岸坡防渗性材料水工混凝土单轴力学及透水试验研究

陈 玲

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

水利工程中，混凝土材料应用范围较广。研究混凝土材料的力学及渗透特性对提升混凝土配合比参数设计水平具有重要意义[1-3]。为此，张珂等[4]、刘东海等[5]、马翔等[6]利用颗粒离散元仿真平台计算了不同荷载工况下混凝土颗粒流模型的力学特征，对认识混凝土的力学特性具有重要作用。但不可忽视，由于混凝土颗粒流模型的试件尺寸、颗粒体形状，甚至颗粒接触状态均会影响到最终仿真模拟计算结果。因而根据工程现场混凝土应用范围，采用相应的原位监测仪器或微震等监测设备，可及时预判混凝土工程的失稳前兆，对工程的安全运营具有重要参考意义[7-9]。不论是仿真计算亦或是现场监测，利用室内试验手段，其结果更具可靠性，在工程设计中更具参考价值。因而，一些学者利用室内岩土力学仪器，设计单轴、三轴等力学试验或渗流实验，探讨混凝土材料的力学水平、渗流特征，并分析各种因素对其的影响，极大丰富了混凝土基础力学研究成果[10-12]。本文根据混凝土不同配合比参数，设计单轴加载破坏与透水性试验，研究砂率以及碳纤维掺量对混凝土的力学以及透水性影响，为工程实际应用或设计提供一定参考。

2 试验概况

2.1 试验背景

区域内河流是重要水资源来源渠道，利用该河流建设有发电站、蓄水池抽水泵站中转枢纽、河道防洪堤坝等水利设施，总流域面积超过180 km2。上游水利发电枢纽工程年发电量可达600×104kW·h，为区域内工业用电以及生活用电提供便利；抽水泵站是为区域内水资源调度服务，南部水资源分布较多，因而抽水泵站与蓄水池共同构建起高效水资源中转枢纽，年可调度水量超过100×104m3；河道防洪堤坝设计为10年一遇洪峰流量51.6 m3/s，此参数主要针对于上游河流在雨季局部流量较高的情况，水文监测上游最大流量可达50 m3/s，堤坝设计顶部高程为58.5 m，迎、背水侧坡度均为1/1.5，采用多种土体材料为堆筑料，包括有黏土、砂土等土料，分层堆筑并压实，监测表明堤坝最大沉降不超过6 mm，另防渗系统采用防渗墙与土工布等共同构建起防渗结构，防渗墙厚度设计为60 cm，插入基岩深度1.6 m，按照堤防长度每100～150 m的间距设置防渗墙结构，堤坝最大渗透坡降不超过0.3。现由于上游河流水利能量较大，对下游堤防岸坡坡身冲刷影响较显著，导致坡身部分水土流失较严重，为此应考虑对岸坡水土稳定性以及防渗性开展加固处理。工程设计部门设计考虑利用水工混凝土材料作为坡面加固喷射材料，增强坡身抵抗水流冲刷的能力，由于对所采用的水工混凝土力学以及透水性认识不够，特别是混凝土配合比参数设计存在较大盲区，因而有必要针对性开展配合比参数对混凝土力学、渗透特性的影响特征，为采用最佳配合比参数提供参考。根据实验条件，本文借助室内试验手段，开展砂率、碳纤维掺量等配合比参数因素对水工混凝土材料力学以及透水特性影响性实验。

2.2 试验介绍

本文针对水工混凝土材料力学以及透水特性分别设计开展单轴压缩破坏以及透水试验，其中单轴压缩试验采用TAW-500型伺服式液压控制试验系统。该试验系统采用液压程序控制，包括加载系统与数据采集系统。其中，加载系统最大轴向荷载可达500 kN，加载方式可采用力控与变形控制两种方式，其中力控最大速率可达80 kN/min，变形控制最大速率为4 mm/min，两种加载方式均可保证试样在全过程按照预定计划发生失稳破坏。数据采集系统包括传感器监测部分与数据自动处理部分，传感器监测内容包括轴向变形、环向变形以及体积变形监测部分，轴向变形传感器量程为-10～10 mm，环向变形传感器监测最大值可达15 mm，所有监测传感器最大误差不超过0.5%；数据自动处理部分以每间隔0.5 s进行自动绘图，可全程实时读取试样加载过程中应力变形状态。透水性试验采用简单装置的透水装置，每间隔1 s记录水头变化，并测算出混凝土材料的透水系数，以此监测混凝土试样渗透特征。本试验中，配合比参数变化的因素主要以砂率、碳纤维掺量为主，因而试验方案以此两因素开展对比性试验分析。根据岸坡坡面混凝土材料砂率范围，设定砂率分别为0%、2%、4%和6%，碳纤维掺量试验组分别设定参数为0%、1%、2%和3%，每个试样组中均是以单一变量因素作为研究对象，所制作的试样见图1，具体实验方案见表1。

图1 典型试样图

表1 试验具体方案

透水试验主要以渗透压头所施加的恒定水压为自然渗透，实施步骤较易，试验较繁琐，以单轴压缩为主。以下是单轴压缩加载破坏试验步骤：

1) 待已完成透水试验的水工混凝土烘干后，在养护箱内养护12 h，完成试验前物理参数测定，置试样于液压控制试验系统中。试样两端面中心应与加载方向一致，安装好监测传感器，在程序中设定好相关试样的物理参数。

2) 开始轴向加载，全程均以变形控制加载，速率控制在0.02 mm/min，直至试验发生失稳破坏，停止加载。

3) 结束试验，保存实验数据，卸下试样荷载与变形传感器，更换试样，重复进行上述操作。

3 混凝土单轴力学特征分析

3.1 砂率对混凝土力学特征影响

经单轴压缩加载破坏试验获得不同砂率影响下混凝土应力应变曲线，见图2。从图2中可看出，砂率与混凝土加载应力水平具有正相关关系，表明配合比参数中砂率愈大，愈有利于水工混凝土承载应力的提高；当处于相同应变1.2%时，砂率0%的混凝土试样加载应力为1.72 MPa，当砂率增大至2%、4%和6%后，相同条件下的加载应力相比前者分别增大1.1倍、3.7倍和12.9倍。分析认为，当混凝土配合比参数砂率增大，则混凝土内部粗细骨料的搭配性更好，砂子的存在能够更好填充至混凝土颗粒骨架孔隙中，降低混凝土孔隙率，提升混凝土承载能力，进而表现在加载应力水平较高[13-14]。从变形特征来看，砂率愈高，混凝土脆性变形特征愈强，线弹性变形能力愈强，表现在线弹性模量也愈大，砂率0%试样的线弹性模量为3.2 MPa，而砂率4%、6%的试样线弹性模量相比前者增大2.2倍、3.5倍，且高砂率试样峰值应力后应力下跌现象较之更显著，砂率6%混凝土试样峰值应力后应力下降幅度为64.2%，而砂率0%混凝土的下降幅度仅为16.5%，这与砂率增强了混凝土脆性变形破坏特征相对应。另一个方面，4个砂率试样峰值应变随砂率增大而递减，应变值分别为6.3%、4.7%、3.3%和2.4%，因而高砂率试样应注意防护混凝土的脆性破坏。

图2 不同砂率水工混凝土应力应变曲线

图3为不同砂率水工混凝土材料抗压强度变化曲线。从图3中可知，抗压强度随砂率增大而递增，在碳纤维0%试验组中，砂率0%试样的抗压强度为20.4 MPa，而砂率2%、6%混凝土抗压强度相比前者分别增大11.6%、133.6%；当碳纤维增大至3%，该试验组中砂率强度幅度增长效应与前一碳纤维组并无较大差异，这与砂率设计参数对混凝土应力影响为一致，且碳纤维的存在，并不影响砂率对水工混凝土强度的促进效应。对比砂率在增长过程中强度增长效应可知，初期砂率从0%增长至4%，抗压强度增长37.4%，而砂率从4%增长至6%，抗压强度陡增，幅度达72%，表明砂率愈大，抗压强度增长愈显著；从强度总体平均增长来看，当砂率增长2%，抗压强度平均增长35%。

图3 混凝土抗压强度与砂率关系曲线

3.2 碳纤维对混凝土力学特征影响

同理获得碳纤维掺量影响下混凝土力学特征，图4为不同碳纤维掺量下混凝土应力应变曲线。从图4中可看出，碳纤维掺量对混凝土加载应力亦有促进效应。当处于相同应变1.2%时，碳纤维掺量0%时试样的加载应力为2.2 MPa，而碳纤维掺量增长至1%、3%后，加载应力相比前者分别增大18.2%、79.1%。由此可见，虽碳纤维掺量整体上可促进混凝土加载应力水平，但不可忽视其对应力水平的增长效应影响较小，增长幅度并不显著。从变形特征来看，各碳纤维掺量混凝土试样无显著差异性，线弹性变形阶段应力应变增长幅度基本一致，线弹性模量均保持在4.5 MPa左右；从峰值应变来看，4个试样的峰值应变为4.8%，变化幅度较小，表明碳纤维掺量对混凝土变形特征影响亦较小。

图4 不同碳纤维掺量下混凝土应力应变曲线

图5为碳纤维掺量影响下的混凝土抗压强度变化特征曲线。在砂率2%试验组中，当碳纤维掺量为0%时，其抗压强度为16.9 MPa，而碳纤维掺量增大至1%、3%后，抗压强度相比前者分别增大11.1%、31.7%，增长幅度较小，从碳纤维掺量对强度增长的阶段性来看，当碳纤维掺量增大1%，抗压强度增长幅度平均仅为9.7%。综上分析可知，碳纤维掺量整体上对混凝土试样承载能力虽有提升，但其对水工混凝土力学特征影响程度较小。

图5 混凝土抗压强度与碳纤维掺量关系曲线

4 混凝土透水性分析

4.1 砂率对透水性影响

采用透水试验获得砂率对混凝土透水性影响，图5为不同砂率水工混凝土试样透水系数变化特征曲线。在碳纤维掺量0%试验组中，砂率0%的透水系数为3.72 mm/s，而砂率为2%、4%和6%的透水系数相比前者分别降低27.7%、46.5%和55.9%。当砂率增大2%,透水系数平均降低23.7%，表明砂率愈大，可抑制水工混凝土的渗透性能。笔者认为，当混凝土配合比参数中砂率增大，则试样颗粒骨架孔隙被细小石子填充程度增强，降低了孔隙度，这也抑制了混凝土试样内部渗透通道的发展，表现在透水系数降低的态势。当碳纤维掺量增大至3%后，砂率对透水系数的抑制效应更具显著，砂率增大2%，透水系数平均降低53.3%，表明钢纤维在混凝土试样内部的存在，对砂率抑制混凝土渗透性能的效果具有促进作用。

图6 透水系数与砂率关系

4.2 碳纤维对透水性影响

同理，获得碳纤维试验组下混凝土透水系数变化特征，见图7。从图7中可知，碳纤维掺量与混凝土透水系数具有二次函数关系，且碳纤维对混凝土的透水性能为抑制效应，在砂率2%试验组中，碳纤维掺量0%的透水系数为3.71 mm/s，碳纤维掺量增大为1%、3%后，透水系数相比前者分别降低14.5%、58.8%，碳纤维掺量每增大1%，其透水系数平均可降低24.8%，相比之碳纤维对混凝土力学影响效应，其对混凝土透水性影响显著。分析可知，碳纤维与胶凝材料可发生物理化学反应，生成固态沉淀颗粒，不仅降低了混凝土流动性，导致混凝土出现局部的硬化固结，而且导致混凝土的渗透通道得到堵塞，表现在混凝土的渗透系数为降低的现象[15-16]。

图7 透水系数与碳纤维掺量关系

5 结 论

1) 砂率与混凝土承载能力具有正相关关系，碳纤维1%试验组下，砂率2%、6%混凝土抗压强度相比前者分别增大11.6%、133.6%，且碳纤维的存在，并不影响砂率对混凝土强度的促进效应；砂率愈高，混凝土线弹性模量以及强度增长幅度愈大，砂率从0%至4%，强度增长37.4%，而从4%至6%，抗压强度增长幅度达72%。

2) 碳纤维对混凝土强度具有促进效应，但增长幅度并不显著，碳纤维掺量增大1%，强度增长幅度平均仅为9.7%；碳纤维掺量的改变，并不影响混凝土变形特征，同一砂率组下各纤维掺量混凝土的弹性模量均在4.5MPa左右。

3) 砂率的存在有助于抑制混凝土透水性能，砂率为2%、4%和6%的透水系数相比砂率0%下分别降低27.7%、46.5%和55.9%，碳纤维掺量0%下，砂率增大2%,透水系数平均降低23.7%，碳纤维掺量增大，砂率对透水系数的抑制效应更显著。

4) 碳纤维掺量与透水系数呈二次函数关系，碳纤维对混凝土的透水性能影响超过其对强度的影响效应，碳纤维掺量每增大1%，其透水系数平均可降低24.8%。