護溫度影響下混凝土材料應力應變特征，如圖3所示。從圖中可知，養護溫度愈高，則試樣壓縮應力愈大，即養護溫度有促進混凝土材料承載性能的作用；當位于同一加載應變1%時，養護溫度5 ℃下試樣的加載應力為21.7 MPa，而養護溫度20 ℃、50 ℃試樣較前者分別增高了45.7%、175.2%，當養護溫度升高后，混凝土試樣內部膠凝材料有助于催化水化反應，提升其早凝效果，故而承載應力水平提高。另一方面，養護溫度愈大，試樣破壞后下降段幅度較大，即呈顯著脆性，養護溫度5 ℃、35 ℃、50 ℃下試樣的降幅分別可達28.5%、49.8%、55.6%。由此可知，養護溫度升高，以試樣彈性變形與脆性破壞受影響最為顯著。養護溫度5 ℃下混凝土試樣彈性模量為25.8 MPa，而溫度20 ℃、50 ℃試樣彈性模量較之分別增多了33.6%、2.03倍，養護溫度平均增大15 ℃，可提高混凝土試樣彈性模量45.0%。綜合試驗討論可知，養護溫度升高，有助于提升混凝土材料承載強度，但過高的養護溫度會促發混凝土內部裂縫向著脆性變形轉變，易出現脆性變形破壞特征。

圖2 養護溫度影響下混凝土應力應變特征

圖3 養護濕度影響下混凝土應力應變特征

3.2 養護濕度的影響

根據各養護濕度組試樣壓縮破壞試驗結果，獲得圖3所示結果。分析可知，濕度與加載應力水平為正相關關系，同一加載應變1.5%時，養護濕度為5%試樣的加載應力為39.6 MPa，而濕度增大至35%、95%后試樣的加載應力相比增大了7.7%、29.8%；從試樣進入屈服變形階段后應力對比可知，濕度65%、95%試樣加載應力水平較濕度5%下分別具有增幅15.8%～19.4%、29.2%～35.2%；分析認為，當養護相對濕度減少后，混凝土試樣處于較為干燥環境，而混凝土本身在干燥環境中易出現裂縫等現象，且養護濕度過低，促使混凝土內部膠凝材料的水化進展較慢，此也是引起混凝土承載失穩的重要內因。

對比混凝土變形特征可知，不同養護濕度下試樣彈性變形段基本一致，即彈性模量較為穩定在32 MPa左右，而不同養護濕度試樣在峰值應變處基本接近，為2.05%，表明養護濕度對混凝土變形特征影響較小，僅改變了試樣承載水平。

圖4為不同養護溫度、濕度下混凝土試樣抗壓強度影響變化曲線。依據圖中強度特征可知，養護溫度、濕度與混凝土強度均為正相關變化；在同一養護濕度5%組中，溫度5 ℃試樣抗壓強度為36.8 MPa，而溫度35 ℃、50 ℃試樣強度較之分別增長了50.8%、73.4%，在該試驗組中溫度增長15 ℃，強度平均可增幅20.4%。當濕度為65%、95%時，混凝土強度隨養護溫度的平均增幅為19.5%、18.9%，養護溫度對強度促進效應無顯著變化。當同一溫度20 ℃組中，隨濕度變化引起強度平均增幅為7.8%，且溫度增大至35 ℃、50 ℃后，平均增幅分別為6.3%、4.4%，即濕度因素對強度影響較小。筆者認為，對比壓縮力學受養護條件影響變化可知，以養護溫度影響更為顯著，不論是強度或是變形均是如此。

圖4 抗壓強度影響變化特征

4 混凝土材料拉伸力學特征

由于養護濕度對混凝土材料力學特征影響較為局限，故本文主要研究不同養護溫度下混凝土材料拉伸力學特征影響，如圖5所示。從圖中可知，不同養護溫度下該類型混凝土試樣在峰值拉伸應力后仍具有一定承載能力，即拉伸破壞后試樣仍具有抗拉特性，此一定程度上可為水閘底板抗拉設計提供參考。另一方面，養護溫度愈高，拉伸全過程中拉應力水平愈大，以同一位移0.1 mm，養護溫度5 ℃試樣的拉伸應力為3.63 MPa，而溫度20 ℃、50 ℃試樣在該拉伸變形處的應力較之分別增長了21.6%、40.1%。本文認為，養護溫度對混凝土材料微觀影響主要集中于其密實度的提升，且局部分布的薄弱面在高養護溫度下有助于驅使晶體顆粒膨脹，擠壓微孔隙，提升整體混凝土主骨架的穩定性[3-4]。從抗拉應力對比來看，養護溫度5 ℃試樣抗拉強度為4.28 MPa，而溫度35 ℃、50 ℃試樣抗拉強度較前者分別增大了14.9%、21.8%，養護溫度每增大15 ℃，其抗拉應力平均可提升6.8%。分析拉伸變形特征可知，溫度愈高，混凝土試樣的峰值拉伸變形以及最大變形值均較低，溫度20 ℃試樣的峰值變形與拉伸變形分別為0.112 mm、0.550 mm，而溫度35 ℃、50 ℃試樣最大變形分別為0.440 mm、0.370 mm。從控制變形方面考慮，過大的養護溫度，易導致混凝土失穩破壞裂紋發展出現較劇烈。

圖5 養護溫度影響下拉伸應力變形特征

5 結 論

本文主要得到以下三點結論：

(1)養護溫度愈高，則混凝土加載應力水平愈大，在同一養護濕度5%、95%組，溫度每增長15 ℃，強度平均可增幅20.4%、18.9%；溫度愈高，混凝土脆性破壞特征愈強，彈性模量亦增大，溫度20 ℃、50 ℃試樣彈性模量較5 ℃下分別升高了33.6%、2.03倍。

(2)濕度與加載應力水平為正相關關系，同一溫度組中，濕度對混凝土強度影響較小，在溫度20 ℃、35 ℃、50 ℃組中，隨濕度變化引起強度平均增幅分別為7.8%、6.3%、4.4%；養護濕度條件對混凝土彈性變形影響較小，模量值均穩定在32 MPa。

(3)混凝土試樣在峰值拉伸應力后仍具有一定承載力；養護溫度愈高，試樣抗拉強度愈大，溫度每增大15 ℃，其抗拉應力平均可提升6.8%；過高的養護溫度，易導致混凝土試樣變形破壞較劇烈，峰值變形以及最大變形值均較低。