鮑耀，張旭

（1.淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇漣水223400；2.江蘇治淮建設(shè)工程有限公司，江蘇淮安223300）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水保證率與輸水灌渠安全運(yùn)營(yíng)密切相關(guān)，提升灌渠水資源輸送效率是確保農(nóng)業(yè)灌溉的重要手段。因此，研究輸水灌渠長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性具有重要意義[1-3]。張雨萌等、姚娟娟等、蔣兵利用輸水灌渠工程運(yùn)營(yíng)荷載設(shè)計(jì)數(shù)值仿真計(jì)算模型，模擬工況中荷載、溫度等變化，分析數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果差異性，為實(shí)際輸水灌渠工程設(shè)計(jì)提供參考[4-6]。由于數(shù)值計(jì)算有時(shí)過(guò)于理想化，根據(jù)已有輸水灌渠工程設(shè)計(jì)開(kāi)展參照性研究很有必要。研究主要根據(jù)已有工程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，預(yù)判工程失穩(wěn)及滲透破壞狀態(tài)，為其他工程設(shè)計(jì)及已有工程運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)[7-9]。由于輸水灌渠工程運(yùn)營(yíng)安全穩(wěn)定性與原材料有關(guān)，探討工程材料特別是混凝土等常用材料的力學(xué)穩(wěn)定性很有必要，楊春旗、方小婉等、武允超借助室內(nèi)試驗(yàn)手段，開(kāi)展相應(yīng)的壓縮、拉伸試驗(yàn)，獲得材料力學(xué)特征變化，為實(shí)際工程參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)[10-12]。根據(jù)蘇北地區(qū)輸水灌渠防滲結(jié)構(gòu)混凝土材料拉、壓力學(xué)特性問(wèn)題，開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)，研究力學(xué)特性影響變化規(guī)律，為工程實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考。

1 防滲結(jié)構(gòu)混凝土材料試驗(yàn)介紹

1.1 工程背景

蘇北地區(qū)是華東地區(qū)重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，但水資源分布不均造成部分農(nóng)田生產(chǎn)季節(jié)出現(xiàn)缺水、少水等現(xiàn)象，水利管理部門(mén)考慮對(duì)該區(qū)域內(nèi)輸水灌渠進(jìn)行修繕，以提升區(qū)域農(nóng)田水利用水安全性。根據(jù)研究區(qū)段內(nèi)的輸水灌渠初步踏勘可知，渠道全長(zhǎng)132 km，包括3條干渠及多條支渠、3個(gè)大型水閘設(shè)施與多個(gè)重要引水渡槽等，可滿足超過(guò)3.33萬(wàn)hm2農(nóng)田灌溉需要。渠道原設(shè)計(jì)引水流量28 m3/s，運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)表明最大引水流量?jī)H20 m3/s，年運(yùn)營(yíng)引水流量12～15 m3/s，極大約束了農(nóng)業(yè)用水自由度，導(dǎo)致灌區(qū)灌溉保證率大大降低。通過(guò)灌渠流經(jīng)區(qū)域調(diào)研發(fā)現(xiàn)，渠道輸水效率降低很大程度上與灌渠防滲結(jié)構(gòu)失效有關(guān)。原防滲結(jié)構(gòu)以摻廢渣混凝土料為主，由于初期引水流量較大，使得混凝土料受到較大損傷，造成防滲系統(tǒng)失效。結(jié)合本輸水灌渠工程中防滲結(jié)構(gòu)混凝土材料的使用環(huán)境，有必要對(duì)防滲混凝土材料的力學(xué)特性開(kāi)展探討，為加固工程防滲系統(tǒng)提供重要參考。

1.2 試驗(yàn)概況

為確保計(jì)算結(jié)果可靠，選擇1 000 W液壓混凝土材料試驗(yàn)儀器開(kāi)展防滲混凝土力學(xué)加載試驗(yàn)，該儀器包括液壓加載、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，如圖1所示。加載系統(tǒng)可完成拉伸、壓縮加載等單軸試驗(yàn)，也可配合三軸箱完成三軸加載試驗(yàn)，最大荷載可達(dá)1 000 kN，最大誤差不超過(guò)1%，最小可獲取0.001 kN，可完成圓柱形徑高比1/2或1/3等多種類型尺寸試樣試驗(yàn)，最大試樣直徑150 mm，也可完成諸如長(zhǎng)方體等形態(tài)尺寸試樣試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可選擇間隔0.5～10 s采集，數(shù)據(jù)可通過(guò)計(jì)算機(jī)在加載試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。軸向位移傳感器測(cè)試范圍為-15～15 mm，環(huán)向位移最大20 mm。荷載加載方式可采用荷載速率控制與變形速率控制2種方式，其中變形控制方式包括軸向變形加載與環(huán)向變形加載等，軸向變形速率最大為10 mm/min。本次試驗(yàn)采用變形控制加載，速率穩(wěn)定在0.04 mm/min，而拉伸力學(xué)試驗(yàn)變形控制速率為0.01 mm/min。

圖1 1 000 W液壓混凝土材料試驗(yàn)儀器

結(jié)合輸水灌渠防滲系統(tǒng)工作環(huán)境，試驗(yàn)分為拉伸與壓縮2個(gè)類型，混凝土力學(xué)特性影響因素分別選取工程中使用的養(yǎng)護(hù)齡期與防滲混凝土配合比中的化學(xué)凝劑含量，養(yǎng)護(hù)齡期分別選取7、14、28、36、50 d，而化學(xué)凝劑含量分別設(shè)定為2%、4%、6%、8%、10%，各方案混凝土水泥與砂率等配合比參數(shù)保持一致，水灰比控制在0.4，各方案具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

間接拉伸試驗(yàn)相比壓縮力學(xué)試驗(yàn)步驟較復(fù)雜，簡(jiǎn)要介紹拉伸力學(xué)試驗(yàn)。

（1）間接拉伸試驗(yàn)采用圓盤(pán)劈裂方式，將養(yǎng)護(hù)后混凝土試樣安裝在夾頭中，并確保拉伸荷載中心與夾頭保持同一豎向方向，安裝好相關(guān)位移傳感器，并在加載前再次檢查試樣拉伸夾頭與試樣端面的平行度。

（2）以軸向變形速率穩(wěn)步加載，試樣拉伸裂紋處于穩(wěn)定裂變發(fā)展，直至試樣發(fā)生拉伸破壞，停止拉伸加載。

（3）結(jié)束試驗(yàn)后數(shù)據(jù)存盤(pán)，更換其他組試樣重復(fù)上述步驟。

2 混凝土壓縮力學(xué)特性分析

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期影響

不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土試樣壓縮力學(xué)試驗(yàn)，獲得混凝土應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2可知，養(yǎng)護(hù)齡期與混凝土承載應(yīng)力關(guān)系呈正相關(guān)，加載應(yīng)變1%時(shí)對(duì)應(yīng)的齡期7 d試樣的應(yīng)力為15.2 MPa，而齡期14、36、50 d試樣的峰值應(yīng)力相比前者分別增大了82.4%、1.43倍、2.11倍，表明養(yǎng)護(hù)齡期愈長(zhǎng)，試樣內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)粘結(jié)穩(wěn)固性與顆粒礦物咬合摩擦性愈強(qiáng)，膠凝材料包裹混凝土主骨架更充分，表現(xiàn)在混凝土承載水平較高。對(duì)比不同試樣的極限應(yīng)變可知，以齡期50 d試樣的極限應(yīng)變最大，達(dá)7.26%，而齡期7、28 d極限應(yīng)變分別為4.89%、6.11%，極限應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)齡期為正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)護(hù)齡期愈長(zhǎng)可促進(jìn)混凝土材料變形能力。從不同齡期試樣線彈性變形階段可知，齡期愈長(zhǎng)，線彈性模量愈大。養(yǎng)護(hù)齡期50 d試樣的線彈性模量為46.6 MPa，而齡期7、14、28 d試樣線彈性模量相比前者分別降低了63%、48.3%、35.7%。混凝土養(yǎng)護(hù)齡期愈長(zhǎng)，試樣主骨架與膠凝材料的充分結(jié)合降低了混凝土內(nèi)部孔隙的擴(kuò)展演變，促使試樣脆性變形特征得到加強(qiáng)，因而線彈性模量較高。

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

不同齡期混凝土試樣抗壓強(qiáng)度變化特征，如圖3所示。從強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系可知，兩者具有對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，且為正相關(guān)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)混凝土強(qiáng)度為36.3 MPa，而齡期36、50 d試樣強(qiáng)度相比前者分別增大了35.9%、41.5%；從養(yǎng)護(hù)齡期促進(jìn)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度來(lái)看，齡期7 d與14 d間強(qiáng)度增長(zhǎng)了18.6%，而在齡期14 d與28 d間強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度降低為11.7%，而齡期36 d與50 d間強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度為4.1%，表明隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度顯著降低。以養(yǎng)護(hù)齡期14 d強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，此可為工程確定最優(yōu)養(yǎng)護(hù)齡期提供參考。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期影響下混凝土抗壓強(qiáng)度特征

2.2 化學(xué)凝劑含量

由不同凝劑含量混凝土試樣壓縮力學(xué)數(shù)據(jù)獲得凝劑含量影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變，如圖4所示。從圖4可知，凝劑含量愈大，混凝土試樣應(yīng)力水平愈低。在相同應(yīng)變1.4%時(shí)，凝劑含量2%試樣加載應(yīng)力為52.2 MPa，而含量6%、10%試樣加載應(yīng)力相比前者分別降低了9.2%、29.1%。從凝劑含量對(duì)試樣承載應(yīng)力抑制效應(yīng)可知，化學(xué)凝劑含量雖對(duì)混凝土材料防滲性具有提升作用，但對(duì)承載能力有所削弱。分析認(rèn)為，這與化學(xué)凝劑物質(zhì)成分有關(guān)，凝劑成分主要為粘結(jié)性強(qiáng)的人工合成材料物質(zhì)，添入混凝土試樣中后在一定養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)逐步運(yùn)動(dòng)到混凝土骨架顆粒的各個(gè)孔隙間，雖可拉近孔隙間距離，但由于其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于混凝土自身顆粒材料，因而凝劑含量愈多，愈增大了試樣內(nèi)部承載薄弱面，降低了混凝土承載應(yīng)力。從變形特征來(lái)看，各凝劑含量不同試樣的應(yīng)力應(yīng)變差異在應(yīng)力達(dá)到37 MPa后才顯著，即進(jìn)入屈服塑性變形階段后，絮凝劑含量對(duì)混凝土試樣承載差異性影響較大，這是因?yàn)樾跄齽┖吭谖催M(jìn)入屈服變形階段前試樣具有相同物性。

圖4 凝劑含量影響下混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

絮凝劑含量對(duì)混凝土試樣強(qiáng)度影響特性，如圖5所示。在養(yǎng)護(hù)齡期7 d時(shí)凝劑含量2%試樣抗壓強(qiáng)度為53.8 MPa，而含量4%、8%、10%試樣強(qiáng)度相比前者分別降低了4.4%、22%、28.6%；當(dāng)凝劑含量增大2%，平均可導(dǎo)致混凝土試樣強(qiáng)度損失8.1%。齡期增大至14、36 d后，凝劑含量增大2%，強(qiáng)度損失幅度分別為5.6%、3.8%，表明養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)可削弱化學(xué)凝劑成分對(duì)混凝土強(qiáng)度的抑制效應(yīng)。上述數(shù)據(jù)表明，混凝土強(qiáng)度與絮凝劑含量具有負(fù)相關(guān)特征，合適的凝劑含量有利于保持強(qiáng)度穩(wěn)定性。從絮凝劑含量強(qiáng)度損失幅度可知，當(dāng)凝劑含量超過(guò)8%，齡期7 d時(shí)凝劑含量10%的試樣強(qiáng)度較8%降低了10.4%，而凝劑含量8%以下的試樣強(qiáng)度降低幅度并無(wú)前者高，從混凝土材料力學(xué)穩(wěn)定性與防滲性考慮，選擇凝劑含量8%更有利。

圖5 凝劑含量影響下混凝土抗壓強(qiáng)度特征

3 混凝土拉伸力學(xué)特性分析

不同養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土試樣應(yīng)力位移特征如圖6所示，養(yǎng)護(hù)齡期愈大，試樣拉伸應(yīng)力水平愈高。齡期7 d時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度為4 MPa，而齡期14、28、50 d時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度分別是前者的1.12、1.21和1.3倍。對(duì)比混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度差異可知，齡期7 d時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度僅為相同試驗(yàn)參數(shù)下抗壓強(qiáng)度的10.5%。分析混凝土拉伸力學(xué)特性與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系可知，混凝土養(yǎng)護(hù)齡期愈長(zhǎng)，試樣間接拉伸強(qiáng)度愈大。從各養(yǎng)護(hù)齡期試樣峰值拉伸位移可看出，齡期愈長(zhǎng)，峰值位移愈小，齡期7 d試樣的峰值位移為0.17 mm，齡期增至14、28、50 d后的峰值位移分別為0.13、0.1、0.07 mm，這表明齡期加長(zhǎng)混凝土峰值變形能力受到約束作用。

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期影響下混凝土拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

混凝土抗拉強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系如圖7所示，單位齡期內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度參數(shù)η計(jì)算公式為：

式中：RT1，RT2分別指T1，T2養(yǎng)護(hù)齡期下的抗拉強(qiáng)度（MPa）；T1，T2分別指養(yǎng)護(hù)齡期（d）。

從圖7可看出，抗拉強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期具有對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，混凝土抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度參數(shù)以齡期7～14 d為最大，達(dá)0.16 MPa/d，齡期14～28 d為0.005 MPa/d，而齡期36～50 d僅為0.002 5 MPa/d；從混凝土試樣抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)看，可認(rèn)為齡期14 d最佳。

圖7 養(yǎng)護(hù)齡期影響下混凝土抗拉強(qiáng)度與幅度參數(shù)特征

4 結(jié)論

（1）養(yǎng)護(hù)齡期與混凝土承載應(yīng)力關(guān)系呈正相關(guān)，齡期36、50 d試樣強(qiáng)度相比7 d分別增大了35.9%、41.5%，養(yǎng)護(hù)齡期14 d強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；齡期愈長(zhǎng)，混凝土極限應(yīng)變與線彈性模量均愈大，齡期7、14、28 d試樣線彈性模量相比50 d分別降低了63%、48.3%、35.7%。

（2）凝劑含量愈大，混凝土試樣應(yīng)力水平愈低，齡期7 d時(shí)含量4%、8%、10%試樣強(qiáng)度相比含量2%分別降低了4.4%、22%、28.6%；含量增加2%，試樣強(qiáng)度平均損失8.1%。但齡期愈大，損失幅度有所降低，且含量8%下強(qiáng)度降低幅度較?。桓髂齽┎煌嚇拥牧W(xué)差異在屈服塑性變形階段較顯著。

（3）養(yǎng)護(hù)齡期愈大，混凝土拉伸應(yīng)力愈高，但峰值位移愈小，齡期14、28、50 d試樣抗拉強(qiáng)度分別是7 d的1.12、1.21和1.3倍，而相同試驗(yàn)參數(shù)下的抗拉強(qiáng)度僅為其抗壓強(qiáng)度的10.5%；抗拉強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期具有對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度參數(shù)以齡期7～14 d為最大。