输水灌渠防渗结构混凝土材料拉、压力学特性分析

鲍耀，张旭

（1.淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏涟水223400；2.江苏治淮建设工程有限公司，江苏淮安223300）

农业生产灌溉用水保证率与输水灌渠安全运营密切相关，提升灌渠水资源输送效率是确保农业灌溉的重要手段。因此，研究输水灌渠长期运营稳定性具有重要意义[1-3]。张雨萌等、姚娟娟等、蒋兵利用输水灌渠工程运营荷载设计数值仿真计算模型，模拟工况中荷载、温度等变化，分析数值模型计算结果差异性，为实际输水灌渠工程设计提供参考[4-6]。由于数值计算有时过于理想化，根据已有输水灌渠工程设计开展参照性研究很有必要。研究主要根据已有工程的长期监测数据分析，预判工程失稳及渗透破坏状态，为其他工程设计及已有工程运营提供指导[7-9]。由于输水灌渠工程运营安全稳定性与原材料有关，探讨工程材料特别是混凝土等常用材料的力学稳定性很有必要，杨春旗、方小婉等、武允超借助室内试验手段，开展相应的压缩、拉伸试验，获得材料力学特征变化，为实际工程参数设计优化提供依据[10-12]。根据苏北地区输水灌渠防渗结构混凝土材料拉、压力学特性问题，开展力学试验，研究力学特性影响变化规律，为工程实际设计提供参考。

1 防渗结构混凝土材料试验介绍

1.1 工程背景

苏北地区是华东地区重要农业生产区域，但水资源分布不均造成部分农田生产季节出现缺水、少水等现象，水利管理部门考虑对该区域内输水灌渠进行修缮，以提升区域农田水利用水安全性。根据研究区段内的输水灌渠初步踏勘可知，渠道全长132 km，包括3条干渠及多条支渠、3个大型水闸设施与多个重要引水渡槽等，可满足超过3.33万hm2农田灌溉需要。渠道原设计引水流量28 m3/s，运营实测表明最大引水流量仅20 m3/s，年运营引水流量12～15 m3/s，极大约束了农业用水自由度，导致灌区灌溉保证率大大降低。通过灌渠流经区域调研发现，渠道输水效率降低很大程度上与灌渠防渗结构失效有关。原防渗结构以掺废渣混凝土料为主，由于初期引水流量较大，使得混凝土料受到较大损伤，造成防渗系统失效。结合本输水灌渠工程中防渗结构混凝土材料的使用环境，有必要对防渗混凝土材料的力学特性开展探讨，为加固工程防渗系统提供重要参考。

1.2 试验概况

为确保计算结果可靠，选择1 000 W液压混凝土材料试验仪器开展防渗混凝土力学加载试验，该仪器包括液压加载、数据采集、监测等系统，如图1所示。加载系统可完成拉伸、压缩加载等单轴试验，也可配合三轴箱完成三轴加载试验，最大荷载可达1 000 kN，最大误差不超过1%，最小可获取0.001 kN，可完成圆柱形径高比1/2或1/3等多种类型尺寸试样试验，最大试样直径150 mm，也可完成诸如长方体等形态尺寸试样试验。数据采集系统可选择间隔0.5～10 s采集，数据可通过计算机在加载试验过程中实时呈现。轴向位移传感器测试范围为-15～15 mm，环向位移最大20 mm。荷载加载方式可采用荷载速率控制与变形速率控制2种方式，其中变形控制方式包括轴向变形加载与环向变形加载等，轴向变形速率最大为10 mm/min。本次试验采用变形控制加载，速率稳定在0.04 mm/min，而拉伸力学试验变形控制速率为0.01 mm/min。

图1 1 000 W液压混凝土材料试验仪器

结合输水灌渠防渗系统工作环境，试验分为拉伸与压缩2个类型，混凝土力学特性影响因素分别选取工程中使用的养护龄期与防渗混凝土配合比中的化学凝剂含量，养护龄期分别选取7、14、28、36、50 d，而化学凝剂含量分别设定为2%、4%、6%、8%、10%，各方案混凝土水泥与砂率等配合比参数保持一致，水灰比控制在0.4，各方案具体参数详见表1。

表1 各组试样试验参数

间接拉伸试验相比压缩力学试验步骤较复杂，简要介绍拉伸力学试验。

（1）间接拉伸试验采用圆盘劈裂方式，将养护后混凝土试样安装在夹头中，并确保拉伸荷载中心与夹头保持同一竖向方向，安装好相关位移传感器，并在加载前再次检查试样拉伸夹头与试样端面的平行度。

（2）以轴向变形速率稳步加载，试样拉伸裂纹处于稳定裂变发展，直至试样发生拉伸破坏，停止拉伸加载。

（3）结束试验后数据存盘，更换其他组试样重复上述步骤。

2 混凝土压缩力学特性分析

2.1 养护龄期影响

不同养护龄期下混凝土试样压缩力学试验，获得混凝土应力应变数据如图2所示。从图2可知，养护龄期与混凝土承载应力关系呈正相关，加载应变1%时对应的龄期7 d试样的应力为15.2 MPa，而龄期14、36、50 d试样的峰值应力相比前者分别增大了82.4%、1.43倍、2.11倍，表明养护龄期愈长，试样内部颗粒骨架结构粘结稳固性与颗粒矿物咬合摩擦性愈强，胶凝材料包裹混凝土主骨架更充分，表现在混凝土承载水平较高。对比不同试样的极限应变可知，以龄期50 d试样的极限应变最大，达7.26%，而龄期7、28 d极限应变分别为4.89%、6.11%，极限应变与养护龄期为正相关关系，养护龄期愈长可促进混凝土材料变形能力。从不同龄期试样线弹性变形阶段可知，龄期愈长，线弹性模量愈大。养护龄期50 d试样的线弹性模量为46.6 MPa，而龄期7、14、28 d试样线弹性模量相比前者分别降低了63%、48.3%、35.7%。混凝土养护龄期愈长，试样主骨架与胶凝材料的充分结合降低了混凝土内部孔隙的扩展演变，促使试样脆性变形特征得到加强，因而线弹性模量较高。

图2 养护龄期影响下混凝土应力应变关系

不同龄期混凝土试样抗压强度变化特征，如图3所示。从强度与养护龄期关系可知，两者具有对数函数关系，且为正相关，当养护龄期为7 d时混凝土强度为36.3 MPa，而龄期36、50 d试样强度相比前者分别增大了35.9%、41.5%；从养护龄期促进强度增长幅度来看，龄期7 d与14 d间强度增长了18.6%，而在龄期14 d与28 d间强度增长幅度降低为11.7%，而龄期36 d与50 d间强度增长幅度为4.1%，表明随养护龄期增长，强度增长幅度显著降低。以养护龄期14 d强度增长幅度最大，此可为工程确定最优养护龄期提供参考。

图3 养护龄期影响下混凝土抗压强度特征

2.2 化学凝剂含量

由不同凝剂含量混凝土试样压缩力学数据获得凝剂含量影响下混凝土应力应变，如图4所示。从图4可知，凝剂含量愈大，混凝土试样应力水平愈低。在相同应变1.4%时，凝剂含量2%试样加载应力为52.2 MPa，而含量6%、10%试样加载应力相比前者分别降低了9.2%、29.1%。从凝剂含量对试样承载应力抑制效应可知，化学凝剂含量虽对混凝土材料防渗性具有提升作用，但对承载能力有所削弱。分析认为，这与化学凝剂物质成分有关，凝剂成分主要为粘结性强的人工合成材料物质，添入混凝土试样中后在一定养护龄期内逐步运动到混凝土骨架颗粒的各个孔隙间，虽可拉近孔隙间距离，但由于其强度远低于混凝土自身颗粒材料，因而凝剂含量愈多，愈增大了试样内部承载薄弱面，降低了混凝土承载应力。从变形特征来看，各凝剂含量不同试样的应力应变差异在应力达到37 MPa后才显著，即进入屈服塑性变形阶段后，絮凝剂含量对混凝土试样承载差异性影响较大，这是因为絮凝剂含量在未进入屈服变形阶段前试样具有相同物性。

图4 凝剂含量影响下混凝土应力应变关系

絮凝剂含量对混凝土试样强度影响特性，如图5所示。在养护龄期7 d时凝剂含量2%试样抗压强度为53.8 MPa，而含量4%、8%、10%试样强度相比前者分别降低了4.4%、22%、28.6%；当凝剂含量增大2%，平均可导致混凝土试样强度损失8.1%。龄期增大至14、36 d后，凝剂含量增大2%，强度损失幅度分别为5.6%、3.8%，表明养护龄期增长可削弱化学凝剂成分对混凝土强度的抑制效应。上述数据表明，混凝土强度与絮凝剂含量具有负相关特征，合适的凝剂含量有利于保持强度稳定性。从絮凝剂含量强度损失幅度可知，当凝剂含量超过8%，龄期7 d时凝剂含量10%的试样强度较8%降低了10.4%，而凝剂含量8%以下的试样强度降低幅度并无前者高，从混凝土材料力学稳定性与防渗性考虑，选择凝剂含量8%更有利。

图5 凝剂含量影响下混凝土抗压强度特征

3 混凝土拉伸力学特性分析

不同养护龄期的混凝土试样应力位移特征如图6所示，养护龄期愈大，试样拉伸应力水平愈高。龄期7 d时试样抗拉强度为4 MPa，而龄期14、28、50 d时试样抗拉强度分别是前者的1.12、1.21和1.3倍。对比混凝土抗压强度与抗拉强度差异可知，龄期7 d时试样抗拉强度仅为相同试验参数下抗压强度的10.5%。分析混凝土拉伸力学特性与养护龄期关系可知，混凝土养护龄期愈长，试样间接拉伸强度愈大。从各养护龄期试样峰值拉伸位移可看出，龄期愈长，峰值位移愈小，龄期7 d试样的峰值位移为0.17 mm，龄期增至14、28、50 d后的峰值位移分别为0.13、0.1、0.07 mm，这表明龄期加长混凝土峰值变形能力受到约束作用。

图6 养护龄期影响下混凝土拉伸应力应变关系

混凝土抗拉强度与养护龄期关系如图7所示，单位龄期内强度增长幅度参数η计算公式为：

式中：RT1，RT2分别指T1，T2养护龄期下的抗拉强度（MPa）；T1，T2分别指养护龄期（d）。

从图7可看出，抗拉强度与养护龄期具有对数函数关系，混凝土抗拉强度增长幅度参数以龄期7～14 d为最大，达0.16 MPa/d，龄期14～28 d为0.005 MPa/d，而龄期36～50 d仅为0.002 5 MPa/d；从混凝土试样抗拉强度表现看，可认为龄期14 d最佳。

图7 养护龄期影响下混凝土抗拉强度与幅度参数特征

4 结论

（1）养护龄期与混凝土承载应力关系呈正相关，龄期36、50 d试样强度相比7 d分别增大了35.9%、41.5%，养护龄期14 d强度增长幅度最大；龄期愈长，混凝土极限应变与线弹性模量均愈大，龄期7、14、28 d试样线弹性模量相比50 d分别降低了63%、48.3%、35.7%。

（2）凝剂含量愈大，混凝土试样应力水平愈低，龄期7 d时含量4%、8%、10%试样强度相比含量2%分别降低了4.4%、22%、28.6%；含量增加2%，试样强度平均损失8.1%。但龄期愈大，损失幅度有所降低，且含量8%下强度降低幅度较小；各凝剂不同试样的力学差异在屈服塑性变形阶段较显著。

（3）养护龄期愈大，混凝土拉伸应力愈高，但峰值位移愈小，龄期14、28、50 d试样抗拉强度分别是7 d的1.12、1.21和1.3倍，而相同试验参数下的抗拉强度仅为其抗压强度的10.5%；抗拉强度与养护龄期具有对数函数关系，抗拉强度增长幅度参数以龄期7～14 d为最大。