不同渠深混凝土衬砌材料在冻融下的性能劣化研究.pdf
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1、第 卷 第期宁夏大学学报(自然科学版)年月V o l N o J o u r n a l o fN i n g x i aU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u n 文章编号:()不同渠深混凝土衬砌材料在冻融下的性能劣化研究王斌,彭立国,苗福生,马伟虎,毛诚安(宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川 ;旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川 ;宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川 )摘要:模拟衬砌渠道水深及季节性冻融工况,设置冻融实验,研究不同水深混凝土衬砌材料冻融后的力
2、学性能变化结果表明,随着冻融次数的增加,混凝土的表观损伤严重、渗入的水分质量变化显著,混凝土的抗压强度和劈裂拉强度降幅较大;随着水深的增加,混凝土的抗压、抗拉应力峰值均有不同程度的降低,微观裂缝由 m扩展至 m,微观结构破坏严重方差及线性回归拟合方程分析结果显示,水深和冻融次数对混凝土力学性能劣化的影响,F()F (,),显著性明显,与实验数据的拟合度均在 以上,且表现为明显的线性关系关键词:衬砌渠道;不同水深;冻融循环;力学性能;劣化影响分类号:(中图)TU ;T V 文献标志码:A收稿日期:基金项目:宁夏自然科学基金资助项目(AA C );宁夏重点研发(引才专项)基金资助项目(B E B
3、,B E B );宁夏高等学校一流学科建设基金资助项目(N X Y L X K A )作者简介:王斌(),男,教授,博士,主要从事输水结构防冻技术与应用研究,(电子信箱)p c_w b p c c o m中国水资源的时空分布不均衡,北方地区农业生产对灌溉的依赖程度较高,输配水管网是该地区农业持续发展且拥有充沛水资源的基础北方地区冬季漫长,昼夜温差大的特点尤为显著在冬季,由于衬砌渠道中的含水量存在明显的变化,温度差致使混凝土衬砌材料在反复冻融后出现性能劣化和冻融破坏的问题,从而影响输水渠道的耐久性,这是北方地区输水渠道存在的主要问题对于混凝土衬砌渠道的冻胀破坏问题,众多学者对衬砌渠道做了针对性的
4、研究:姜海波等总结了渠基土造成的衬砌渠道冻胀、变形及其变化规律肖旻等通过实验发现地下水位是衬砌渠道破坏的主要因素王正中等研究太阳辐射对衬砌渠道的冻胀影响 B o o n e等研究温度变化对衬砌渠道的影响规律 陈瑞考等研究冬季供水期渠内水对衬砌渠道冻胀情况的影响 这些研究均基于外部因素对混凝土衬砌渠道的冻胀破坏问题进行研究,忽视了混凝土衬砌材料在冬季停水后处于自然条件下的冻融破坏问题冻融循环会造成混凝土孔隙水不断地冻结消融,使其内部产生残余变形并导致裂缝的发展 于是,W a n g等研究不同强度混凝土对衬砌渠道开裂冻胀力的影响 方小婉等通过实验得出粉煤灰和矿渣混合物可提高衬砌渠道抗渗性能的结论
5、董伟等得出轻骨料混凝土衬砌材料优于普通混凝土衬砌材料的结论 随着运行年限的增加,衬砌渠道混凝土的力学性能劣化,混凝土衬砌的承载能力降低,这是渠道被破坏的主要原因在输配水过程中,渠深不同(图中A,B,C点),混凝土受到的水压力亦不同,因此混凝土的渗透性及吸水量存在差异同时,混凝土受到季节性冻融影响,衬砌渠道处于反复低温冻结状态,随着渠道使用时间的增加,混凝土的性能也随之劣化笔者模拟衬砌渠道水深及季节性冻融工况,针对季节性冻胀地区输水渠道在冬灌结束后混凝土衬砌材料处于饱水状态且反复冻融下的性能进行研究,可为进一步开展衬砌渠道抗冻性能的理论分析及数值研究提供参考HRABC图不同渠深位置 实验及分析
6、试样的制备依据 水工混凝 土 施 工 规 范(D L/T 宁夏大学学报(自然科学版)第 卷 ),参考宁夏地区混凝土衬砌材料要求,推导计算出该实验中宁夏灌区混凝土衬砌材料的配合比水泥为宁夏赛马牌 级普通硅酸盐水泥;粗骨料为宁夏镇北堡地区人工碎石(粒径为 mm);中砂是当地的水洗砂;减水剂为 的高性能粉末状聚羧酸水与胶的质量比为,砂的质量分数为 材料用量见表表混凝土衬砌材料的配合比材料/(k gm)水泥 水 砂 石子 减水剂 将经搅拌、成型和脱模后的混凝土放入标准养护室内养护 d,再放入()水中浸泡d,使试件处于饱和状态 试件达到 d龄期时,依据大气条件下温度(),使用高低温冻融设备分别进行,次冻
7、融循环实验;依据不同衬砌渠道设置不同的水深,试件经 次冻融循环后放置于对应渠深,m的水中浸泡试件达到饱和后继续冻融,并对浸泡后与冻融后试件称重冻融循环实验结束后,考察不同条件下混凝土中水分的变化,混凝土的力学性能、微观裂缝变化与发展情况 在冻融下的表观特征随着水深的增加,混凝土表面略有微孔洞(图 a),但整体平整,裂缝数量增加不多;随着冻融次数的增加,混凝土表面粗糙程度愈发严重(图 b),出现的孔洞、裂缝也随之增多,水泥浆剥蚀现象逐渐加剧因此,对于混凝土的表观变化,冻融次数的影响大于水深的影响0 m1 m50!125!a=!$,Bb$=!,B图混凝土衬砌材料在水深及冻融条件下的表观特征 在冻融
8、下的力学性能由不同水深与不同冻融次数下混凝土抗压应力应变曲线(图)和抗拉应力应变曲线(图)可知,随着水深和冻融次数的增加,曲线的斜率逐渐减小,峰值应力逐渐减小随着水深的增加,混凝土的抗压应力峰值降幅分别为 ,;随着冻融次数的增加,混凝土的抗压应力峰值降幅分别为 ,;而混凝土的抗拉应力峰值在水深因素影响下的降幅分别为 ,混凝土的抗拉应力峰值 在 冻 融 因 素 影 响 下 的 降 幅 分 别 为 ,123001020304050/MPa/103 0 m 0.25 m 0.75 m 1.0 m1234/103001020304050 /MPa50!?75!?100!?125!a=!$b$=!图混凝
9、土衬砌材料在水深及冻融条件下的抗压性能劣化曲线第期王斌等:不同渠深混凝土衬砌材料在冻融下的性能劣化研究012345/MPa 0 m 0.25 m 0.75 m 1.0 m1230/104a=!$b$=!50!?75!?100!?125!501234/MPa1230/104图混凝土衬砌材料在水深及冻融条件下的抗拉性能劣化曲线 在冻融下的微观缺陷由混凝土试样(尺寸为mmmm)的微观形貌(图)可知,随着水深和冻融次数的不断增加,混凝土的微观裂缝数量逐渐增加,微观孔洞的破坏程度加重,表明混凝土的密实度变差,结构变得疏松在图的基础上继续放大至 m,可清晰看出混凝土微观裂缝的宽度(图),取每条裂缝个值的平
10、均值作为该裂缝的平均宽度,m水深对 应的微观裂 缝平 均 宽 度 分 别 为 ,m这是由于浸泡后混凝土处于饱和状态,冻融循环使混凝土内部水分不断冻结消融,微裂缝的长度和宽度不断扩展,进而使混凝土的微观结构受到破坏,在宏观上表现为表观裂缝的延伸1.236 mm1.430 mm847.4 mm663.9 m763.0 m627.8 m681.0 m628.2 m798.3 m435.4 ma 0 m b 1 m图混凝土衬砌材料在水深及冻融下的微观形貌变化(m)9.166 m7.149 m25.17 m23.71 m24.37 m10.27 ma 0 m b 1 m图混凝土衬砌材料在水深及冻融下的微
11、观形貌变化(m)冻融下的性能劣化分析 冻融下的水分变化混凝土中的含水量可直观地反映混凝土的吸水性和渗透性,进而反映混凝土的破坏程度混凝土中水分的变化由浸泡后与冻融后试件质量损失的差值体现 次冻融循环前,由于混凝土存在水化现象,混凝土的吸水性导致其质量下降,且与水深成正比例关系 次冻融循环后,随着冻融次数和水深的增加,混凝土的渗透性增大,加之内部水分形态不断变化,使由孔隙和毛细管引起的冻胀破坏加剧因此同一循环次数下不同水深混凝土中的水分损失缓慢增大;在同一水深下,冻融次数的增加导致水分变化突增由此可见,冻融次数对混凝土内部水分的变化影响大于水深因素(图)宁夏大学学报(自然科学版)第 卷0.250
12、.500.7550!100!125!75!H/m1.000.30.20.1000.1w(H2O)/%0.20.30.4图水深与冻融次数对混凝土中水分变化的影响 冻融下的材料性能在混凝土抗压强度力学实验中,冻融循环次数的影响因素较水深的影响因素显著;在混凝土劈裂抗拉强度实验中,水深的影响较冻融循环次数的影响显著(表)随着水深的增加,混凝土峰值应力逐渐减小,混凝土峰值应力与水深之间呈线性关系;随着冻融次数的逐渐增多,混凝土峰值应力逐渐递减,混凝土峰值应力与冻融循环次数之间呈良好的线性相关水深和冻融次数对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度力学实验影响变化趋势基本一致(图图、表)表不同因素下混凝土力学性能变
13、化指标/MP a因素与误差平方和自由度均方F显著性抗压强度水深 冻融次数 误差 劈裂抗拉强度水深 冻融次数 误差 注:F (,);F (,);F(,);为非常显著;为显著a=!$b$=!?0 m$?1 m$?0 m$,4?1 m$,43.43.63.84.04.24.44.65075100125n/!/MPa00.250.50H/m0.751.00363840424446?50!=)?125!=)?50!=),4?125!=),4/MPa图水深、冻融次数与抗压强度峰值的应力关系a=!$b$=!50751001253.43.63.84.04.24.44.6?0 m$?1 m$?0 m$,4?1
14、m$,4n/!/MPa?50!=)?125!=)?50!=),4?125!=),43634384042444600.250.50H/m0.751.00/MPa图水深、冻融次数与劈裂抗拉强度峰值的应力关系第期王斌等:不同渠深混凝土衬砌材料在冻融下的性能劣化研究表不同因素对混凝土材料性能劣化影响的回归分析实验因素性能劣化趋势拟合度抗压强度水深冻融次数mY X mY X 次Y X 次Y X 劈裂抗拉强度水深冻融次数mY X mY X 次Y X 次Y X 结论)随着水深和冻融次数的增加,混凝土表观出现的孔洞、裂缝增多,剥蚀严重;微观裂缝数量及宽度增加、扩展,微观结构破坏严重;内部含水量变化明显)随着水
15、深和冻融次数的增加,混凝土的抗压应力应变和抗拉应力应变曲线的斜率均有不同程度的降低,显示混凝土的力学性能发生不同程度的劣化)通过统计及回归分析,发现在混凝土抗拉力学实验中,冻融次数较水深影响显著;在混凝土劈裂抗拉强度实验中,水深较冻融次数影响显著两种因素下的影响均满足线性规律,但冻融次数的影响远大于水深的影响,冻融因素的影响趋势约为水深因素的 倍因此水深和冻融次数均能降低衬砌渠道的抗冻性能参考文献:杨开林长距离输水水力控制的研究进展与前沿科学问题J水利学报,():高占义我国灌区建设及管理技术发展成就与展望J水利学报,():邓铭江中国西北“水三线”空间格局与水资源配置方略J地理学报,():张楚汉
16、,王光谦我国水安全和水利科技热点与前沿J中国科学:技术科学,():宋玲,陈瑞考,马铭悦,等冬季输水梯形渠道冻胀时水力因素对刚性衬砌层内力影响研究J南水北调与水利科技,():何晓琦混凝土渠道衬砌的抵抗力影响因素及破坏特征研究J科技视界,():姜海波,田艳季节冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道冻胀机理试验J农业工程学报,():肖旻,王正中,刘铨鸿,等考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析J农业工程学报,():王正中,芦琴,郭利霞考虑太阳热辐射的混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟J排灌机械工程学报,():B O ON E A,MA S S ON V,ME Y E R ST,e ta l T h ei
17、n f l u e n c eo ft h ei n c l u s i o no fs o i lf r e e z i n go ns i m u l a t i o n sb yas o i l v e g e t a t i o n a t m o s p h e r et r a n s f e rs c h e m eJ J o u r n a lo fA p p l i e d M e t e o r o l o g y,():陈瑞考,宋玲,魏鹏,等考虑渠内水影响的冬季输水渠道冻胀的数值模拟J石河子大学学报(自然科学版),():吴倩云,马芹永冻融循环作用下B S F C的抗冻性及
18、损 伤 模 型 J建 筑 材 料 学 报,():WAN GB,T I ANJC,Z HOUJ J E f f e c t o f d i f f e r e n tc o n c r e t ep r o p e r t i e so nf r o s th e a v ec r a c ki nU s h a p e dc a n a l l i n i n ga n dj o i n tJ P h y s i c sa n dC h e m i s t r yo ft h eE a r t h,P a r t sA/B/C,:方小婉,张永树,赵瑶,等粉煤灰和矿渣双掺混凝土弹性模量及抗渗性研
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