渠道衬砌混凝土力学性能试验研究.pdf

第 3 4卷第 3期 2 0 1 2年 3月 人民黄河 YE L L 0W RI VER Vo 1 3 4 No 3 Ma r 2 01 2 【 水利 水 电工 程 】 渠道衬砌混凝土力学性能试验研究 解国梁 ， 申向东 ， 贾尚华 ( 1 黑龙江八一农垦大学， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 9 ； 2 内蒙古农业大学， 内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 1 8 ) 摘要 ： 通过正交试验方法 ， 研 究 了渠道衬砌 混凝土水胶 比、 粉 煤灰和纤维掺 量对其抗压 强度 、 抗折强度及劈 裂抗拉强度 的影响规律。试验结果表明： 水胶比是影响混凝土抗压、 抗折及劈裂抗拉强度的主要因素； 粉煤灰掺量为 1 5 时混凝土 抗压 强度达 到最大值 ， 粉煤灰 对混凝土抗折 及抗拉强度的影响较 小； 纤维掺 量对混凝土抗折及劈裂抗拉强度 的影响仅 次 于水胶 比 ， 且掺量越 大获得 的抗折及劈 裂抗拉强度越 高。 关键词 ：力学性能；正交试验；水胶比；粉煤灰掺量；纤维掺量；渠道衬砌混凝土 中图分 类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 3 0 4 1 Ex pe r i me n t a l S t ud y o n t he M e c h a ni c a l Pr o pe r t i e s o f t h e Co nc r e t e o f Ca na l Li n i ng XI E G u o l i a n g ，S HEN Xi a n g d o n g 2 ，J I A S h a n g - h u a ( 1 H e i l o n g fi a n g B a y i A g r i c u l t u r a l U n iv e r s i t y ，D a q i n g 1 6 3 3 1 9， C h i n a； 2 I n n e r Mo n g o l i a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， H o h h o t 0 1 0 0 1 8 ，C h i na) Ab s t r a c t ：Co mp r e s s i v e s t r e n g th，fle x u r a l s t r e n gth a n d s p l i t t e n s il e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e o f c a n a l l i n i n g wa s s t u d i e d a n d t h e e f f e c t o f i n fl u e n c i n g f a c t o r s i n c l u d i n g wa t e r b i n d e r r a t i o，t h e c o n t e n t o f fl y a s h a n d fib e rs h a d b e e n a n a l y z e d b y t h e me a n s o f o h o g o n a l t e s t me t h o d T h e r e s u l t s s h o w t h a t wa t e r b i n d e r r a t i o h a s mo s t l y i mp a c t o n t h e s t r e n gth o f c o n c r e t e Co mp r e s s iv e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e g e t s ma x i mu m v a l u e wh e n 1 5 c o n t e n t 0 f fly a s hb u t i t h a s l it t l e e f f e c t o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h a n d s p l i t t e n s i l e s t r e n gth o f t h e c o n c r e t e Fi b e r c o n t e n t h a s l a r g e i mp a c t o n fle x u r al a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth n e x t o n l y t o t h e wa t e r - b i n d e r r a t i o，a n d fle x u r a l a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth o f c o n c r e t e i n c r e a s e w i t h t h e i n c rea s e o f t h e fi b e r c o n t e n t Ke y wo r d s ：me c h a n i c a l p r o p e r t y；o r th o g o n al t e s t ；wa t e r b i n d e r r a t i o；c o n t e n t o f fly as h；fib e r s c o n t e n t ；c o n c r e t e o f c a n a l l i n i n g 渠道衬砌混凝土属于大体积、 大面积、 薄层混凝土 ， 服役 时长期承受动力水流带来的反复动荷载作用， 尤其在北方地区 还会经受反复冻胀作用 。渠道衬砌混凝土又是脆性材料 ， 在 上部荷载及下覆土层反复压、 拉、 弯折的作用下极易引起拉应 力破坏， 产生裂缝。混凝土裂缝的出现和发展将加速其老化进 度， 降低渠道衬砌混凝土的抗冻、 抗渗能力 ， 缩短工程寿命 。 因此 ， 对于寒区渠道衬砌混凝土改善其抗压、 抗折及劈裂抗拉 性能十分必要。笔者在普通混凝土中掺人不同比例的聚丙烯 纤维、 粉煤灰配制了不同强度等级的混凝土， 研究不 同成分对 渠道衬砌混凝土力学性能的影响规律 ， 试图通过材料的不同配 比， 改善渠道衬砌混凝土的力学性能 ， 为渠道衬砌工程提供 参考 。 1 材料与方法 1 1 试 验 材料 水泥采用冀东 P O 4 2 5级水泥。粉煤灰为呼和浩特金桥 电厂 I 级粉煤灰 ， 比表面积为 6 5 1 i n k g ， 化学组成中 S i O ： 、 A 1 2 O 3 、 C a O、 Mg O、 S O 3 、 F e 2 O 3 、 T i O 2 、 N a 2 O+K 2 O的含量分别为 51 9 3 、1 6 1 1 、6 9 5 2 02 1 5 9 5 1 彩 、1 78 1 1 4 2 0 5 。聚丙烯纤 维产地 为j E 京 ， 纤 维 的性 能指标 如 下 ： 长度 为 1 9 m m， 弹性模量为 3 7 4 1 MP a ， 密度为0 9 2 g c m ， 极限 拉伸率为 3 2 ， 抗拉强度为 2 8 2 MP a ， 熔点为 1 6 8 o C。砂为呼 和浩特产的优质河砂， 细度模数为 2 5 6 ， 属于普通中砂， 表观密 度为 2 6 4 5 g c m， 含泥量为0 5 7 ； 碎石为呼和浩特产的普通 花岗岩连续级配碎石 ， 粒径为 5 3 1 5 mm， 表观密度为 2 6 1 3 k g m ， 压碎指标为 9 3 ， 针片状含量为 4 2 。砂石均符合 连续级配要求。 1 2 试验设计 根据内蒙古河套灌区渠道衬砌混凝土一般使用 的强度等 级及以往试验结论 ， 同时为考察不同配合 比参数对混凝土 力学性能的影响程度 ， 本研究 利用正交试验设计方法， 选取 L q ( 3 ) 正交表进行试验设计 ， 各因素及水平见表 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 - 0 2 基金项目： 内蒙古自治区自 然科学基金资助项 目( 2 0 0 9 MS 0 7 0 5 ) ； 内蒙古自治区 高等学校科学研究项 目( N J 0 9 0 4 6 ) 。 作者简介： 解国梁( 1 9 7 6 一) ， 男， 山东巨野人， 讲师， 主要从事结构_T - 程教学与 研 究工作。 E - ma il ： x i e g u o l i a n g l 2 1 9 s o h u c o m 人 民 黄 河2 0 1 2年第 3期 表 1 ( 3 ) 正 交试验 因素水 平 因素 水胶比 A 1 3试验方法与试件尺寸 按 普通混凝土力学性能试验标准( G B T 5 0 0 8 1 2 o 0 2 ) 的要求分别对硬化后 2 8 d龄期混凝土的抗压强度、 抗折强度、 劈裂抗拉强度 3个指标进行测定( 每个指标设计 9组试验 ， 每 组 3个试件) 。立方体抗压强度试件尺寸为 1 5 0 m l n1 5 0 l n lT l 1 5 0 m m， 抗折强度试件尺寸为 1 0 0 mm X 1 0 0 m m X 4 0 0 mm， 劈 裂抗拉试验试件尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 m m X 1 5 0 mm。 2 试验结果与分析 各测试指标试验结果见表 2 ， 极差分析结果见表3 。 表 2 t 9 ( 3 ) 正交试 验方案及结果 表 3极差分析结果 MP a 注： K i 、 k 分别 为第 i 水 平每 个 因素的试验 结果 总和及 平均值 ( i ：1 ， 2 ， 3 ) 。 进行方差分析时， 首先计算出均方值， 然后进一步测定不 同试验处理的平均数差异是否显著 ， 判读处理问是否存在真实 的差别 ， 要用 F分布进行 F测验， 目的是为了测验处理效应是 否确实存在( 是否由误差造成) 。在进行 F检测时， 把处理均 方值作为分子， 把误差作为分母 ， 即 F=处理均方 误差均方。 若纯属误差所致， 一次获得 FF o 的概率 PO 0 5 ， 一次获得 ， 。 的概率 P0 0 1 。根据小 概率原理， 一 次获得 F ，则认为两变因差异显著； 一次获得 Fr o 则认为两变 因差异极显著。F值 可作为判读处理效应是否存在的依据。 方差分析结果见表 4 。 表 4方差分析结果 注： 显著水平一列 中“ ” 越 多代表 显著水 平越高。 2 1抗压强度分析 由表 3极差分析结果可知， 水胶比A和粉煤灰掺量 B是影 响混凝土抗压强度的主要因素， 纤维掺量 C的影响可以忽略。 由图 1 可知 ， 水胶比越大混凝土抗压强度越小 ； 混凝土抗压强 度随粉煤灰掺量的增加先增大后略有减小， 且粉煤灰掺量为 1 5 和 3 0 时混凝土抗压强度比粉煤灰掺量为 O 时略高 ； 从 试验结果看， 粉煤灰掺量为 1 5 时混凝土抗压强度达到最大 值。从表 4方差分析结果可以看出， 水胶比对混凝土抗压强度 有显著影响 ， 粉煤灰掺量对抗压强度有比较显著的影响， 这与 极差分析的结果一致。 粉煤灰 掺量 图 1 抗压强度与水胶比、 粉煤灰掺量的关系 11 5 B d 罨 聪 蝠 人 民 黄 河2 0 1 2年第 3期 2 2 抗折强度和劈裂抗拉强度分析 由表 4 、 图2 、 图 3可知， 对于聚丙烯纤维粉煤灰混凝土来 说， 影响抗折强度及劈裂抗拉强度 的因素具有相似 的规律， 即 水胶比的极差最大， 是主要因素 ， 水胶比越小这两个指标越大； 纤维掺量的极差次之 ， 是重要因素， 从试验结果看， 抗折强度与 劈裂抗拉强度随纤维掺量的增大不断增强 ； 粉煤灰掺量的极差 虽小 ， 但不能忽略。根据极差分析的数据可知， 各个影响因素 的主次顺 序为 A、 C 、 B。 亳 髓 骥 纤维掺 量 ( k g m ) 图 2 抗折强度与水胶 比、 纤维掺量 的关 系 0 0 5 1 0 1 5 2 0 纤维掺 量 ( k g i11 -3 j 图 3劈裂抗拉强度与水胶比、 纤维掺量 的关 系 3 结论 ( 1 ) 正交 试验分析 结果表 明 ： 试 验 中考 虑 的 3个 因素 对混 凝土力学性能均有影响， 但对不同指标影响程度不同， 影响纤 维粉煤灰混凝土抗压强度的主要因素是水胶 比和粉煤灰掺量， 影响抗折强度 和劈裂抗拉强度的主要 因素是水胶 比和纤维 掺量。 ( 2 ) 纤维掺量对纤维粉煤灰混凝土抗折强度和劈裂抗拉强 度的影响较大 ， 纤维掺量越大， 抗拉、 抗折能力越强。纤维的纠 结作用， 使得混凝土各个组成部分聚合到一起， 不易散落 ， 可明 显改善混凝土脆性， 增强其抵抗拉应力性能。 ( 3 ) 粉煤灰掺量对纤维粉煤灰混凝土抗压强度影响显著， 存在最佳掺量问题 ， 粉煤灰掺量为 1 5 时混凝土抗压强度达到 最大值。粉煤灰对抗折及抗拉强度的影响较小， 属次要因素。 参考文献 ： 1 周聪爽 渠道衬砌混凝土裂缝产生的原因及预防措施 J 中国水运， 2 0 1 0 ， 1 0 ( 6 )： 2 0 82 0 9 2 李红云， 申向东 ， 康文彪 渠道衬砌混凝土抗冻耐久性试验研究 J 人民黄 河 ， 2 0 0 9， 3 1 ( 4) ： 1 2 01 2 3 3 解国梁， 申向东， 贾尚华 纤维粉煤灰混凝土抗冻性能试验研究 J 混凝 土 ， 2 0 1 1 ( 6 )： 1 0 21 0 4 4 解伟， 李树山， 耿飞， 等 粉煤灰纤维混凝土基本力学性能试验研究 J 灌 溉排水学报， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 2 3 1 2 5 5 黄国栋， 马芹永 混杂纤维混凝土力学性能试验研究与分析 J 地下空间 与工程学报 ， 2 0 1 0 ， 6 ( 2 ) ： 3 2 9 3 3 3 6 向阳开， 蓝祥雨 隧道聚丙烯纤维混凝土抗渗性能分析及试验比较 J 土 木建筑与环境工程， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 1 1 4一 l 1 8 1 1 6 7 胡晓东， 陈文猛， 黄俊友， 等 聚丙烯纤维混凝土力学性能试验及其机理浅 析 J 四川建筑科学研究， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 4 ) ： 2 0 2 2 0 3 8 娄宗科， 阎宁霞， 周亚娟 大掺量粉煤灰配制高性能渠道衬砌混凝土的研究 J 西北农林科技大学学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 2 ) ： 1 0 3 1 0 6 【 责任编辑张华岩】 ( 上接第 1 1 3页) 各电站出力和发电量见表 4 。全年发 电总量 为 3 2 7 1 l亿 k W h ， 比无调节时增发电量 l 0 4亿 k W h ， 若 电价按 0 2 5：T r_ ( k W h ) 计算 ， 则增发效益为2 5 9 亿元。通过 合理调节， 电站效益增加了近 3 3 ， 调度效益显著。 计算所得效益为理想情况下的结果， 在实际应用中， 还要 考虑其他用水 、 损耗及机组维修等情况。 表 4 有调节时各电站出力和发电量 4 调度原则 ( 1 ) 上游调节能力强的年调节 ( 多年调节 ) 水库。在丰水 期来临前 ， 水库水位降低到防洪限制水位以下， 以增加水库的 蓄洪能力 ； 在丰水期结束时， 尽量利用汛后流量蓄水到正常蓄 水位至防洪水位之间， 延长上游水库调节时间； 控制下泄流量， 保持下游水库高水头运行 ， 降低单位发电量用水损耗。 ( 2 ) 下游调节能力差的季调节(日调节 ) 水库。在各个发 电时期 ， 尽可能保持水库高水头运行 ， 减少发电水量损失 ； 在丰 水期 ， 当天气预报有持续降水并形成洪峰时， 加大下泄流量， 增 加蓄洪能力 ； 在枯水期 ， 下泄流量以保持下游航道正常运行为 基础 ， 采用部分机组发电的方式 ， 维持机组的发电高水头。 ( 3 ) 上游水库发挥 了巨大的调节能力 ， 但发电效益未得到 提高。大型水库的投资大， 资金回收慢 ， 必须对其进行合理的 补偿， 提高上游水库调度的积极性。 参考文献 ： 1 张超 水电能资源开发应用 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 2 李娜， 梅亚东， 高仕春 多发电主体梯级水电站优化调度模型 J 华中科技 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 7 ) ： 6 0 6 2 3 张泽中， 黄强， 赵麦换， 等 水库补偿效益研究的发展 与 趋势 j 人民黄河， 2 0 1 0， 3 2 ( 1 1 ) ： 1 3 81 3 9 4 孔珂， 解建仓， 徐征和 水电站调水效益补偿的理论与实施系统 J 水力发 电学报， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 2 ) ： 7 3 7 9 5 闷正龙， 高凡， 黄强， 等 黄河上游梯级水库群联合调度补偿机制研究 J 人 民黄河， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 1 8 1 1 9 【 责任编辑刘棋】