高滲透孔隙水氣壓水泵的試驗(yàn)研究

高滲透孔隙水氣壓水泵的試驗(yàn)研究

隨著我國(guó)節(jié)水水電工程規(guī)模的擴(kuò)大，水庫(kù)的高度不斷增加，水庫(kù)的高度超過(guò)300米。這些混凝土水庫(kù)的局部承受著巨大的洪水。由于施工或服役期荷載作用,混凝土內(nèi)部不可避免存在微觀孔隙和斷續(xù)裂紋。從細(xì)觀層次講混凝土屬于一種孔隙材料,當(dāng)混凝土外表面施加壓力水時(shí),自然地由混凝土表面到內(nèi)部產(chǎn)生一定的水力梯度,形成滲流場(chǎng)。壓力水在微裂紋內(nèi)運(yùn)動(dòng),給裂紋的表面施加面力荷載,產(chǎn)生了劈裂力,相當(dāng)于楔體的“楔入”作用,加速了混凝土微裂紋的擴(kuò)展和貫通。隨著微裂紋面積的增大,外界水通過(guò)表面裂紋滲入到混凝土內(nèi)部的阻力減小,加速了水的進(jìn)入及裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,裂紋的擴(kuò)展又引起滲透系數(shù)的增大,水的入滲加快,對(duì)混凝土來(lái)說(shuō),形成惡性循環(huán)。同時(shí),由于混凝土中水的存在,一定程度上還會(huì)降低混凝土裂紋的表面能[3―4]。這種惡性循環(huán)必然造成混凝土的力學(xué)性能惡化。自由水對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了不少工作,已有試驗(yàn)研究表明[5―8],隨著混凝土內(nèi)部濕度的增加,混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度都將降低,即飽和混凝土強(qiáng)度要比干燥混凝土強(qiáng)度低。不同含水量的混凝土強(qiáng)度又與加載率有關(guān)[9―10]。文獻(xiàn)[11―13]中側(cè)重研究濕態(tài)或飽和混凝土的抗拉力學(xué)性能,對(duì)混凝土的受壓性能沒(méi)有進(jìn)行探討。文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)研究了水荷載直接作用于混凝土三軸試件外部,研究水對(duì)混凝土多軸強(qiáng)度的影響,揭示了水下混凝土的多軸靜態(tài)力學(xué)性能,并基于混凝土內(nèi)部孔隙水壓力和外部水荷載的相互作用機(jī)理,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步解釋,但卻未能充分考慮水在混凝土內(nèi)部的滲流時(shí)間因素。文獻(xiàn)通過(guò)理論分析,研究孔隙水壓對(duì)濕態(tài)混凝土強(qiáng)度的影響,與干燥態(tài)的混凝土相比,濕態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。本文結(jié)合高壩混凝土在水中工作的環(huán)境,通過(guò)對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊外圍施加高壓水,形成滲透作用,重點(diǎn)研究不同外界水壓、不同作用時(shí)間、不同最大骨料粒徑對(duì)C15和C20等級(jí)混凝土的力學(xué)特性影響,以揭示高滲透孔隙水在混凝土內(nèi)滲透過(guò)程對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律,為高壩環(huán)境局部混凝土的承載力分析提供理論基礎(chǔ)。1試驗(yàn)計(jì)劃和方法1.1混凝土骨料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的方差分析法考慮到混凝土強(qiáng)度影響因素較多,高滲透孔隙水壓帶來(lái)的強(qiáng)度變化量與其它因素存在交互效應(yīng),因此試驗(yàn)中除考慮外界水壓因素外,還考慮了混凝土本身強(qiáng)度等級(jí)、最大骨料粒徑,以及水壓作用的時(shí)間4個(gè)因素。試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,以減少試驗(yàn)的組數(shù),同時(shí)采用正交試驗(yàn)極差和方差分析法檢驗(yàn)各因素的顯著性。由此,抗壓強(qiáng)度、彈性模量、含水量以及聲速試驗(yàn)中外界水壓分別取0.5MPa、1.0MPa、1.3MPa、1.5MPa、1.8MPa、2.0MPa、2.5MPa七個(gè)因素水平,外界水壓作用時(shí)間分別取24h、36h、48h、72h四個(gè)因素水平,混凝土骨料最大粒徑取40mm、60mm兩個(gè)因素水平,混凝土等級(jí)分別取C15和C20兩個(gè)級(jí)別,按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法擬定試驗(yàn)組數(shù)為28組?？估瓘?qiáng)度試驗(yàn)中外界水壓分別取0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa三個(gè)因素水平,時(shí)間分別取24h、48h兩個(gè)因素水平,骨料粒徑和混凝土等級(jí)與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同,按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法擬定試驗(yàn)組數(shù)為9組。1.2壓力罐試驗(yàn)及結(jié)果為了模擬高壩環(huán)境下混凝土在滲透孔隙水壓作用下?lián)p傷破壞,又限于室內(nèi)試驗(yàn)條件,混凝土試件采用150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,并嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試件的澆筑、養(yǎng)護(hù)及強(qiáng)度測(cè)定等參數(shù)的測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備如圖1示。該裝置由3部分組成:第1部分是加壓設(shè)施;第2部分是恒壓水罐;第3部分是管路系統(tǒng)。通過(guò)壓力氣瓶出口自平衡式減壓表維持壓力罐中氣體壓力,從而產(chǎn)生恒定的水壓。試驗(yàn)用試件每組6塊平行試件,在相同養(yǎng)護(hù)條件——標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后,取出3個(gè)試件后立即浸沒(méi)于恒壓罐的水內(nèi),并通過(guò)特制的恒定加壓設(shè)備施加水壓。平行的另3個(gè)試件仍放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。待達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間后把試件從恒壓罐中取出,擦凈表面明水,立即測(cè)定其強(qiáng)度。同時(shí),把另3塊試件從養(yǎng)護(hù)室中取出,測(cè)定其強(qiáng)度,并與恒壓罐中的試件作比較?？估瓘?qiáng)度按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》推薦的劈裂法測(cè)定,彈性模量在抗壓和抗拉過(guò)程中由壓力機(jī)自動(dòng)測(cè)試并計(jì)算(該方法并不符合規(guī)程規(guī)定的彈性模量測(cè)試方法,本文的測(cè)試值僅為規(guī)程規(guī)定測(cè)試方法的近似值)。試驗(yàn)中,試件在壓力水中浸入前后采用混凝土超聲波儀測(cè)定其聲速、含水量的變化。超聲波測(cè)試中,試件澆筑方向側(cè)相對(duì)面均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次,按規(guī)程處理數(shù)據(jù)。1.3相對(duì)滲透系數(shù)測(cè)定混凝土等級(jí)按照混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行試拌調(diào)整進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。并進(jìn)行了不同等級(jí)、不同最大粒徑的相對(duì)滲透系數(shù)測(cè)定。試驗(yàn)用水泥為冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌32.5R普通硅酸鹽水泥,砂石料采用渭河的砂及粗骨料,砂的細(xì)度模數(shù)為2.43。不同等級(jí)的混凝土配合比及滲透特性見(jiàn)表1。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1土彈性模量影響標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量與經(jīng)過(guò)孔隙水壓作用后混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。損失率定義為試件在浸入壓力水前后強(qiáng)度或彈性模量差值與加壓前值的比。由于條件限制,混凝土內(nèi)部的孔隙水壓很難測(cè)定,以外圍水壓間接反映混凝土內(nèi)部的孔隙水壓。另外,試驗(yàn)中所使用的壓力機(jī)彈性模量測(cè)定部分傳感器未標(biāo)定,得到的混凝土彈性模量絕對(duì)值與真實(shí)值之間存在差異,但不影響其規(guī)律性研究。從表2直觀地可以看出,不管是抗壓強(qiáng)度還是抗壓彈性模量,經(jīng)歷了一定時(shí)間的壓力水作用后,也就是說(shuō)在混凝土內(nèi)部的孔隙水壓作用后,其值均出現(xiàn)不同程度的下降,產(chǎn)生了損傷。應(yīng)用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差和方差分析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析可以得到,高滲透孔隙水壓對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量影響的因素順序?yàn)?外界水壓-粒徑-混凝土等級(jí)-時(shí)間,而且外界水壓的影響極為顯著。忽略時(shí)間因素后,其他3個(gè)因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量的損失規(guī)律見(jiàn)圖2和圖3。從圖2和圖3可以看出,隨著外界水壓,即孔隙水壓力的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的損失率也逐漸增大,近似成直線關(guān)系(圖2和圖3中個(gè)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大),最大損失率分別為32.6%和34.7%,均出現(xiàn)在外界水壓為2.5MPa試驗(yàn)中。對(duì)于相同等級(jí)的混凝土和孔隙水壓而言,骨料最大粒徑越大,其損失率就越大,這說(shuō)明骨料粒徑越大,在骨料的下部形成的裂隙就越多,其滲透性就越大,這點(diǎn)與混凝土的細(xì)觀分析結(jié)論吻合;相同骨料最大粒徑的孔隙水壓前提下,混凝土強(qiáng)度等級(jí)越小,其損傷值越大。2.2高滲透孔隙水壓試驗(yàn)結(jié)果抗拉強(qiáng)度及抗拉彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出,混凝土試件經(jīng)歷了一定時(shí)間的滲透水壓作用后,其抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量出現(xiàn)不同程度的損失。最大抗拉強(qiáng)度相對(duì)損失率為28.7%,出現(xiàn)在外界水壓為1MPa、作用時(shí)間72h、混凝土等級(jí)C20、最大骨料粒徑40mm情況;最大抗拉彈性模量相對(duì)損失率為29.6%,出現(xiàn)在外界水壓為1.5MPa、作用時(shí)間72h、混凝土等級(jí)C15、最大骨料粒徑60mm情況。在相同混凝土等級(jí)和最大骨料粒徑的前提下,外界水壓越大,相對(duì)損失值越大。但在相同外界水壓的前提下,對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量損失值大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的損失程度。同樣,應(yīng)用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差和方差分析對(duì)表3試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步處理可以得到,高滲透孔隙水壓對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量影響的因素順序?yàn)?外界水壓-粒徑-時(shí)間-混凝土等級(jí),而且外界水壓的影響極為顯著。時(shí)間因素影響的顯著性稍大于混凝土等級(jí),這與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果稍不同。2.3抗壓強(qiáng)度測(cè)試混凝土是一種多孔介質(zhì),當(dāng)其置于壓力水中,必然產(chǎn)生試件內(nèi)外壓力差,形成滲流場(chǎng)。在高孔隙水壓作用下極易產(chǎn)生水力劈裂破壞,致使微裂紋或孔隙擴(kuò)展,被水充滿,所以含水量的變化一定程度反映了高孔隙水的水力劈裂破壞程度。對(duì)用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試的28組試件在浸入壓力水前后進(jìn)行質(zhì)量稱重,其差值與加壓前試件的質(zhì)量比隨外界水壓的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。從圖4可以看出,含水量的相對(duì)變化規(guī)律基本與強(qiáng)度變化規(guī)律吻合。含水量相對(duì)值隨外界水壓增大總體趨勢(shì)是增大的,在外界水壓為2.5MPa時(shí),相對(duì)含水量增大最多。但對(duì)于C20、最大骨料粒徑為40mm的這組試驗(yàn)結(jié)果卻較2.0MPa時(shí)減小,分析其原因是混凝土試塊的澆筑密實(shí)度不同造成的。2.4混凝土的波速c混凝土內(nèi)部的微裂隙和孔隙的變化,以及是否被水填充均會(huì)引起聲速的變化,故采用混凝土超聲波儀測(cè)定混凝土在高孔隙水壓作用前后聲速的變化規(guī)律。同樣,對(duì)用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試的28組試件在浸入壓力水前后進(jìn)行超聲波測(cè)試,聲速變化相對(duì)于未加壓前的相對(duì)變化值見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,隨著孔隙水壓的增大,混凝土的聲速表現(xiàn)出波動(dòng)性。對(duì)于C15混凝土來(lái)說(shuō),隨外界水壓增大波速增大,1.3MPa時(shí)反而下降;而最大骨料粒徑為60mm的試件,在外界水壓為2.5MPa時(shí),波速出現(xiàn)較大幅度減小,說(shuō)明水力劈裂破壞較為嚴(yán)重。對(duì)于C20混凝土在開(kāi)始波速是下降的,當(dāng)外界水壓增大到1.0MPa,則出現(xiàn)波速增大,說(shuō)明此時(shí)內(nèi)部的一部分孔隙被水填充。這種波動(dòng)性變化主要隨混凝土孔隙被水填充,裂隙的擴(kuò)展呈波動(dòng)性。因?yàn)榛炷林械目紫侗凰畛?波速增大,但隨著孔隙水壓的增加,混凝土中的裂紋逐漸擴(kuò)展,孔隙率的增大,其波速反而出現(xiàn)下降。通過(guò)混凝土試件施加孔隙水壓前后的含水量和聲速的變化規(guī)律進(jìn)一步反映了高孔隙水壓作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的損傷過(guò)程。3混凝土配合性(1)隨著滲透孔隙水壓的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低,其損失率逐漸增加。其中外界水壓(孔隙水壓)、粒徑和