引水隧道抗裂防水混凝土性能研究

林海炎

（韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 韶關 512000）

1 引言

隨著我國基礎建設需求的快速增加,公路、鐵路以及水利工程隧道項目進入高速發展時期,地下空間得到了更大程度的利用。引水隧道是地下隧道的一種常見形式。然而與其他形式的隧道相比,引水隧道受地下水的影響非常嚴重,實際營運過程中會產生各種病害。根據調查,引水隧道病害主要有滲漏、開裂、及變形侵蝕等,其中滲水和混凝土開裂是常見典型病害[1-2]。魯良輝[3]等基于模型試驗研究了多添加環境下,混凝土的毛細吸水機理,提出了采用毛細管系數定量描述混凝土的吸水能力。韓曉烽等[4]基于數值模擬分析了水分在多孔介質中的傳遞運輸機理,建立了多相水分傳輸模型。

本文以某引水隧道工程為依托,基于滲流理論,在考慮混凝土開裂系數和滲透系數已知的條件下,建立混凝土多孔介質材料的水分滲流計算模型。通過試驗測定水分在開裂情況下的滲透系數,進而分析水分傳輸機理。考慮實際工程需求,為提高混凝土的抗滲性能和抗沖擊性能,進行了三種摻合料（分別為鋼纖維、碳纖維和復合纖維）混凝土試樣的抗沖擊韌性和抗滲透試驗。本文的研究可為混凝土的抗裂防水性理論提供設計參數,提高引水隧道的安全運營能力。

2 工程概況

某引水隧道采用典型的一機一洞布置形式,尾水洞為變頂隧洞,單機最大引水流量為577 m3/s。引水隧道內徑為14 m。布置形式主要由進口漸變段-上平段-上彎段-豎井段等組成。

自投產以來,受多種因素的影響,引水隧道中部和頂部出現多條貫穿性裂縫,同時在流道放空檢查中,隧道存在多處滲漏點和蜂窩狀腐蝕空洞,并伴隨露筋現象。

3 基本理論

3.1 納維-斯托克方程

通常引水隧道在運營過程中受到的外荷載包括：收縮應力、水壓力及凍融循環等。在這些作用下混凝土容易開裂,進一步水分在裂隙中滲透,導致混凝土銹蝕破壞。

基于納維-斯托克方程,首先假定開裂混凝土材料是均勻的,根據飽和水分傳遞方程：

式中：ρ、g、、Δh、l、bcr及J分別為水的密度,重力加速度,黏度,水頭損失,滲流路徑,裂縫寬度及水力梯度。

進一步根據混凝土的彌散模型,對非飽和狀態的混凝土水分滲流進行分析,采用合達西定律進行描述:

式中：Ks,cr、Ks,cr分別為非飽和以及飽和狀態下表示混凝土的滲透系數；為折減系數；bh為混凝土等效裂縫寬度；Kr（s）為開裂混凝土水分相對滲透率。

3.2 線性、非線性Darcy模型

線性和非線性Darcy模型一般采用式（2）和（3）所示的簡化模型,兩者滲流曲線見圖1。

圖1 達西滲透方式

3.3 線性、非線性Darcy模型滲流深度和時間關系

在一維滲流條件下,滲透深度和滲透時間的關系為：

式中：p0為混凝土所受的外界水壓。

4 混凝土抗裂防水實驗

4.1 混凝土抗沖擊性能實驗

（1）材料及性能

本文所用的水泥強度為C30；礦物摻合料選用粉煤灰；粗骨料和細骨料選用5 mm～20 mm 的連續級配,級配合格產品；減水劑；碳纖維和鋼纖維碳具體物理性能參數見表1～表4。

表1 水泥物理性質

表2 粉煤灰物理性能

表3 碳纖維物理性能參數

表4 鋼纖維物理性能參數

（2）試驗方法

采用沖擊韌性試驗的ACI錘擊法進行測試。試驗的目的主要是研究混凝土的抗沖擊性能,以及分析混凝土的開裂情況。試驗采用標準落錘,質量5.0 kg,沖擊高度為48 cm,試件尺寸為200 mm×80 mm,試件編號分別為OF01-OF07,其中OF01 為基本混凝土,試件2混凝土摻雜鋼纖維含量0.5%,試件3混凝土摻雜鋼纖維含量1.5%,試件4混凝土摻雜碳纖維含量0.2%,試件5混凝土摻雜鋼纖維含量0.5%、碳纖維0.2%,試件6混凝土摻雜1.5%鋼材纖維和0.6%碳纖維。

4.2 混凝土抗滲性能實驗

根據目前研究,采用混凝土的抗滲性能描述混凝土結構耐久性比較合適。在此研究基礎上,本文通過抗滲透試驗獲取開裂混凝土的滲透系數,并進一步分析纖維混凝土的抗滲能力。

纖維混凝土摻雜纖維于上文試樣相同。試件尺寸半徑為9 cm,頂面半徑為8.5 cm,高16 cm,養護時間為30 天。養護完成后進行抗滲試驗,水壓恒定為1.5 MPa,持續時間為24 h,然后讀取滲透系數。

5 試驗結果

5.1 混凝土抗沖擊性能分析

抗沖擊試驗主要包含三個階段,分別為初裂階段、沖擊階段及終裂階段。通過三個階段求得各階段平均值以及差值對混凝土進行沖擊韌性評價。統計不同混凝土試驗的不同工況下的平均出裂次數以及抗沖擊耗能結果。不同纖維含量對混凝土沖擊韌性的影響見圖2和圖3。圖2結果表明,摻雜碳纖維、鋼纖維以及混合纖維的混凝土初裂沖擊次數不斷增多,這表明,纖維含量增多導致混凝土沖擊韌性性能不斷提升。導致這種現象的主要原因是纖維含量的破壞過程的耗能主要用于纖維粘結作用。

圖2 纖維對混凝土試件開裂次數

圖3結果表明,三種纖維含量摻雜到混凝土中,混凝土的抗沖擊性能大幅增加,其中OF01-OF07試件的沖擊韌性能量分別為355.2 J、620.4 J、858.5 J、679.5 J、951.1 J、905.2 J和1346.8 J。其中摻雜復合纖維的混凝土抗沖擊性能最大,究其原因主要是復合纖維的材料性能決定的。

圖3 不同纖維對混凝土沖擊韌性影響

5.2 混凝土抗滲性能

混凝土的抗滲性能試驗結果表明,復合纖維混凝土的抗滲性能最優,而基本混凝土的抗滲性能最差。主要原因是（1）水泥和纖維的粘結作用可以降低混凝土的收縮,能對混凝土骨料起到較好的支撐作用,顯著降低混凝土的空隙比,提升其抗滲透性；（2）復合纖維混凝土的滲透系數最小,證明較其他兩種纖維,復合纖維形成強度較高的網絡空隙,從而使得復合纖維混凝土的抗滲性能優于其他兩種纖維。

6 結論

為了研究引水隧道混凝土的抗沖擊韌性和抗滲性能,本文基于飽和-非飽和理論,建立開裂混凝土的水分滲流模型,看展多種工況下的混凝土抗沖擊和滲透試驗,得到如下結果：

（1）抗沖擊試驗表明,與基本混凝土抗沖擊韌性相比,摻雜三種纖維混凝土的出裂次數不斷增大,其中復合纖維的混凝土抗沖擊性能最優,實際工程可選用摻雜復合纖維的混凝土進行工程建設。

（2）滲透試驗表明,不摻和纖維的混凝土的滲透系數最大,而摻和混凝土纖維的混凝土滲透系數最小。這反映出,相較于其他兩種摻和纖維,復合纖維主要通過形成高強網絡孔隙提高混凝土的抗滲性能。