河道護坡材料水工混凝土力學與透水性影響因素分析研究

劉建祖

(江西省宜春市袁州區(qū)水利局，江西 宜春 336000)

1 引言

水利工程中混凝土材料應用范圍較廣，研究最適合工程的混凝土配合比參數(shù)對最大化利用混凝土性能具有重要作用[1-3]。田豐[4]、劉璇等[5]、張厚雷[6]利用顆粒離散元仿真平臺，模擬單、三軸條件下混凝土試樣加載破壞過程，研究混凝土力學特征與配合比設計參數(shù)之間的關系。雖顆粒離散元仿真計算平臺較為高效，但由于模擬工況與實際工程存在差異，且顆粒流模型與實際試樣區(qū)別性較大，對混凝土試樣的力學特征影響效應亦有較大差異，因而一些學者利用現(xiàn)場監(jiān)測儀器或原位試驗，對混凝土試樣強度變形或滲透特征開展現(xiàn)場實測，為工程準確應用混凝土材料提供重要參考[7-9]。實質(zhì)上，與巖土體材料類似，在室內(nèi)利用精密實驗儀器，設計滲流試驗或力學試驗，測定混凝土試樣力學特征參數(shù)，分析力學參數(shù)與配合比參數(shù)之間關系，為評價混凝土配合比參數(shù)影響性提供依據(jù)[10-12]。本文設計開展水工混凝土單、三軸加載破壞室內(nèi)試驗。

2 試驗介紹

2.1 工程背景

為保護河流流經(jīng)區(qū)域的水利工程以及生活設施安全性，設計對河道兩側岸坡開展除險加固設計，該河流流域面積超過200 km2，與所連接的抽水泵站、蓄水設施等一起承擔著區(qū)域內(nèi)水資源中轉調(diào)度、防洪發(fā)電等重要作用。岸坡工程所在區(qū)段內(nèi)堤防工程設計頂部高程為35.6 m，寬度為3.6 m，以砂土料、粉質(zhì)壤土等作為堆筑料，分層堆筑構建起堤防工程，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明堤防工程豎向最大沉降不超過6 mm，兩側岸坡坡度均為1/1.5，無顯著危險滑移面，但由于水流侵蝕作用，水土流失較嚴重，特別是在堤底區(qū)域，此對岸坡長期穩(wěn)定性乃是較大考驗，堤防工程岸坡斷面圖見圖1。由于夏季降雨等影響，河道上游水位局部流量常高于50 m3/s，導致下游防洪壓力較大，堤防工程設計為10 a一遇洪峰流量51.6 m3/s，研究區(qū)域內(nèi)所建設的堤防工程全長1800 m，以防滲墻以及止水面板構建起完善的防滲系統(tǒng)，設計防滲墻厚度為60 cm，插入基巖深度1.8 m，全堤防工程共有12處防滲墻結構，最大滲透坡降僅為0.3，雖堤防滲流場穩(wěn)定性較好，但在區(qū)段部分岸坡內(nèi)由于土質(zhì)松動，導致坡身受到較大沖擊影響，為此，考慮對區(qū)段內(nèi)岸坡坡身開展加固處理。工程部門考慮采用水工混凝土作為岸坡坡身固結材料，噴射至坡身，減緩岸坡土體受水流動力影響，但由于所采用的水工混凝土材料配合比對力學、滲透特性均有較大影響，設計最佳混凝土配合比參數(shù)對提升混凝土力學穩(wěn)定性以及防滲能力具有較大正向作用。綜上可知，研究工程所用水工類混凝土材料力學以及透水特性影響因素對設計最佳配合比具有較大幫助，故本文借助室內(nèi)試驗手段，開展配合比參數(shù)因素對水工混凝土材料力學以及透水特性影響變化規(guī)律。

圖1 河道堤防護坡斷面圖

2.2 試驗概況

針對力學穩(wěn)定性以及透水特性，分別開展單軸壓縮破壞以及透水試驗，其中單軸壓縮試驗采用常規(guī)巖石力學實驗室內(nèi)的TAW-500型伺服式液壓控制試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)采用液壓程序控制，該實驗室可滿足巖石或混凝土基本力學試驗，包括有加載系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TAW-500型加載系統(tǒng)最大軸向荷載可達500 kN，加載方式可采用力控與變形控制兩種方式，其中力控最大速率可達80 kN/min，變形控制最大速率為4 mm/min。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器監(jiān)測部分與數(shù)據(jù)自動處理部分，傳感器監(jiān)測內(nèi)容包括有軸向變形、環(huán)向變形以及體積變形監(jiān)測部分，軸向變形傳感器量程為-10 mm～10 mm，環(huán)向變形傳感器監(jiān)測最大值可達15 mm，所有監(jiān)測傳感器在試驗前均有專業(yè)試驗人員標定處理，最大誤差不超過0.5%；數(shù)據(jù)自動處理部分以每間隔0.5 s進行自動繪圖，可全程實時讀取試樣加載過程中應力變形狀態(tài)。透水試驗采用簡單透水裝置，以滲透壓頭以及滲透時間作為衡量計算滲透系數(shù)的重要參數(shù)，每次數(shù)據(jù)采集間隔均為1 s，監(jiān)測混凝土試樣透水變化。

本實驗中水工混凝土力學以及透水特性配合比參數(shù)影響因素主要以外摻量為主，其中根據(jù)實際工程中所添加的硅質(zhì)摻量以及礦渣摻量作為研究對象，試驗研究參數(shù)范圍以實際工程中所涉及到的開展對比試驗。試驗對比組中硅質(zhì)摻量分別設定為0%、4%、8%、12%，礦渣摻量研究組中分別設定為6%、12%、18%、24%、30%、36%，每個試樣組中均是以單一變量因素作為研究對象，所制作的試樣見圖2，原材料試樣中水灰比為0.36，砂率為29%，坍落度65 mm，尺寸標號為150 mm，養(yǎng)護28 d，試樣具體實驗方案見表1。

表1 試驗具體方案

圖2典型試樣圖

3 硅質(zhì)材料摻量對水工混凝土力學與透水性影響

3.1 力學特性

經(jīng)單軸試驗獲得不同硅質(zhì)摻量下水工混凝土應力應變曲線，見圖3。從圖3可看出，硅質(zhì)摻量愈多，則混凝土加載應力水平愈高，當應變同為1%時，硅質(zhì)摻量0%試樣的應力為1.18 MPa，而硅質(zhì)摻量為4%、8%、12%的混凝土加載應力相比前者分別增大了1倍、2.9倍、9.6倍。分析認為，當水工混凝土配合比參數(shù)中硅質(zhì)摻量增大，則試樣內(nèi)部更具有較多硅灰元素，其具有的鈣質(zhì)等水堿性化合物與水結合，可產(chǎn)生固態(tài)膠結物質(zhì)，一定程度上可填補水工混凝土顆粒骨架微小孔隙中，提升顆粒骨架完整性，促進混凝土試樣承載能力提升；除此之外，當愈多的硅質(zhì)摻量存在于水工混凝土內(nèi)部，粗細骨料與膠凝材料的結合程度以及接觸面愈廣，提升了顆粒骨架的整體粘結性，亦可體現(xiàn)處混凝土承載水平增大[13]。從單軸變形特征來看，硅質(zhì)摻量與水工混凝土試樣的脆性變形能力有關，且硅質(zhì)摻量愈大的混凝土試樣脆性變形特征更強，峰值應力后應力下降幅度愈大，峰值應變點愈小，硅質(zhì)摻量為0%、4%、8%、12%四個試樣的峰值應變分別為5.54%、4.31%、3%、2.2%，其中硅質(zhì)摻量0%試樣峰值應力后應力下降幅度僅為11%，而摻量12%試樣應力下跌幅度超過72.5%，表明硅質(zhì)摻量雖可提升混凝土承載能力，但也促進了試樣脆性變形破壞發(fā)展的趨勢。

圖3 不同硅質(zhì)摻量下水工混凝土應力應變曲線

圖4為硅灰摻量對混凝土抗壓強度影響特征曲線。從圖4可知，抗壓強度與硅灰摻量為正向促進關系，礦渣摻量均為6%的試驗組中，硅灰摻量0%試樣抗壓強度為16.53 MPa，而硅灰摻量4%、8%、12%試樣的抗壓強度相比前者增大了16.1%、38.4%、53.7%，當?shù)V渣摻量增大至24%后，各硅灰摻量不同的試樣間抗壓強度幅度差異基本無顯著變化，即混凝土礦渣含量并不影響硅灰摻量對混凝土強度能力的影響；當混凝土配合比參數(shù)中硅質(zhì)摻量增大4%，抗壓強度平均增大了15.5%。

圖4 不同硅灰摻量下混凝土抗壓強度

3.2 透水特性

圖5為透水性試驗后整理獲得的不同硅灰摻量混凝土試樣透水系數(shù)變化曲線。從透水系數(shù)變化可知，硅灰摻量有抑制水工混凝土透水性的作用，礦渣摻量6%試驗組中，在硅質(zhì)摻量0%時混凝土透水系數(shù)為4.261 mm/s，而硅灰摻量增大至8%、12%后，透水系數(shù)相比之降低了17.6%、21.4%；從數(shù)學函數(shù)關系來看，水工混凝土透水系數(shù)與硅質(zhì)摻量具有二次函數(shù)關系。從透水系數(shù)變化規(guī)律可知，當硅質(zhì)摻量愈多，愈會堵塞透水通道，降低水工混凝土內(nèi)部水流活躍性，此實質(zhì)上與硅質(zhì)物理化學性質(zhì)有關，當硅質(zhì)與混凝土膠凝材料結合，不僅僅會降低混凝土孔隙度，也會降低混凝土內(nèi)部細小顆粒的流動性，增大顆粒骨架整體對水流通道的“抵抗性”，故表現(xiàn)透水系數(shù)較低的現(xiàn)象。

圖5 不同硅灰摻量混凝土試樣透水系數(shù)

4 礦渣摻量對水工混凝土力學與透水性影響

4.1 力學特性

同理獲得不同礦渣摻量下水工混凝土應力應變曲線，見圖6。從圖6可看出，礦渣摻量對混凝土應力影響存在拐點，當?shù)V渣摻量在30%以內(nèi)時，混凝土應力水平隨礦渣摻量為遞增特征，當?shù)V渣摻量超過30%后，應力水平隨礦渣摻量有遞減態(tài)勢，當處于相同應變1.2%時，礦渣摻量6%對應的應力為1.84 MPa，而礦渣摻量18%、30%相同條件下的應力相比前者分別增大了4.2倍、6倍，但礦渣摻量36%應力水平相比摻量30%時卻降低了22.8%。當?shù)V渣存在于混凝土內(nèi)部后，可與水泥等膠凝材料形成良好的固結狀態(tài)，減少混凝土內(nèi)部孔隙，提升整體承載穩(wěn)定性，另一方面礦渣內(nèi)部所具有的鋁化物可與水泥漿液結合，增強顆粒間粘結性，減少初始裂隙的發(fā)育，亦是可提升混凝土承載能力[14-15]。當?shù)V渣摻量超過30%后，此時礦渣成分可結合的混凝土自由水較少，無法進一步提升混凝土內(nèi)部漿液流動性，導致顆粒骨架粘結性大大降低，進而表現(xiàn)在承載能力水平降低的現(xiàn)象，就本文試驗結果表明當?shù)V渣摻量在30%時混凝土應力效果最佳。從峰值應變來看，礦渣摻量30%試樣的應變?yōu)?.4%，乃是四個試樣中最低者，其中峰值應變一定程度上反映了試樣整體變形趨勢和能力，從力學曲線亦可知，在摻量影響拐點以下時，礦渣摻量有助于提升混凝土試樣線彈性變形能力，摻量6%時試樣的線彈性模量為3.5 MPa，而摻量18%、30%試樣線彈性模量相比之增大了1.12倍、2.66倍，但在摻量36%后線彈性模量有所降低，其中摻量36%試樣的線彈性模量相比摻量30%時降低了19.9%，綜上表明礦渣摻量有助于提升混凝土線彈性變形能力，但超過礦渣摻量影響節(jié)點后，對線彈性模量具有抑制效應。

圖6 不同礦渣摻量下水工混凝土應力應變曲線

圖7為抗壓強度隨礦渣摻量變化曲線。從圖7強度曲線可知，各硅質(zhì)摻量試驗組中，抗壓強度隨礦渣摻量為先增后減變化，其中在硅質(zhì)摻量8%試驗組中，礦渣摻量6%的抗壓強度為22.88 MPa，而礦渣摻量為18%、30%試樣的抗壓強度相比前者增大了40.6%、90%，但摻量36%后抗壓強度相比之摻量30%時又降低了13.1%；從降低幅度來看，各硅質(zhì)摻量試驗組試樣間抗壓強度變化幅度無顯著差異，硅質(zhì)摻量8%試驗組中，在礦渣摻量力學特征影響拐點之前，當摻量增大6%，強度增長幅度平均約為17.5%，而在此之后，礦渣摻量繼續(xù)增大6%，強度損耗幅度為13.1%。

圖7 抗壓強度隨礦渣摻量變化

4.2 透水特性

圖8為不同礦渣摻量下混凝土試樣的透水系數(shù)變化曲線。從圖8可知，透水系數(shù)隨礦渣摻量變化并無顯著一致性變化特征，表明礦渣摻量對混凝土透水系數(shù)無顯著性影響，硅質(zhì)摻量8%試驗組中最大滲透系數(shù)為3.69 mm/s，屬礦渣摻量30%，當?shù)V渣摻量增大6%，混凝土透水系數(shù)最大變化幅度僅為4.4%，該試驗組中混凝土試樣的透水系數(shù)分布在3.5 mm/s～3.7 mm/s。綜上分析可知，設計混凝土配合比時，礦渣摻量僅需考慮其對混凝土承載強度影響，透水性影響基本可忽略。

圖8 不同礦渣摻量下混凝土透水系數(shù)

5 結論

(1)硅質(zhì)摻量與混凝土加載應力水平以及脆性變形能力均具有正相關關系，硅灰摻量4%、8%、12%試樣的抗壓強度相比摻量0%試樣增大了16.1%、38.4%、53.7%，且礦渣含量并不影響硅灰摻量對混凝土強度能力的影響，硅質(zhì)摻量增大4%，抗壓強度平均增大了15.5%。

(2)硅灰抑制水工混凝土透水性，硅灰摻量8%、12%下混凝土透水系數(shù)相比摻量0%降低了17.6%、21.4%，且混凝土透水系數(shù)與硅質(zhì)摻量具有二次函數(shù)關系。

(3)礦渣摻量對混凝土應力影響存在拐點，為摻量30%，礦渣摻量0～30%以內(nèi)時，混凝土承載力隨摻量為遞增，礦渣摻量增大6%，抗壓強度平均增長17.5%，而摻量超過30%后，承載力隨礦渣摻量為遞減，摻量增大6%，強度平均損耗13.1%。

(4)礦渣摻量對混凝土透水系數(shù)無顯著性影響，硅質(zhì)摻量8%試驗組中礦渣摻量增大6%，混凝土透水系數(shù)最大變化幅度僅為4.4%，該組中礦渣摻量在6%～36%下的透水系數(shù)分布在3.5 mm/s～3.7 mm/s。