锦北灌渠混凝土污水环境下干...、冻融交替作用力学试验研究_杨美琪.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.013收稿日期：2022-08-29作者简介：杨美琪（1990-），女，辽宁锦州人，工程师，主要从事灌区建设和管理，E-mail：。锦北灌渠混凝土污水环境下干湿、冻融交替作用力学试验研究杨美琪（凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200）摘要：为研究锦北灌渠工程混凝土在干湿、冻融污水环境下力学特征影响变化，设计开展了污水溶液、物理作用两种因素下的力学试验，并基于试验数据开展了应力应变特征分析。试验表明，不论是干湿或是冻融作用，污水浓度愈高，混凝土承载应力愈弱，但冻融作用下峰值应力受污水浓度影响敏感性更高。改变污水浓度，在干湿作用下应力应变趋势特征具有一致性，但在冻融作用下差异性显著。干湿或冻融交替次数增加，试样峰值应力均下降，在围压30MPa下，交替次数增加2次，干湿、冻融作用下峰值应力分别平均降低了12.3%、20.8%。混凝土受冻融作用影响敏感性高于干湿作用。关键词：混凝土力学试验；锦北灌渠；污水环境；干湿冻融中图分类号：TV41；TV431文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0060-051前言混凝土材料不仅在输水灌渠工程中得到广泛应用1-2，在其他水工建筑中同样具有较重要的地位。研究混凝土材料的力学特征，有助于其在水利工程中的设计应用，推动混凝土材料的应用发展。李刘红等3、石超磊等4为探究混凝土材料力学特性，基于混凝土颗粒类特点，采用PFC等建模方法，研究了混凝土的力学影响特性与微观变化。韩炎5、周官封等6从混凝土的配合比、外加剂、养护条件等因素影响入手，分析砂率、水灰比、掺加剂掺量以及养护龄期等条件对混凝土应力应变的影响，并借助细观试验与宏观力学试验方法，综合评价混凝土设计与其力学性能的关系。混凝土力学水平与温度、湿度等物理环境有关，同样也与冻融、干湿等物理作用环境有关。周欢7、张丽静8、林志远9针对此，设计开展了物理场耦合力学试验，推动混凝土力学研究与实际工程环境更贴合。溶液侵蚀作用对混凝土力学水平也有所影响，因而考虑在锦北输水灌渠实际污水环境下，设计了干湿、冻融两种物理作用，研究在不同物理场下污水侵蚀作用对混凝土力学的影响规律。2研究概况2.1工程概况锦州北部水资源分布不均，根据规划年水资源配置，可知锦北地区水资源总量为1.6亿m3，人均可耗水量低于700 m3，而对于地区农业生产来说，来水保证率95%下，缺水率也可达8%，限制了农业生产效率。为此，锦北地区计划在原有农业灌渠基础上，进一步扩大灌渠输、调水能力，提升地区综合水资源利用水平。根据规划，原锦北灌渠最大输水量可达2 300万m3，干渠全长为90 km，渠底最宽处为2.20 m，延伸有东、西侧干堤。根据对地区干堤水力运营监测分析，表明渠道内存在金属溶液离子污染。干堤坡脚及防护结构等水蚀较严重，全干堤内最大渗透坡降达0.28，干堤内渗流活动较活跃，干堤的危险很大程度都与该活跃渗流有关。有效的防渗措施与干堤结构材料稳定性密不可分。除了锦北灌渠防洪干堤工程，在下游部分灌渠输水节制闸等水工建筑中，同样存在污水侵蚀水工结构的现象。以锦北灌渠干线上的凌海节制闸为例，其渠道净宽为2.30 m，防护层厚度为0.35 m，且设置有复合土工膜防渗结构，但受污水侵蚀影响，部分防护层混凝土材料出现较严重的脱落、物化损伤，不利于两侧渠坡的安全，局部渠段甚至出现潜在失稳滑移面，渠坡硬化层结构受损面较大。据锦北灌渠水力运营调查数据显示，目前干渠工程内出现水蚀面超过50%的渠段长达42 km，水蚀面超过30%的渠段有第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，202260图1力学试验设备60%，干渠的安全运营受到很大考验。从工程实际考虑，锦北灌渠污水具有严重侵蚀作用，一方面开展水污染治理很有必要，但另一方面进行干渠结构材料的防蚀研究也很有必要，尤其应该以干渠混凝土材料为典型。为此，工程部门考虑针对锦北灌渠混凝土材料，开展不同物理环境下污水侵蚀作用对混凝土的力学影响分析，从而为实际工程防蚀除蚀提供依据。2.2试验设计针对锦北灌渠混凝土受污水侵蚀作用影响，设计有冻融、干湿两种物理环境，分析物理场耦合作用下受侵蚀混凝土材料应力变化特征。试验设备如图1所示，为混凝土力学试验常用试验仪器，具有高轴压、低频振动以及高精度特点，最大轴荷达1 200 kN，可满足混凝土材料拉伸、劈裂、常规压缩、剪切等类型的力学试验。该试验设备加载平台内也可适配不同尺寸比试样，包括径高比1/2、1/3或长高比2/1、3/1等，作者试验中所有混凝土试样均采用径高比1/2。三轴试验采用位移控制加载方式，速率为0.04 mm/min，试验中所用位移传感器包括LVDT设备与仪器自带设备，位移控制量程为-1515 mm，所有数据监控均为实时传输，能够实时反映混凝土试样的力学状态。试验前，所有设备均完成误差标定，避免仪器设备误差对试验结果造成干扰。为分析混凝土在不同物理环境下的污水侵蚀影响，从锦北灌渠实地取样污水，测定其含有的硫酸根离子、硅酸根离子等酸性物质，以此为试验溶液蓝本。物理环境选择有干湿、冻融两种，干湿物理作用采用饱和仪与干燥箱图2（a）、（b）进行施加。饱和仪装有相对浓度98%的污水溶液，不论是干燥或饱和，试验时间均为8 h，试验交替次数设定为212次，梯次为2次；试验中污水溶液浓度分别取硫酸根离子浓度100 g/L、120 g/L、140 g/L、160 g/L和180 g/L。冻融物理作用采用低温冻结箱图2（c）进行施加，低温时间控制在8 h，且每个试样在进行低温冻结前，均已在饱和仪内完成饱和，饱和时间不低于4 h，同样融化时间也为8 h，试验中低温温度设定为-30，冻融交替次数同样为212次。试验中混凝土试样取自锦北灌渠桩号12+650渠段，试样保证与工程实际一致，砂率测定为26.2%，含水率为2.5%，单轴抗压强度等级接近C30。试样在室内经车床加工打磨后，制作成直径、高度分别为75 mm、150 mm的试样，表面平整度需满足试验规程要求10。试验方案分为干湿、冻融两组，分别在完成不同物理环境下的水蚀作用后，进行相应的力学试验。三轴试验围压设定有10 MPa、30 MPa，其他变量因素参考物理环境作用，试验方案如表1所列。基于干湿、冻融两种物理环境下的水蚀作用，研究混凝土力学特征影响规律。3干湿物理作用下污水环境混凝土力学特征3.1污水浓度影响基于不同污水浓度下混凝土三轴力学试验，获得了干湿环境下污水浓度对混凝土力学水平的影响，如图3所示。从图3中可知，不论是围压10 MPa或是30 MPa，污水浓度愈大，混凝土应力水平愈低，如围压10 MPa下，应变2%时污水浓度100 g/L试样应力为42.7 MPa，而污水浓度为120 g/L、160 g/L和180 g/L试样在同等变形程度下应力较之前者分别减少了26.4%、61.7%和71.8%。从峰值应力对比亦可知，围压10MPa下污水浓度100g/L试样为43.6MPa，而当污水浓度每递增20 g/L，则试样峰值应力平均图2干湿冻融循环试验装置（a）干燥箱（b）饱和仪（c）低温冻结箱第10期杨美琪：锦北灌渠混凝土污水环境下干湿、冻融交替作用力学试验研究第58卷61削弱了23.0%，当围压增大至30 MPa，试样峰值应力随污水浓度梯次变化，每梯次受削弱幅度为12.6%。由此可知，围压增大时，污水对混凝土试样的侵蚀作用受到抑制，围压效应不仅可以提高混凝土试样承载应力水平，也可以增强混凝土抗污水侵蚀。从应变特征对比来看，在围压10 MPa下，混凝土试样均具有应变硬化特征，峰值应力后均出现了应力下降段，但围压30 MPa下试样具有显著应变软化特点，峰值应力后下降幅度较低。对比围压10MPa、30 MPa在污水浓度140 g/L试样下，应力在峰值后分别降低46.5%、14.9%。同一围压下，峰值应变在各污水浓度试样中分布差异较小，围压10 MPa、30 MPa下分别分布在2.5%、3.5%，污水浓度对应变量值水平影响较小。表1两种物理试验方案参数物理试验类型干湿作用冻融作用硫酸根浓度/（g/L）100120140160180100120140160180交替次数/次2、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、122、4、6、8、10、123.2交替次数影响根据不同干湿交替次数下力学试验数据，获得了同一污水浓度环境下干湿次数对混凝土力学水平的影响，如图4所示。从图4中可以看出，不同交替次数下试样应力应变趋势特征有所差异，在交替次数较低时，混凝土峰值应力后脆性破坏特征显著，具有较快较短的应力应变持续段，而在交替次数较高时，试样峰值应力后往往具有持续性的应变塑性段。另一方面，交替次数愈多，试样峰值应变愈大，围压30 MPa 下交替2次试样的峰值应变为2.8%，而交替10次时峰值应变为3.8%。分析认为，交替次数愈多，混凝土受干湿作用影响，内部颗粒骨架受污水侵蚀作用，骨架松动性以及承载稳定性均降低，具有较强的塑性承载应变11。从峰值应力对比来看，围压30 MPa下交替2次时试样为79.8 MPa，而交替4次、8次和12次时试样峰值应力较之分别减少了 12.9%、32.0%和 48.1%。当干湿作用每递增2次，试样峰值应力平均减少了12.3%。当围压为10 MPa时，峰值应力整体较围压30 MPa下减少了48.9%61.2%。同时，围压效应也减弱了干湿循环对承载应力的负面影响，围压10MPa下峰值应力随干湿2梯次的变化，具有平均降幅16.9%。由干湿作用影响可知，灌渠混凝土在污水环境下，应避免混凝土处于干湿交替环境，减少2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷浓度100 g/L浓度120 g/L浓度140 g/L浓度160 g/L浓度180 g/L（a）围压10 MPa50403020100承载应力/MPa012345应变/%（b）围压30 MPa9075604530150承载应力/MPa01234567应变/%浓度100 g/L浓度120 g/L浓度140 g/L浓度160 g/L浓度180 g/L图3污水浓度对混凝土力学性能的影响62混凝土受干湿侵蚀影响。4冻融物理作用下污水环境混凝土力学特征同理，根据冻融物理环境下混凝土力学试验，获得了冻融作用下污水浓度、交替次数对混凝土力学水平的影响，如图5所示。从图5（a）中污水浓度影响变化可知，与干湿交替下不同的是，各污水浓度试样应力应变趋势特征具有显著差异性，污水浓度较大时，试样具有应变硬化特征，而在较低浓度时，试样峰值应力后出现典型应力下降段。在围压10 MPa下，污水浓度与承载应力为负相关关系，当污水浓度每递增 20 g/L，其峰值应力平均下降14.6%，较之干湿物理环境下，冻融环境对混凝土试样损伤作用更大8，12，污水侵蚀对承载应力削弱较多。相比之下，在不同冻融交替次数下混凝土试样应力应变特征具有趋势一致性，围压30 MPa下各试样峰值应变、峰后应力特征等均具有相似性，当交替次数愈多，试样峰值应力愈低，交替2次时试样峰值应力为77.1 MPa，而交替4次、12次时试样峰值应力较之前者分别减少了15.8%、61.1%。当冻融交替梯次变化时，试样峰值应力平均降低了20.8%。对比干湿交替作用，冻融交替作用次数对混凝土承载应力影响较大。分析认为，锦北灌渠输水灌渠运营期，不仅需要考虑干湿污水环境影响，同样也需考虑低温环境影响，此类影响将造成不可逆的承载损伤13。5结论（1）干湿作用下，污水浓度愈高，混凝土承载应力愈低，围压10 MPa与30 MPa下，随污水浓度每梯次 20 g