渠道水工混凝土防滲材料破壞性能試驗

吾爾來西·吾提庫爾

（新疆額爾齊斯河投資開發（集團）有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引 言

水工混凝土材料在水利工程中應用十分廣泛，因受到動荷載的作用，混凝土材料在使用期間并非處于單一應力狀態，為評價混凝土結構是否安全，必須展開此類材料破壞性能試驗，以研究其復雜應力狀態下的破壞準則和動態性能。混凝土材料具備顆粒流特性，當前國內外學者依托顆粒流仿真計算軟件展開混凝土材料單軸、三軸破壞特性試驗及力學特征分析，為掌握水工混凝土材料性能提供了重要參考，但應用室內混凝土材料試驗系統展開水工混凝土材料力學破壞試驗的相關研究卻少之甚少，對仿真模擬結果的真實性和準確性缺乏必要驗證。文章基于新疆某灌區輸水渠道工程實際，通過室內試驗手段，設計出不同荷載試驗條件，展開渠道水工混凝土防滲材料三軸破壞試驗及力學性能試驗，研究水灰比、加載速率、圍壓等對混凝土力學特性的影響特性，為灌區輸水渠道防滲設計及施工提供借鑒指導。

1 工程背景

新疆某灌區共有干渠5 條、支渠8 條，灌水設施及引水設施配套較為齊全，已建輸水渠道長度超300km，設計流量在1.24～5.85m3/s 之間，可灌溉農田面積達5.43×104hm2。但因灌區建設年代較早、運營時間過長，部分渠道表現出邊坡坍塌、渠坡滲漏、襯砌結構不穩定等病害。渠道下臥土層主要為季節性凍土，受到凍脹破壞后對襯砌渠道穩定性威脅較大。為保證渠道輸水安全，必須及時采取防滲改建措施。結合現場踏勘及實地考察，灌區管理部門提出以摻無機材料的水工混凝土為基材，渠道全斷面及底板均澆筑混凝土，并確保全斷面混凝土澆筑厚度在70mm 以上。水工混凝土材料力學性能直接關系著渠道防滲效果，為此，必須在方案設計階段展開水工混凝土防滲材料破壞性能試驗。

2 試驗方案

應用TAZW-10000 型液壓伺服動靜力試驗機程序展開三軸試驗，為精確控制試件加載過程，主要根據試件類型設計加載形式。變形傳感器測量范圍為±10mm，力傳感器最大測量范圍為1000kN；試件體積變形通過排油法測定。將三軸試驗圍壓上限設定為90MPa，以展開水工混凝土材料體積膨脹擴容特性研究。將試驗溫度確定在-15～120℃之間，并按照0.5s 的時間間隔采集數據，精度誤差控制在0.5%以內，試件加載期間應力應變狀態可實時查看。

水工混凝土防滲材料三軸破壞試驗以中間主應力和第三主應力相等為假設前提。為展開混凝土防滲材料最佳配合比研究，必須意識到水灰比對試件力學特征的影響，設置不同水灰比組與圍壓組，以得到水工混凝土材料基本力學特征[1]。按照《水工混凝土配合比設計規程DL / T 5330-2015》所規定的C30 強度進行配合比設計，其中，水、水泥、砂、小石、中石用量分別為175kg/m3、291kg/m3、676.9kg/m3、502.8kg/m3、754.3kg/m3，水泥使用的是P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，中砂粒徑5～40mm、小石和中石粒徑分別為5～20mm 和20～40mm。選取材料后通過攪拌機加水拌勻，摻加鋼纖維。制備好的混凝土堆料置入養護模具中按設計規程養護，最終形成符合三軸破壞試驗要求尺寸的100mm×200mm 試件，繼續養護48h 后脫模。試件制備及養護過程中變截面處容易成為薄弱面，引發試件在拉壓應力區域以外發生破壞，造成試驗失敗。為此，在試件變截面處粘貼碳纖維布以進行改進，使三軸拉壓動態試驗中，試件的破壞全部發生在拉壓應力區域。

試驗水灰比為0.35、0.40、0.45；試驗圍壓為0MPa、2MPa、4MPa、6MPa、8MPa。按照目標配合比制成試件后還應在室內打磨端面，使其尺寸滿足巖石力學試驗要求。為模擬混凝土力學性能在不同荷載變形速率下的變化特征，設置0.0002mm/s、0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s、2mm/s 等五組不同變形速率。

3 試驗過程及結果

3.1 試驗過程

試件受壓方向上加載板和試件表面摩擦力對試件起到約束作用，必須采取減少摩擦的方法以消除約束力對試件的影響。具體而言，在三層聚乙烯塑料薄膜中間涂抹兩層二硫化鉬甘油，并將塑料薄膜粘貼于試件表面。

按照以下步驟展開每組試件三軸力學試驗：

1）全面檢查三軸試驗系統中各傳感器性能，滿足規范及試驗規程后，將養護完成的試件從養護箱中取出，測定物理力學參數后套上隔油套筒，置于三軸缸壓力艙內，同時按照試驗要求安裝位移及變形傳感器；試件放置時應確保中心對準加載臺垂直向。

2）由計算機向伺服閥發送指令控制荷載及圍壓的施加，并加載至目標值后進行軸向荷載加載速率調整，此后展開試驗，并記錄試件應力應變，直至試件失穩破壞，停止試驗并結束數據采集。

3）將圍壓和軸壓卸除后取出試件，放入下一塊試件，按照以上過程展開試驗；如此循環，直至完成全部試件三軸力學試驗。以上過程中混凝土試件所承受的豎向、側向拉應力及試件變形等數據全部由計算機動態采集。

3.2 試驗結果

3.2.1 加載速率的影響

水工混凝土試件三軸力學性能受加載變形速率的影響較大。不同加載速率下試件應力應變趨勢詳見圖1，限于篇幅，此處僅列出了圍壓為0MPa 和4MPa 的情況。根據圖中情況，隨著加載速率的增大，三軸加載應力持續增加；當應變為0.06，加載速率0.0002mm/s、0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s、2mm/s 時的試件應力依次為62.5MPa、64.4MPa、66.8MPa、67.5MPa、71.3MPa；不同試件在加載應力不超出56.5MPa 時力學特征較為一致，而超出后力學特征差異開始增大。此外，當加載速率增大至一定水平時，試件裂縫會受到粗細集料的持續填充，因外部荷載而引發的次生裂縫會快速愈合，裂縫擴展也得到有效遏制；在配合比及圍壓等試驗條件均相同時，試件裂縫在加載速率作用下的愈合作用只有在屈服階段后才會明顯顯現，而在線彈性變形階段，試件間應力差異并不大[2]。不同加載速率下，試件應變峰值基本穩定在0.07，加載速率對試件變形影響不大。試件受到三軸應力作用后發生失穩破壞歸根結底是由結構內部裂縫的擴展導致的，隨著加載速率的提高，試件內部裂縫擴展速度明顯滯后于加載速率，故造成內部裂縫擴展受限，加載應力水平提高。

圖1 混凝土試件三軸應力應變曲線

根據水灰比不同、圍壓相同情況下加載變形速率與試件峰值應力的關系曲線（圖2），試件峰值應力受到加載速率影響下的變動趨勢基本一致；當水灰比較低時，峰值應力差明顯減小。對于水灰比為0.35的情況，加載速率為0.0002mm/s的試件峰值應力比加載速率0.02mm/s、2mm/s的峰值應力分別降低4.5%和5.34%；而對于水灰比為0.45的情況，加載速率為0.0002mm/s的試件峰值應力比加載速率0.02mm/s、2mm/s的峰值應力分別降低44.3%和52.4%。以上結果說明水灰比較低時，加載速率對試件承載力的影響較弱，而隨著水灰比的提升，這種影響持續增大。

圖2 不同水灰比下混凝土峰值應力曲線（圍壓4MPa）

3.2.2 圍壓的影響

根據不同圍壓下水工混凝土試件力學破壞試驗結果，可以得出試件三軸應力應變曲線，結果如圖3 所示，限于篇幅，此處僅列出了水灰比0.35 和0.40的情況。由圖可知，隨著圍壓的增大，應力快速增大后趨于穩定并緩慢下降，當應變為0.03、圍壓取2MPa 時對應的應力為48.41MPa，隨著圍壓順次增大至4MPa、6MPa 及8MPa 時，應力值分別增大為50.3MPa、52.1MPa、71.9MPa。從整體變化趨勢來看，隨著圍壓的增大，試件出現脆性破壞的可能性不斷減弱。進一步分析表明，圍壓的增大能有效抑制宏觀裂縫發展，使試件在峰值應力后期仍保持較高的承載能力；高圍壓下試件以塑性變形為主，線彈性變形占比很小，當圍壓取8MPa 時，峰值應力點對應應變為0.0910，而圍壓取2MPa、4MPa、6MPa時峰值應力應變依次為0.050、0.073、0.086，說明隨著圍壓的增大，峰值應力應變遞增，試件側向束縛力和軸向變形隨之增大。

圖3 圍壓與試件三軸應力應變關系曲線

通過對不同水灰比下試件峰值應力與圍壓關系（圖4）的分析，水灰比不變時隨著圍壓的升高，峰值應力增大；水灰比為0.35 時圍壓8MPa 的峰值應力是圍壓2MPa 峰值應力的1.5 倍；而當水灰比為0.40 時，圍壓8MPa 的峰值應力是圍壓2MPa 峰值應力的1.22 倍。說明水灰比的增大對試件峰值應力的增加有削弱作用。進一步分析表明，水灰比增大后，試件內部膠凝材料減少，試件開口式裂隙增多，使試件在圍壓側向束縛作用下趨于一致，即峰值應力減小。

圖4 試件峰值應力變化曲線（加載速率0.02mm/s）

3.2.3 水灰比的影響

圍壓相同、水灰比不同情況下試件加載應力和峰值應力應變曲線具體見圖5，由圖可知，試件峰值應力隨著水灰比的增大而減小。當圍壓取4MPa時，水灰比0.35、0.40 及0.45 時峰值應力依次為63.6MPa、48.5MPa、34.1MPa，表明水灰比對試件應力增長有抑制作用，大水灰比會降低水泥結構中的膠凝劑，無法較好填充混凝土空隙，進而減弱試件承載力。此外，隨著水灰比的降低，試件表現出愈加明顯的脆性破壞特征；且隨著水灰比的增大，試件變形能力增強，當水灰比分別為0.35、0.40 和0.45 時試件應變值依次為0.087、0.110、0.053.說明較大的水灰比既能抑制試件應力增長，又能限制試件變形擴展。為此，必須結合水利工程荷載實際，選擇最佳的水灰比，確保混凝土防滲材料應力變形均處于理想狀態。

圖5 不同水灰比下試件三軸應力應變曲線（圍壓4 MPa）

3.2.4 試件三軸強度的變化

根據三軸加載試驗下不同加載速率試件強度看出，抗壓強度與加載速率呈正相關關系，加載速率為0.0002mm/s 的試件強度為3.84MPa，而加載速率為0.002mm/s、0.02mm/s、2mm/s 時試件強度依次為3.96MPa、4.12MPa、4.54MPa。且隨著無機材料摻率的增大，試件強度提升幅度也更大，或者說無極材料摻率越大，加載速率對試件強度影響強度的差異也更大，試件強度受加載速率的影響也愈加敏感。通過分析原因看出，無機材料摻率增大后，試件顆粒間的粘結性能更優，試件整體也更加穩固，在試驗中的承載強度也愈高。

4 結 論

綜上所述，借助混凝土材料三軸試驗系統所展開的新疆某灌區輸水渠道水工混凝土防滲材料破壞性能試驗結果表明，三軸加載應力和加載速率之間正相關，加載速率越高則試件失穩破壞也更為劇烈；試件三軸加載抗壓強度和加載速率正相關，且隨著無機材料摻率的增大，加載速率對試件強度的提升效果愈發明顯。根據文章分析，為提升該灌區輸水渠道混凝土結構防滲性能，應提高水灰比，以削弱圍壓對水工混凝土峰值應力的促進程度，同時應增大圍壓，以約束三軸加載速率對水工混凝土材料力學特性的不利影響。