全級配混凝土的動態特性和其濕篩混凝土強度關系的比較

周 婷

（鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001）

1 全級配混凝土動態特性研究

1.1 全級配混凝土動態特性試驗方法

全級配混凝土大試件尺寸大混凝土抗拉強度小、破壞脆性大，全級配動態性能試驗尤其是抗拉試驗難度非常大，很大程度上依賴于高性能的材料試驗設備和良好的試驗方法。因此，研究全級配混凝土動態特性試驗方法就具有重要意義，同時多種測量方法相結合可從不同層次、不同階段對全級配混凝土動態特性進行研究并相互驗證必將成為全級配混凝土動態特性研究的一個重要發展方向。中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心依托MTS15MN 大型動態材料試驗機采用32 通道應變反饋信號控制試驗進程利用32個350Ω 長度為150mm 的應變片測量試件應變并利用MTSFlexTest 采集和控制系統將其中最大的應變作為控制信號，以期獲得平滑的應力應變曲線，同時設計了精良的夾具系統，特別是彎拉系統能模擬地震波反復周期加載的特點。測量方法采用應力應變測量并結合激光測距高速攝影等手段以期深入研究全級配混凝土動態特性。

1.2 全級配混凝土動態特性的影響因素

在實際工程中材料的配比絕大多數經優化試驗確定，因此靜態強度粗骨料水灰比養護條件等因素影響較小，影響全級配混凝土動態力學特性的主要因素可簡化為如下幾種：①加載方式地震荷載的特點是歷時短頻率成分多樣循環幅值隨時程發生變化，混凝土在不同性質的動態載荷作用下表現出不同的強度與剛度等特性，模擬高拱壩工作狀態時強震條件下全級配混凝土動態特性試驗是最為迫切的需要。②初始靜載大壩的地震荷載是在壩體承受一定的靜態荷載的情況下疊加的，尤其高拱壩的靜態應力水平較高，不同初始靜載時的大壩混凝土動強度的試驗研究對高拱壩抗震設計尤為重要。③濕度由于高壩混凝土長期與水接觸研究濕度條件對全級配混凝土靜動態力學特性的影響有重要意義。④齡期高拱壩全級配混凝土常采用高摻量粉煤灰粉煤灰的使用導致混凝土強度形成時間較長與普通混凝土相比齡期對全級配混凝土靜動態強度彈模的影響將更大。開展齡期對全級配混凝土動態性能影響研究對混凝土高拱壩結構最大可信地震評估設計特別重要。關鍵影響因素對全級配混凝土動態特性的綜合影響及各關鍵影響因素的權重確定需繼續深入研究。

1.3 全級配混凝土動態特性試驗內容

混凝土動態特性試驗內容包括：單軸動態拉壓強度試驗和多軸動態拉壓強度試驗。混凝土的抗壓強度遠大于其抗拉強度，強震作用下的混凝土大壩通常表現為拉壞破壞，因此全級配混凝土動態抗拉強度應為研究的重點。大壩混凝土實際是在多軸應力作用下，因此研究多軸狀態下混凝土的動態性能更符合工程實際情況，研究多軸應力組合作用下的全級配混凝土動態強度應成為今后研究的重點內容。但由于受試驗設備等多方面制約目前這方面的研究較少，現有研究資料表明多軸應力狀態下混凝土動強度有增加趨勢，但增幅小于單軸應力狀態下的幅度，15MN 大型動態材料試驗機預留了多軸試驗的空間和硬件接口，為今后進行升級改造滿足全級配混凝土多軸動態試驗提供了必要的條件。

2 全級配混凝土與其濕篩混凝土的強度關系的比較

水工混凝土通常采用最大骨料粒徑為80mm 或150mm 的三、四級配混凝土，由于全級配混凝土試件尺寸大，試驗工作量大、難度高。因此常采用濕篩法剔除拌合物中超過40mm 的大骨料，成型150mm大小的試件進行強度試驗，并以此結果進行大壩的設計和安全評價。由于全級配和濕篩混凝土實際配合比并不相同兩者的力學特性差異較大，能否用濕篩后小試件的強度試驗結果來推測大壩全級配混凝土的強度，一直是工程界和學術界所普遍關心的問題。國內外有關研究人員進行了大量的試驗研究，并取得了一定的研究成果，但由于試驗條件的差異且各自的試驗數據有限，二者強度之間的關系問題仍然未得到較好的解決。因此，有必要研究全級配與濕篩混凝土強度差異的物理機理，更為準確地分析大壩混凝土的強度，為高壩等大型混凝土結構設計和安全性評價提供參考。

根據現有的實驗材料來看，隨著最大骨料粒徑的增加，混凝土強度隨之降低，四級配和三級配混凝土強度均小于濕篩混凝土的強度；同時可以看出軸拉強度降低最大，劈拉強度次之，抗壓強度降低最小。從研究成果來看，混凝土材料尺寸效應產生的根本原因是裂紋附近產生了應力集中，使得裂紋前沿的微裂紋發生開裂，從而在裂紋尖端形成非奇異的應力分布，使得線彈性斷裂力學不能直接應用于混凝土的斷裂分析，在宏觀上即表現為測量得到的混凝土強度具有尺寸效應。由于Weibull 的尺寸律假設單元破壞及對應于材料破壞，因此更適用于完全脆性材料，Bazant 的尺寸律是從混凝土非線性斷裂過程出發，物理意義清楚，與具有初始預置

裂紋長度的三點彎曲或四點彎曲梁試驗結果吻合較好，但與無預置裂紋的拉壓試驗結果相比誤差較大，需進行修正，Carpinteri 尺寸律和試驗結果吻合較好，但由于分形理論發展時間較短，其中的很多參數物理意義并不明確，較難應用推廣。由于現有尺寸律并未考慮混凝土骨料級配的影響，不能直接應用于分析全級配與濕篩混凝土強度比值，研究人員采用其它方法針對這一問題開展了研究。采用統計分析的方法，研究了骨料粒徑、級配和試件尺寸對混凝土強度的影響規律。通過內時損傷模型建立了全級配和濕篩混凝土的本構關系，分析了二者之間力學特性的差異。雖然已經進行了很多全級配混凝土的試驗和理論研究，但全級配和濕篩混凝土的力學特性尤其是強度差異的物理機理并不清楚。現有研究多數是對試驗結果的簡單擬合，從而得出強度比值的經驗公式，缺乏理論依據。因此，本文從混凝土的細觀破壞機理出發，分析了全級配和濕篩混凝土強度的關系。

3 總結

從本文的研究中可以得出：水工混凝土強度主要由骨料和砂漿界面的斷裂韌度以及控制性裂紋的長度確定，全級配與濕篩混凝土強度的差異主要是因為發生破壞時控制性裂紋大小不同。同時，全級配和濕篩混凝土強度比值以軸拉最小，劈拉次之，軸壓最大。這是由于混凝土受直接拉伸荷載時，控制性裂紋大小與最大骨料粒徑相同；而在劈拉破壞時，混凝土的破壞發生在劈拉力軸線附近的拉應力區，因此控制性裂紋尺寸較小；混凝土受壓破壞時存在裂紋穩定擴展的過程，因此控制性裂紋的大小不僅僅與骨料粒徑有關，同時也和骨料間距有關。

［1］馬懷發，陳厚群，黎保琨.混凝土試件細觀結構的數值模擬[J].水利學報，2004，35(10)：27-35.

［2］陳厚群，吳勝興，馬懷發，等.全級配大壩混凝土動態性能研究[D].中國水利水電科學研究院，2004.