高安水庫啟閉塔工作橋混凝土材料改性下力學特征研究

曾 鵬

(江西省水利水電建設集團有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

混凝土是水利工程中常見的承載材料[1-2]，在工程中，其拉伸應力表現是較弱一環，研究混凝土的力學特征，不能只研究混凝土壓縮力學特征，而是應該從宏、細觀兩方面綜合評價其拉、壓力學水平。張冬梅等[3]、寧致遠等[4]為研究混凝土的拉伸應力特征，通過自研拉伸試驗裝置，設計開展了混凝土的拉伸力學破壞試驗，基于試驗結果評價了混凝土拉伸應力、應變的影響因素，有助于提高混凝土拉伸力學認知水平。李春元[5]、鮑耀等[6]為綜合探討混凝土的拉、壓應力表現，分別設計了拉伸、壓縮力學試驗，對比了拉、壓力學試驗結果與其他物理因素之間的關聯性，為工程建設提供了力學依據。混凝土拉、壓應力宏觀差異已有較多研究成果，而細觀研究可幫助分析此種差異性根源，劉洋甫等[7]利用聲發射、SEM掃描等方法開展了混凝土的細觀力學破壞監測，重構了混凝土破壞路徑的演變過程，有力支撐了混凝土拉、壓應力破壞根源性研究。依托高安水庫工程混凝土材料改性設計背景，借助直接拉伸試驗裝置和CT掃描手段，揭示混凝土拉、壓破壞路徑及差異性。

1 試驗簡述

1.1 工程概述

作為贛江中下游支流重要控制樞紐，高安水庫承擔著錦河水資源調度，控制著錦河以及贛江在高安境內的其他支流，具有防洪排澇、水力發電以及生態補水的作用，特別是在枯水季，高安水庫水資源調度，對下游鄱陽湖生態補水，乃至南昌市區的水資源供應，均有較大的幫助。高安水庫控制流域面積為129km2，設計庫容量為1.85億m3，正常蓄水位為83m，設計洪水位為84.85m，所建設的輸水干渠總長接近150km，可滿足高安、宜豐等地區農業生產，惠及農田面積超過10萬hm2。同時，作為贛江下游重要的梯級調度樞紐，高安水庫承擔了南昌市區防洪安全，僅2020年6月梅雨季，整個贛江流域降雨量打破了8、12、24h降雨，全流域出現洪峰警報，而高安水庫開閘泄洪，有力支撐了南昌、鄱陽湖的防洪體系。該水庫作為贛江下游不可或缺的水利樞紐，其在較長運營年限內，部分水工建筑已出現老化或防滲體系破損的現象，尤以水庫大壩部分區段滲流活動加劇，常年的大壩監測數據表明，經過2020—2022年的較大洪峰過境沖擊，高安水庫大壩基巖滲透侵蝕破壞較嚴重，很大程度上，高安水庫運營能力均與大壩防洪安全密切相關。因此，水庫管理部門考慮對主、副壩進行檢修并加固，同時建設新副壩，對新副壩發電引水涵管進口啟閉塔工作橋重點勘測加固，其橋體三維特征如圖1所示。

圖1 啟閉塔工作橋三維特征

工作橋設計為現澆鋼混結構，橋梁主梁最大跨度為10.5m，最小跨度也達到了9.1m，主梁截面高×寬為0.6m×0.35m，橋面寬度為2.5m，澆筑鋪設的混凝土厚度達30cm。根據高安水庫主、副壩檢修加固施工方案，啟閉塔工作橋乃是施工重難點，其混凝土澆筑面、橋梁跨度等，均影響著施工安全。基于高安水庫啟閉塔工作橋施工影響因素分析，大體積混凝土的開裂、承載弱等問題必須解決，而設計部門討論在原類型混凝土基礎上，進行材料改性設計，提高啟閉塔工作橋工程混凝土的適用性。

1.2 試驗設計

根據啟閉塔工作橋混凝土材料應用需求，主要考慮到混凝土的抗拉能力以及承載能力，因此本試驗研究對象為混凝土的拉、壓力學特征，且試驗對象為改性混凝土。從工程現場取回原狀混凝土，測試其粗骨料公稱粒徑為10～16mm，級配良好，細骨料的細度模數為2.68，水灰比為0.62，在考慮已有工程成果前提下[8]，采用鋼纖維為改性劑，主要可提升混凝土整體拉結性，所采用的鋼纖維原料如圖2(a)所示。所有試件均在室內實驗室進行重塑加工，制作成圓柱體或長方體形態，其中拉伸力學試驗采用直接拉伸方法，配合有拉伸粘結頭，分別固定在試樣頂、底部，拉頭與試件之間的粘結性滿足國標試驗要求[9]，其制作方法及試件安裝原理如圖2(b)所示，圓柱體試件直徑、高度分別為50、100mm，長方體試件邊長分別為150、75、75mm，且表面平整度不存在超過1mm的裂隙，在養護箱內完成8h養護才可進行后續力學加載試驗。

圖2 改性混凝土試件及摻加料

為確保試驗結果可靠性，采用GCTS多功能巖石力學試驗設備開展對比試驗，該設備如圖3(a)所示，加載系統與控制系統互為獨立，不產生數據干擾影響，所配備的位移監測設備有LVDT引伸計、環向應變計等，可實時獲取試件實驗過程中應力、應變特征。直接拉伸試驗通過加載頭與試件的粘結，避免產生壓縮應力干擾，其試樣加載安裝如圖3(b)所示，而壓縮力學試驗為常規三軸力學方法，如圖3(c)所示為其試件安裝加載狀態。

圖3 試驗設備及試件

不僅如此，為全面反映改性混凝土力學特征影響，在宏觀力學試驗研究基礎上，增加細觀力學分析，所采用的細觀研究手段為工業CT試驗設備，如圖4所示，該工業級CT設備掃描速度為6.5幀/s，裂隙分辨率最小為2μm，可對試樣裂隙特征進行三維重組。

圖4 工業CT試驗設備

基于上述試驗分析及設備闡述，本文試驗設計分為了宏觀力學與細觀CT掃描，其中宏觀力學為直接拉伸與三軸壓縮，所用試件改性劑摻量均保持一致，方案改性劑摻量梯次為1.5%～9%，間隔摻量為1.5%，另增設有摻量0%、10% 2組對比試樣。三軸試驗中圍壓設定為5、30MPa，CT掃描在力學加載前、后都要進行，并重構三維裂隙分布。

2 混凝土材料宏觀力學試驗結果

2.1 拉伸力學特征

基于不同摻量改性劑下混凝土試樣拉伸力學試驗，獲得了改性劑摻量對試樣應力、應變影響特性，如圖5所示。

圖5 改性混凝土直接拉伸應力應變特征

從圖5中可看出，改性劑摻量不同，混凝土的拉伸應變在峰值應力后會呈現差異性變化特征，部分試樣在峰值拉伸應力后，不會快速下降，而是逐漸出現殘余應力，此部分試樣摻量為7.5%、9%、10%，殘余應力分別為2.65、2.77、2.88MPa。與之不同的是，也有部分試樣在出現峰值拉伸應力后，迅速發生應力下降，此部分以原狀混凝土為典型，且摻量1.5%～6%的試樣也是如此，只要出現峰值拉伸應力，混凝土迅速發生失穩。對比摻量與應變關系可知，峰值應變離散性較顯著，摻量0%、3%、6%試樣峰值應變依次為0.18%、0.21%、0.22%，而摻量7.5%、10%試樣分別為0.2%、0.25%，因此，改性劑摻量對拉伸應變影響主要在于拉伸破壞后。

總體上來看，當改性劑摻量愈多，則混凝土拉伸應力水平愈大，此趨勢較為顯著，特別是峰值拉伸應力的對比更為宏觀，原狀混凝土峰值拉伸應力為2.03MPa，而摻量3%、6%、9%下試樣承載拉伸應力較之前者分別提高了88.9%、199.5%、249.1%。從拉伸應力的促進效果來看，在摻量6%后，試樣拉伸應力效果的增幅逐漸減小，如摻量6%～7.5%試樣、9%～10%試樣間，峰值拉伸應力分別僅增長了0.73、0.25MPa。因此，在一定區間內，改性劑摻量對混凝土拉伸應力改變效果較好，過多摻量的改性劑，反而會改變混凝土顆粒結構特征[10]，導致抗拉能力變弱，因此本工程中混凝土材料的改性劑摻量不應過高。

2.2 壓縮力學特征

同理，針對混凝土三軸壓縮力學試驗結果進行分析，圖6為兩圍壓下混凝土試樣壓縮力學特征。分析可知，與拉伸力學不同的是，混凝土的壓縮應力、應變均高于前者，且不論是圍壓5或是30MPa，改性劑摻量不會改變混凝土壓縮應變發展方向。圍壓5MPa下，各試樣均在峰值應力后出現了應力下降，且殘余應力基本吻合，同時峰值應變穩定在0.86%，殘余應力與峰值應力之間降幅分布于56.9%～82.9%；圍壓30MPa時，混凝土試樣在峰值應力后的降幅不及前者圍壓，但總體上各試樣應變發展效應具有類似性，各個試樣在高圍壓作用下，均加強了延塑性變形，峰值應力后的應力降幅分布于1.5%～6%。試驗數據表明，改性劑摻量對混凝土壓縮變形影響較弱，而圍壓乃是改變混凝土壓縮應變的最大因素[11]。

圖6 改性混凝土三軸壓縮應力應變特征

從混凝土壓縮應力水平來看，其與摻量的關系也是正相關，同樣也是在一定摻量后，混凝土的應力水平增長也減緩。圍壓5MPa時，摻量0%～6%時，試樣三軸抗壓強度分布于31～80.3MPa，各摻量間試樣抗壓強度平均增長了12.3MPa，增幅穩定在26.9%，而摻量7.5%～10% 3個試樣之間抗壓強度僅增長了6.9%。同樣的，圍壓增大至30MPa后，相應的抗壓強度分布于74.85～297.1MPa，且同樣在摻量7.5%～10%之間，強度增長減緩；但不可忽視，圍壓增大后，混凝土試樣承載能力不僅提高，同時改性劑摻量與抗壓強度之間關系更敏感，當摻量每梯次遞增1.5%，在摻量0%～6%區間內，其抗壓強度能平均增長35.2%。分析表明，在壓縮應力狀態，混凝土承載能力與改性劑摻量關系受圍壓影響顯著，控制改性劑摻量在不超過6%時最為適宜。

3 混凝土材料細觀力學特征

為驗證宏觀力學試驗結果，基于CT掃描細觀特征分析[12]，獲得了不同摻量下試樣三維孔隙重構特征，如圖7所示。

圖7 混凝土試樣三維孔隙重構特征

從圖7中可看出，不同應力狀態下，試樣加載破壞后的孔隙分布特征不盡相同，拉伸應力破壞后孔隙數量顯著高于壓縮應力，但隨著改性劑摻量增多，混凝土破壞后內部孔隙數量也減少。對比之下，拉伸應力破壞路徑下，孔隙集中于試樣端部與中上部，而壓縮應力下，孔隙從端部逐漸向著底部擴散，即混凝土壓縮破壞路徑乃是從端-中-底部擴展、貫通，從工程應用角度考慮，避免混凝土受拉，減少混凝土的拉應力集中區域更為安全。

基于CT孔隙重構結果，可獲得不同摻量下混凝土的各孔隙體積區間數量分布特征，如圖8所示。

圖8 混凝土CT掃描破壞后孔隙分布特征

由圖8可知，在拉伸應力狀態下，混凝土破壞后孔隙數量占比最多的為孔隙體積低于0.1mm3，在孔隙體積<0.01、0.01～0.1mm32個區間內，混凝土試樣孔隙數量占總數量的90%以上，此種趨勢在各摻量試樣拉伸破壞中皆是如此，即拉伸破壞的根源在于細小裂隙的滋生，影響著材料軟弱面的承載，因而混凝土抗拉能力較弱。不同的是，壓縮應力下，體積超過1mm3的孔隙數量最多，尤以孔隙體積1～10mm3占比最多，幾乎每個試樣該孔隙體積區間內數量占比均超過50%。細觀結果表明，混凝土壓縮破壞來自于大裂隙的擴展、延伸、貫通，從而導致了試樣失穩。總體上看，當改性劑摻量增多，不論是拉伸應力或是壓縮應力下，孔隙數量均會減少[13]，但孔隙體積區間主導地位不會改變，即改性劑的存在，不會改變混凝土壓縮或拉伸應力破壞路徑。從高安水庫啟閉塔工作橋的建設來看，適當增添改性劑，如摻量6%，有助于提高拉、壓承載能力，優化工程運營能力。

4 結論

(1)改性劑摻量會影響混凝土的殘余拉伸應力段特征；摻量與拉伸應力水平為正相關特征，但在摻量6%后，拉伸應力增長不明顯。

(2)摻量不會改變混凝土壓縮應力應變趨勢，而圍壓會影響混凝土壓縮應變特征；摻量愈多，混凝土壓縮應力愈大，但過多摻量，同樣會導致抗壓強度增長減緩。

(3)CT三維裂隙重構表明了拉伸應力破壞來自于端部及中上部，而壓縮應力下，孔隙由端-中-底部擴展、貫通。

(4)拉、壓應力下，孔隙數量最多的分別為孔隙體積<0.1、1～10mm3；改性劑摻量愈多，混凝土孔隙數量愈少，但孔隙體積優勢區間不會改變。