不同水灰比和粗糙度的巖石-混凝土界面Ⅰ型斷裂性能研究

薛子熹，羅丹旎,2,3，程壽山，李國楨

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004；2.廣西大學工程防災與結構安全教育部重點實驗室，廣西南寧530004；3.廣西大學廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西南寧530004；4.橋梁結構安全技術國家工程實驗室，陜西西安710000)

1 引言

對于澆筑于巖基上的混凝土壩，混凝土與巖石之間的界面由于容易存在初始微裂紋這一缺陷，往往是結構的薄弱環節，在荷載、溫度變化和滲流作用等復雜因素的影響下極易產生裂縫并發生沿建基面的擴展[1]。混凝土與巖石界面的薄弱區域一直是水工界需要深入探討和研究的方向。

近年來，由于考慮到界面在受載前容易存在初始微裂縫這一特點，不少學者開始嘗試基于斷裂力學理論對巖石-混凝土界面的斷裂性能進行研究。

近幾十年來，已有不少國內外學者開展了巖石-混凝土界面力學性能的試驗研究。Maji[2]在1992年對巖石-混凝土復合試件開展了緊湊拉伸試驗，指出巖石-混凝土界面與巖石、混凝土類似，呈現出準脆性行為，該試驗中界面的斷裂能約為混凝土部分的1/4。Kishen等[3]對石灰巖-混凝土復合試件進行楔入劈拉試驗，發現相較于混凝土本體，巖石-混凝土界面斷裂能比強度折減嚴重，界面斷裂能僅為混凝土部分的21%。陸超等[4]對自然界面條件下巖石-混凝土復合試件開展了三點彎曲斷裂試驗，研究了初始縫高比對起裂荷載和抗折強度的影響。以上研究表明，巖石混凝土界面的斷裂性能與很多因素有關，其界面斷裂特性較為復雜。基于此，本文主要利用三點彎曲試驗，研究界面粗糙度和混凝土配合比對巖石-混凝土Ⅰ型界面斷裂性能的影響。

2 試驗方案及試驗過程

2.1 實驗方案

目前常采用的三點彎曲試驗法對于沿界面開裂破壞的Ⅰ型斷裂特性進行研究。試驗中采用的巖石-混凝土復合試件的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，預制裂縫長度分別30 mm和15 mm。圖1為三點彎曲斷裂試驗的加載示意圖。

圖1 巖石-混凝土加載方式示意圖

為研究界面粗糙度和混凝土配合比巖石-混凝土試件的斷裂性能的影響，設計了一系列巖石-混凝土復合試件的三點彎曲斷裂試驗。試驗具體分組見表1。

表1 三點彎曲斷裂試驗分組設計

2.2 試驗材料

巖石-混凝土復合試件中的混凝土的配合比主要參考向家壩重力壩混凝土的配合比進行設計，最終采用了強度等級為C25的一級配混凝土。制備混凝土時，水泥采用P42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，粗骨料采用石灰巖人工碎石(5 mm～20 mm)，細骨料采用普通河沙，減水劑采用江蘇蘇博特公司生產的JM-ⅡC緩凝高效減水劑。試驗中使用的3種混凝土配合比具體見表2。

表2 混凝土配合比設計 單位：kg/m3

2.3 試件制備

首先，從一塊完整巖樣中切割、打磨出100 mm×100 mm×500 mm的長方體巖石試樣。然后，使用數控切割機床在長方體試樣中間截面位置進行切割獲得預制裂縫。

之后，利用高壓伺服動真三軸試驗機開展巖石試件的三點彎曲試驗，將巖石試件加載至斷裂，從而得到自然斷面。自然斷面效果見圖2。

圖2 巖石的自然斷面

在獲得的自然巖石界面上的預制裂縫位置粘貼厚度為3 mm的塑料薄板，以預制巖石與混凝土間的裂縫。

最后，將制作好的巖石放置于圖3所示的定制的木模具內，然后完成另一側混凝土的澆筑。混凝土振搗密實后，澆水養護24 h，然后拆模放入標準養護室，28 d后取出用于開展有關試驗。

圖3 復合試件澆筑

對于有刻槽處理的試件，主要對一塊完整的100 mm×100 mm×250 mm的長方體花崗巖試樣，在光滑的巖石界面，按設計的切槽方案精確地切割出所要求的槽數及槽深，獲得不同形貌的界面，并使用灌砂法[5]測量不同界面的粗糙度Ra。本試驗設計的三種巖石切槽方案見圖4。

(a)刻3道9 mm深方槽

2.4 試驗過程

本文利用MTS809液壓伺服疲勞試驗機開展三點彎曲斷裂試驗，試驗儀器布置見圖1。試驗加載采用位移控制模式，加載速度為0.036 mm/min。試驗中，荷載利用試驗機自帶荷載傳感器采集，加載點位移利用LVDT位移傳感器采集，裂縫尖端區的變形利用應變片采集，裂縫嘴張開和滑移位移利用引伸計采集。

3 試驗結果分析與討論

對于界面斷裂性能的評價，起裂韌度KIini和抗折強度ffb可做為影響參數對界面斷裂性能進行評價。在三點彎曲梁復合試件中，計算起裂斷裂韌度的關鍵參數是試件的起裂荷載Pini，本文采用電阻應變片法測定。試驗中，在裂縫尖端兩側粘貼電阻應變片，采集數據繪制荷載-裂尖應變曲線圖，曲線回彈點對應的荷載即為起裂荷載。典型荷載-裂尖應變曲線見圖5。

圖5 荷載-裂尖應變曲線

在測定起裂荷載后，本文使用ABAQUS有限元軟件計并通過結合圍線積分法計算各個試件起裂時刻應力強度因子，作為起裂斷裂韌度。通過在裂尖附近區域構建奇異網格劃分，將測得的起裂荷載代入模型之中，計算出裂尖起裂韌度。網格劃分模型見圖6。

圖6 模型網格劃分

抗折強度指試件承受彎矩時加載至折斷單位面積上承受的極限應力，是評價試件抵抗彎曲能力的重要參數。三點彎曲加載條件下巖石-混凝土復合試件的抗折強度采用式(1)計算。

(1)

式中：Pmax為試驗過程中的峰值荷載；m為試件的質量；l、b、d分別為試件的長、寬、高；a0為預制裂縫的長度。

3.1 斷裂破壞形態分析

在三點彎曲加載條件下，各個試件的破壞形態都大致相同，皆為沿界面開裂的Ⅰ型破壞模式。即預制裂縫自尖端起裂后，一直沿界面擴展，直至貫穿整個試件。而從界面破壞圖(圖7)中我們可以看出，自然界面的花崗巖試件其界面破壞位置都比較平整，巖石界面上雖然粘黏有少量砂漿，混凝土斷面也粘黏有少量巖屑，但總體還是較為光滑。斷面整體呈現出巖石與混凝土直接剝離的破壞特征。

(a)花崗巖自然界面斷裂形態

對于低糙度的巖石自然界面和高粗糙度的巖石切槽界面，由于界面高低起伏形貌的差異巨大，斷面破壞形態有一定的不同。對于高粗糙度的巖石切槽界面，巖石未刻槽部位僅粘黏有微量砂漿，仍較為光滑，而刻槽部位大部分混凝土粘結在巖石凹槽內，但由于一些骨料影響了裂縫擴展軌跡，也存在少量混凝土從槽內拔出的現象。

3.2 混凝土水灰比的影響

為探究混凝土水灰比對巖石-混凝土界面斷裂性能的影響，對3種不同水灰比的巖石-混凝土試件開展三點彎曲斷裂試驗。表3和圖8分別給出了不同混凝土水灰比下試件的起裂韌度和抗折強度的均值變化。

圖8 水灰比對起裂韌度和抗折強度的影響

表3 起裂韌度和抗折強度計算結果

花崗巖-混凝土復合試件的試驗結果顯示，水灰比的調整對界面的斷裂性能都影響明顯，隨著混凝土水灰比的增加，起裂韌度KIini呈現明顯下降趨勢。由于混凝土水灰比的增加，一方面，混凝土拌合物中水分越多，水分蒸發也越多，產生的塑性收縮也越大，降低了巖石-混凝土界面的膠結能力；另一方面，水灰比的增大會使混凝土拌合物凝結時間相對延長，使混凝土抵抗塑性收縮的力產生時間延長，抵抗塑性收縮的力減弱，混凝土容易產生裂縫，在荷載作用下，試件更容易發生破壞，影響巖石-混凝土界面的斷裂性能。

大體而言，在其他條件相同的情況下，在本次試驗中選取的水灰比范圍內(約50%～60%)，混凝土水灰比相對較低時與巖石的粘結性能更優，界面斷裂韌度與抗折強度更高。水灰比的大小很大程度上影響著巖石-混凝土界面斷裂性能，在實際工程中應該合理地選用水灰比方案。

3.3 界面粗糙度的影響

為探究界面粗糙度對巖石-混凝土界面斷裂性能的影響，對自然界面和兩種不同灌砂粗糙度的巖石-混凝土試件開展三點彎曲斷裂試驗，結果見表4、圖9。

表4 起裂韌度和抗折強度計算結果

圖9 粗糙度對起裂韌度和抗折強度的影響

通過表4與圖9分析可知，在相同水灰比情況下，當對界面進行刻槽處理后，試件在澆筑成型時由于多起伏、小高差形貌的界面增加了混凝土與界面的接觸面積，在振搗過程中混凝土能夠侵入巖石凹槽位置從而在界面位置形成相互之間的咬合作用，較高程度的膠結能力使得在界面發生破壞時，需要更大的外部應力才能破壞整體試件的穩定性，從而提高復合試件的界面強度。

灌砂粗糙度Ra為2.7 mm試件的斷裂韌度與抗折強度皆明顯高于粗糙度Ra為0 mm的試件。從數值上看，前者較后者起裂斷裂韌度KIini提高了64.7%，抗折強度提高了39%。而隨著粗糙度的增大，混凝土與巖石界面的接觸面積更大，使得兩者之間的膠結能力進一步提高，使得界面的起裂韌度和抗折強度更高。從表4中可以看到，粗糙度Ra為3.6 mm的試件起裂韌度和抗折強度較粗糙度Ra為2.7 mm分別提高了31.9%和29.9%。

而對于相同刻槽數的情況下，通過加深刻槽的深度從9 mm加深到12 mm，其界面起裂韌度和抗折強度也分別提高了11.6%和11.5%，說明在這一范圍內，加深刻槽深度依然能夠為界面帶來增強增韌的效果。

總體而言，通過對界面進行刻槽等處理進而提高界面的粗糙度，可以使得巖石-混凝土界面的斷裂性能顯著增強。刻槽處理是一種有效的界面增強增韌手段。

4 結論

(1)對比不同混凝土水灰比的巖石-混凝土復合試件的三點彎曲試驗結果發現，即使小幅度調整混凝土水灰比，巖石-混凝土界面斷裂性能也會發生明顯變化。在本文選取的水灰比范圍內(約50%～60%)，混凝土水灰比相對較低時與巖石的粘結性能更優，界面斷裂韌度與抗折強度更高。在實際工程需要更為合理地選用水灰比方案。

(2)對比不同界面粗糙度的巖石-混凝土復合試件的三點彎曲試驗結果發現，巖石-混凝土界面斷裂韌度隨界面粗糙度的增大而顯著提高，并且同一灌砂粗糙度下多起伏、小高差形貌的界面比少起伏、大高差形貌的界面具有明顯更高的斷裂韌度。巖石-混凝土界面斷裂性能隨界面粗糙度的增大而顯著提高。以界面刻槽處理的方式增強界面的粗糙度，可以達到增強界面斷裂性能的效果，從而提高結構穩定性。