中国分类号：TV43 文献标识码：A
1 概述
随着我国水利水电工程建设规模的日益扩大，大坝的高度不断攀升，有的已达到300m以上，这类混凝土坝的局部将承受较大的水头。混凝土具有大量的毛细管和孔隙，严格地讲混凝土仍属于一种孔隙材料，在一定的水力梯度作用下形成渗流场。在孔隙、微裂纹等表面作用着较大的面力，形成水力劈裂破坏，使混凝土整体受到损伤。损伤量具体反映到抗压强度等宏观指标中心，通过混凝土试件外围作用的水头与混凝土抗压强度之间的关系来研究孔隙水压对混凝土的损伤破坏规律。
目前的绝大多数研究是针对混凝土内湿度对混凝土强度的影响，对于孔隙压力水的影响研究还并不是很多。已有的试验研究表明[1-4]，随着混凝土内部湿度的增加，混凝土的抗拉和抗压强度都将降低，即饱和混凝土的强度要比干燥混凝土的强度低。Imran等[5]进行了不同水灰比的干燥、饱和混凝土三轴压缩试验，结果显示饱和混凝土的强度比干燥混凝土的强度略低，高水灰比的混凝土的强度弱化则更加明显。Yutdas等[6]的饱和砂浆试样经过不同干燥时间后的三轴试验结果得出了相同的结论。但是，上述的结论都是在混凝土不与外部介质（如围压水）相互作用的基础上得到的。事实上，在水环境中工作的混凝土结构，水直接作用于混凝土的表面，水不仅影响混凝土的内部饱和度，而且还是混凝土作用于颗粒的体力荷载，以及作用于微裂纹表面的面力荷载，使混凝土发生局部强度变化，即损伤破坏。面在文献[7-10]中作者侧重于研究湿态或饱和混凝土的一些力学抗拉性能，但对混凝土的受压性能没有进行探讨。李庆斌等[11]通过试验研究了水荷载直接作用于混凝土前提下，水对混凝土多轴强度的影响，并揭示了水下混凝土的多轴静态力学性能，并基于混凝土内部孔隙水压力和外部水荷载的相互作用机理，对试验结果进行了初步解释，但却未能充分考虑水在混凝土内的渗流时间因素。文献[12，13]中作者通过理论分析，研究了孔隙水压对湿态混凝土强度的影响，与干燥态的混凝土相比，湿态混凝土的抗压强度降低。本文结合高坝混凝土在水中工作的环境，初步研究了不同作用时间、不同外界水压所产生的混凝土内部孔隙水压对标准养护状态下混凝土抗压强度的影响规律，揭示了孔隙水压对混凝土强度的影响规律，为高坝环境局部混凝土的强度分析提供理论基础。
2 试验情况
2.1 试验设备
实验设备包括两部分：模拟水环境的加压设备和混凝土测强设备。加压设备采用自行开发研制的恒定水压加载系统，该系统能够提供不同要求的恒定水压，压力变化范围为±0.01MPa。测强设备采用上海新三思计量仪器制造有限公司生产的微机控制全自动压力试验机（SANS）（最大荷载2000kN）测定混凝土的相对抗压强度。
2.2 试样制备
试验采用150mm×150mm×150mm的立方体标准试件。试件成型按水工混凝土试验规程[14]的规定制作。混凝土配合比（质量比）为：水:水泥:砂子:石子=150:231:667:1355，水灰比为0.65。试验采用的水泥为冀东水泥厂生产的“盾石”牌R32.5普通硅酸盐水泥。粗骨料采用两级配的卵石，石子最大粒径为40mm；砂子为渭河中砂，细度模数为2.43；混凝土拌和水为自来水。采用标准试模成型，振动台振捣密实，试样静置24h后脱模，脱模后的试件立即送入标准养护室养护。
为了了解试验混凝土的渗透性，依照混凝土抗渗试验规程[14]制作了同一配合比的抗渗试件，并进行了相对抗渗系数的测定。经测定，本次试验混凝土的相对渗透系数为4.37×10-5cm/h。
2.3 试验过程
为了研究孔隙水压对混凝土抗压强度的影响，试验用试件采用每组6块平行试件，在相同养护条件--标准养护室养护，养护至规定时间后，取出3个试件后立即放置到加压设备中--恒压罐中施加水压。让混凝土试件完全浸没于压力水中，模拟高坝水环境中工作的混凝土。另3个试件仍放在标准养护室养护。
试验水压分别为0.5、1.0MPa和1.3MPa。考虑到混凝土的渗透系数较小，要使150mm×150mm×150mm的试件完全形成稳定的渗流场需要较长的时间，同时考虑到实际工程中混凝土坝体表面水的实际作用时间一般较长等特点，故拟定试件在压力水中浸没时间为48h。待48h后把试件从恒压罐中取出，把表面明水擦净，立即送到压力实验室测定混凝土的抗压强度，强度的测定按混凝土试验规程[14]中的规定操作。同时，把另3块试件从养护室中取出，测定其抗压强度，并与恒压罐中的试件作强度比较。每种条件下试验一组试件，如果数据离散性较大时，相应增加试件组，增加试件数据，以求得数据的完整准确。
为了进一步研究压力水作用时间因素，取外围水压为1MPa，时间24、36、48h和72h等3组试件来研究。
3 试验结果分析
3.1 试验结果
标准养护条件下的混凝土强度与经过孔隙水压作用后的混凝土相对强度的关系如图1所示（由于条件限制，混凝土内部的孔隙水压很难测定，以外围水压来反映混凝土内部的孔隙水压，图中所示压力为混凝土外部所加的压力水头）。图2所示为混凝土在同一孔隙水压（1MPa）不同作用时间混凝土抗压强度的变化关系。
从图1可以看出，孔隙水压大小对混凝土抗压强度影响明显，随着孔隙水压力的增加，混凝土抗压强度相应降低。在0.5MPa的压力作用下强度降低约3.97%；在1.0MPa的压力作用下，强度降低纸9.40%；在1.3MPa的压力作用下，强度降低约12.37%。由此说明，对于承受高压水头的混凝土，其抗压强度较标准养护下得到的强度要降低较多。
从图2中可以看到，在同一孔隙水压力作用下，随着孔隙水压作用时间的延长，混凝土抗压强度也有所降低。作用24h时，强度降低约6.35%；作用36h时，强度降低约7.10%；作用48h时，强度降低约9.40%；作用72h时，强度降低约12.3%。由此说明，水在混凝土中渗流需要较长的时间，属于非恒定渗流问题。未达到恒定渗流前，随着时间的延长，压力逐渐向混凝土内部运动，相应破坏区扩大，破坏程度增大。
需要说明的是在强度的测定中，严格按照文献[14]的规定“在一组为3个试件的试验中，以3个试件测值的平均值作为该组件的讥压强度试验结果。当3个试件中的最大值或最小值之，与中间值之差超过中间值的15%时，取中间值。当3个试件强度中的最大值和最小值，与中间值之差均超过中间值的15%时，该组试验应重新做”。
图1 外围水压与混凝土抗压强度之间的关系
图2 不同压力作用时间对混凝土抗压强度的影响
3.2 机理分析
混凝土属于多孔多相复合材料，当混凝土外表面施加压力水时，自然地从混凝土的外表面到混凝土的内部产生一定的水力梯度，造成渗流场。混凝土内部的微结构从结构物征上来分，可以分为贯通的微裂纹、封闭的微纹以及位于微裂纹之间的均质体。一般来说，混凝土内的水流主要沿孔隙宽度相对较大的裂纹运动，当然均质体内也存在着渗流，即混凝土内部的渗流属于两种介质的流动。相应压力水在微裂纹内运动，给裂纹的表面施加面力荷载，产生了劈裂力，相当于楔体的“楔入”[13]作用，加速了混凝土的损伤和微裂纹的扩展，随着微裂纹的增加，外界水通过表面裂纹渗入到混凝土中，水的进入加快了混凝土裂纹的扩展，裂纹的扩展又引起渗透系数的增大，水入渗加快，对混凝土来说，这是一个恶性循环[15]。同时，混凝土中的孔隙水一定程度上减小了阻碍混凝土开裂的摩阻力，即降低了混凝土裂纹的表面能。对混凝土试样，在水压的作用下，混凝土产生微裂纹，当裂纹开展足够慢时，混凝土外部的水压总能及时到达裂缝尖端[16]，形成“楔入”作用[13]，促进了混凝土裂纹的开裂，增大了混凝土的损伤，因而降低了试件的强度。
4 结论
本文给混凝土强度标准试件外施加一定时间的压力水头，使混凝土内部形成一定渗流运动过程，通过试件外围水压、时间的变化，研究了孔隙水压对混凝土抗压强度的影响。试验结果表明，在孔隙水压的作用下，混凝土强度有所降低，并随着孔隙水压作用时间的延长，混凝土强度仍有所降低。当高混凝土坝承受较高的压力水头作用时，应该考虑孔隙水压对其损伤作用，并考虑时间因素，按其损伤强度来分析安全性较妥。
影响孔隙水压对混凝土强度降低的因素不仅仅是外界水压的大小，还应包括混凝土的强度、骨料的最大粒径、骨料的级配，混凝土的渗透系数等因素。这些因素的影响，有待进一步通过试验来研究。
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