綠塘水庫堆石混凝土大試件力學性能試驗研究

李友彬，朱柏松，唐曉玲，何濤洪，喬志超，吳弦謙，楊 林

(1.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002；3.北京華石納固科技有限公司，北京 100085)

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡稱RFC)技術是由清華大學水利系團隊發明并獲得國家發明專利授權的新型大體積混凝土施工技術。貴州遵義綠塘拱壩是國內首座不分橫縫和應用混凝土預制塊模板的RFC單曲拱壩，水庫總庫容2040萬m3Ⅲ等中型工程，壩頂高829.50m，壩頂寬6.0m，最大壩底厚16.0m，最大壩高53.5m。為復核驗證前期設計成果，研究RFC力學性能，對壩體材料RFC作相關試驗研究，使理論計算分析參數取值更加合理、計算成果更加可靠，為RFC拱壩應用推廣提供借鑒作用。

1 理論基礎

朱柏松教授首先建議對RFC應視為復合材料來研究，抗拉強度對RFC拱壩結構受力穩定性起主要作用，材料力學性能決定結構應力應變狀態，決定大壩的強度安全和承載能力。本研究針對RFC大試件考慮堆石、SCC、堆石體與SCC硬化水泥膠體粘結面隨機組成復合材料三相介質，獲取基本性能參數；分析RFC在荷載作用下應力發展和最終破壞全過程。分別進行堆石、SCC、堆石與SCC粘結界面力學性能試驗，推導RFC復合材料本構關系模型，為RFC拱壩及其他類型壩提供安全分析評估基礎數據。

理論上，復合材料在受力時，高彈性、高模量介質承受大部分荷載，低彈性、低模量介質主要作為媒介，傳遞和分散荷載。各相的性能關系如下[4]：

σc=k1[σfφf+σm(1-φf)]=k1[σfφf+σmφm)]

(1)

Ec=k2[Efφf+Em(1-φf)]=k2[Efφf+Emφm]

(2)

式中，σf、Ef—高彈性、高模量的介質的強度和彈性模量；σm、Em—低彈性、低模量介質的強度和彈性模量；φf—高彈性、高模量的介質的體積分數；φm—低彈性、低模量介質的體積分數，堆石混凝土一般φf為55%，則(1-φf)=45%；k1、k2—常數，與界面強度有關，與堆石和自密實混凝土的粘結界面的粘結強度、排列分布方式、斷裂形式有關。

為達到復合強化目的要求，應滿足以下條件：

(1)高彈性、高模量的介質的強度、彈模應該遠遠高于低彈性、低模量介質，保證復合材料受力時主要由高彈性、高模量的介質承受荷載。

(2)高彈性、高模量的介質與低彈性、低模量介質之間應有足夠的結合強度，保證低彈性、低模量介質所承受的荷載能通過界面傳遞給高彈性、高模量的介質，并且防止脆性破壞。

2 試驗概況

本試驗研究基于貴州遵義綠塘水庫實體工程澆筑的RFC試驗倉、對其切割、加工大試件，試驗研究RFC抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等指標。

2.1 堆石混凝土材料指標

試驗采用C9015W6F50等級SCC進行RFC澆筑。RFC原材料：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；II級粉煤灰；粒徑5～20mm連續級配碎石；細度模數為2.9，級配較差石粉含量14%機制山砂；華石納固生產聚羧酸高效減水劑HSNG-T，減水率28%；施工現場用水；粒徑大于300mm石灰巖塊石隨機堆放，表觀密度2.63g/cm3。SCC填充率45%，堆石率55%，詳見表1—3。

表1 自密實性能混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 自密實混凝土SCC力學指標 單位：MPa

表3 巖石(堆石體)力學指標 單位：MPa

2.2 試件的制備

按照同材料、同環境、同工藝在綠塘水庫施工現場澆筑2200mm×2200mm×2200mm的試驗倉，如圖2所示，與壩體同環境養護，到90d齡期用繩式切割機對試驗倉切割，運輸到加工廠按照要求的幾何尺寸，如圖1所示，并按表4精度進行切割和加工，成型大試件進行抗壓強度、劈裂抗拉、靜力彈性模量等試驗研究如圖3所示。

2.3 試驗設備及試驗過程

RFC抗壓強度、劈裂抗拉強度、靜力彈性模量試驗根據SL352—2006《水工混凝土試驗規程》和NB/T10077—2018《堆石混凝土筑壩技術導則》附錄D開展試驗。

圖1 試驗倉加工立方體及棱柱體大試件設計圖

表4 堆石混凝土大試件試驗內容及尺寸

圖2 現場試驗倉

采用繩式切割機現場加工成型，工廠細加工大試件，運至在貴州大學土木工程學院實驗中心10000KN(1000t)的壓力機上進行試驗。

3 試驗數據和分析

3.1 堆石混凝土大試件表面特征及缺陷照片

通過試驗倉切割加工成型隨機檢查的大試件RFC復合材料斷面發現均存在缺陷，如圖4所示。

圖3 現場切割試驗倉

圖4 表面特征及存在的缺陷

觀察統計切割后大試件存在缺陷：第1種現象，加工廠精細加工過程中發現容易造成試件中SCC與被包裹的堆石體的剝離。第2種現象，堆石和SCC之間的界面膠結粘結不緊密，在堆石密集部位以及存在堆石粒徑過小的局部地方，SCC不能完全填充堆石間的空隙，形成外部缺陷明縫或內部缺陷的“隱縫”。第3種現象，SCC中有肉眼可見數量可觀的氣泡。

3.2 抗壓強度試驗及試驗數據

本試驗研究抗壓強度試驗照片如圖5所示。

圖5 抗壓強度試驗

3.2.1試驗數據及分析

本研究開展大量試驗，相關試驗數據統計分析見表5—7、圖6所示。說明：表5的抗壓強度值是立方體大試件試驗數值。

表5 RFC大試件抗壓強度力學指標 單位：MPa

圖6 RFC大試件抗壓強度值所占比例

表6 RFC大試件力學指標

表7 RFC大試件抗壓強度值所占比例 單位：MPa

SL352—2006規定，“以3個試件測值的平均值作為該組試件的抗壓強度試驗結果?！庇捎诙咽炷岭x散性較大，無法用3個試件的平均值作代表，用數理統計的辦法來計算抗壓強度。

3.2.2試驗現象分析

試驗開始大試件表面無明顯裂縫，加載后試件表面沿高度出現可見豎向裂縫，隨荷載增加裂縫不斷加寬，試件其他部位出現局部短斜裂縫，臨近破壞時縫寬度加大并貫穿試件表面，部分大試件出現較多豎向裂縫及少量斜裂縫，可見部分塊石被剪斷，部分塊石掉出，但破壞主要是塊石和SCC粘結界面薄弱處裂縫發展所致。

抗壓強度試件大部分破壞屬于縱向破壞，裂縫沿石塊與SCC粘接面周邊斜向發展或穿過RFC中的石塊，堆石體與SCC粘結處裂縫最寬。RFC抗壓大試件堆石有節理處首先堆石體被剪切破壞。有一個抗壓大試件試驗中達到極限發生突然碎裂破壞。

依據姜福田所著《水工混凝土性能及檢測》結合本研究試驗結果分析統計，推測RFC立方體大試件會按承載力為極限強度值的大概百分比例形成試件內部破壞裂紋主要沿堆石與自密實混凝土SCC粘結界面發展，當承載力增加試件裂紋發育更多，且堆石與自密實粘結界面和自密實混凝土裂紋相互連通，當承載力增大一個值時，RFC大試件內部裂紋把試件分成若干部分，繼續加載到極限強度值的100%大試件破壞。

大試件受壓破壞后，觀察斷裂面試件的局部破壞，可見部分斷裂面平整，部分可見塊石裂縫，大部分裂縫處于SCC和塊石的粘接界面處。分析斷裂面現象，被剪斷塊石分布較分散，沒有規律可尋。大部分由于產生剪切滑移斷裂存在于堆石體和SCC粘結界面，說明RFC受壓破壞時起主導作用的是SCC和堆石體兩種材料粘接界面的粘結能力。

堆石體的堆放隨機性使得堆石體與SCC粘結界面處于受力最不利位置，受拉應力大于堆石體與SCC的粘接抗拉應力，推測堆石體在彎剪作用下出現斷裂和掉落，裂縫快速發展。由于堆石混凝土是SCC和堆石體的復合材料，從微觀上試件內部存在原始微裂縫，由于堆石粒徑比較大，考慮微裂縫的界面大部分位于SCC和堆石體的交接面上，可能使得堆石混凝土RFC初始及破壞裂縫多為豎向主因。

RFC是非均質復合材料，堆石在RFC中嵌擠狀態(或稱咬合狀態)隨機分布，切割時不同部位的堆石體留存在試件中不同部位起加強和嵌擠(咬合)作用，在受力作用下荷載分布也是不均勻的。RFC內堆石體、SCC以及堆石體與SCC的粘結界面形成的三相組合導致試件內部應力重分布，結構上試件內部為強嵌擠(咬合)弱粘結，強抗壓弱抗拉，對試件整體力學性能產生顯著影響。

3.2.3系數k1的計算

k1定義為堆石混凝土大試件抗壓強度調整系數。經過式(1)進行方程回歸得到k1，數值在0.40-0.76之間，本研究樣本有限，建議取平均值為0.58。

用建議的k1=0.58計算的立方體抗壓強度為30.2MPa與幾何尺寸為450mm的立方體大試件實際強度平均值31.7MPa相差1.5MPa，理論計算與RFC大試件實際強度比值誤差為4.7%。

3.2.4抗壓強度試驗小結：

3.2.5.1試驗結果大試件立方體抗壓強度值分布在20.7～51.1MPa之間。

3.2.5.2試件存在各種缺陷，堆石料分布不均勻或存在層間裂隙、堆石體面面接觸等，測試抗壓強度值要小于實際強度。

3.2.5.3 NB/T10077—2018第4.3.1條規定“堆石混凝土強度等級應采用高自密實性能混凝土強度等級為代表?！爆F該工程設計標號為C9015W6F50等級，RFC大試件試驗結果是31.7MPa，試驗結果是設計抗壓強度的31.7/15=2.11倍。

3.3 劈裂抗拉試驗

劈裂抗拉強度相關試驗照片如圖7所示。

圖7 劈裂抗拉強度試驗

3.3.1試驗數據及分析

試驗數據統計分析見表8—10，如圖8所示。

表8 RFC大試件劈裂抗拉試驗結果 單位：MPa

表9 RFC大試件抗拉強度值所占比例 單位：MPa

表10 RFC大試件劈裂抗拉強度力學指標 單位：MPa

圖8 RFC大試件抗拉強度值所占比例

3.3.2試驗現象分析

劈裂抗拉試驗類似常規混凝土情況，試件大部分破壞屬于縱向破壞。大試件在受到線性劈裂荷載作用下，首先觀察到RFC大試件側面產生裂縫，裂縫沿堆石體與SCC粘接面周邊發展或斜向穿過RFC中的堆石體。大試件劈裂試驗破壞存在局部應力集中斜向45°；堆石體被剪切及碎裂的局部破壞；堆石體和SCC脫離破壞；大試件堆石體中部剪切破壞，及沿堆石體節理進行破壞。由于堆石體的隨機性堆放使得堆石在荷載作用時處于受力最不利位置有偏心受力出現。

試驗結果顯示堆石混凝土大試件劈裂破壞后，堆石和SCC粘接界面觀察到斷裂面；部分斷裂面平整，部分可見堆石裂縫；大部分裂縫處于堆石和SCC的粘接界面處。裂紋開展比較充分的地方，推測堆石和SCC的粘結界面充分密實粘接力抗拉強度較大。

3.3.3試驗小結

3.3.4.1試驗結果大試件立方體劈裂抗拉強度值分布在1.76-4.87MPa之間，均值3.09MPa。

3.3.4.2RFC大試件劈裂抗拉強度是現場取樣的專用SCC立方體標準試件劈裂抗拉強度的1.29倍。該值需要進一步驗證，需要考慮大尺寸試驗的尺寸效應。

3.3.4.3堆石體分布不均勻，大試件多數存在缺陷，總體上堆石混凝土大試件RFC劈裂抗拉強度評定值從試驗數據及破壞機理與常規混凝土相當。

3.4 靜力彈性模量

靜力彈性模量相關試驗照片如圖9所示。

圖9 靜力彈性模量試驗

3.4.1試驗數據及分析

彈性模量試驗參數見表11—13，如圖10所示。

表11 RFC大試件彈性模量試驗參數 單位：GPa

表12 RFC大試件彈性模量值所占比例 單位：GPa

表13 RFC大試件彈性模量綜合參數 單位：GPa

圖10 RFC大試件彈性模量值所占比例

3.4.2系數k2的計算

k2定義為堆石混凝土彈性模量調整系數。首先采用復合材料理論，RFC彈性模量則有上限和下限理論估算。上限單向復合材料并聯模型的混合律：

Ec=EfVf+EmVm

Ec=53.8×0.55+22.1×0.45=39.54GPa

下限單向復合材料串聯模型的混合律：

1/Ec=Vf/Ef+Vm/Em

Ec=EfEm/(EmVf+EfVm)

Ec=53.8×22.1/(22.1×0.55+53.8×0.45)

=1188.98/36.365=32.70GPa

堆石混凝土RFC作為復合材料的彈性模量在上下限之間，取其平均值為36.12GPa。

經過式(2)進行方程回歸得到k2，數值在0.72～0.97之間，本研究樣本有限，建議取平均值為0.85。

用建議的k2=0.85計算的彈性模量33.6GPa需和上下限值的平均值比較，復合律計算的上下限所取平均值36.12GPa。取大值36.12GPa作為堆石混凝土RFC的理論彈性模量。實測堆石混凝土彈性模量為平均值為34.01GPa。實測值、k2計算值與上下限的均值非常接近，理論取值36.12GPa與實際強度比值誤差為6%，。

實測堆石混凝土彈性模量為28.65-38.52GPa范圍，平均值為34.01GPa，數值較高。實測值與復合材料理論中的上下限值非常接近。SL191—2008《水工混凝土結構設計規范》中C15對應的標準值為22.0GPa，是標準試件的試驗值并考慮了保證率系數的取值。

3.4.3試驗小結

通過對比堆石混凝土大試件抗壓彈性模量為34.01GPa，約為SL191—2008中標準值 22.0GPa 的1.55倍。 試驗得到的是瞬時彈性模量，拱壩計算時要考慮徐變影響。

試驗得到的是瞬時彈性模量，拱壩計算時要考慮徐變影響。常規混凝土(包括全級配混凝土)，根據SL282—2018《混凝土拱壩設計規范》7.3.3條：考慮混凝土徐變等影響，拱壩應力分析應采用壩體混凝土持續彈性模量進行計算，壩體混凝土持續彈性模量可采用混凝土試件瞬時彈性模量的0.6-0.7倍。計算彈性模量取0.6-0.7倍瞬時模量，即0.6-0.7×34.01GPa=20.4-23.8GPa，通常計算彈性模量取為20.00GPa。

本次試驗RFC大試件抗壓彈性模量低于專用自密實混凝土，試件中堆石含量較低和堆積骨架狀態有一定的關系，有必要進行深入研究。

4 結論及建議

根據試驗研究，得到如下結論：

(1)RFC具備較高的抗壓強度、劈裂抗拉強度。RFC中SCC和塊石之間粘結強度、界面的性能還不清楚，建議進一步研究。

(2)RFC強度、彈性模量數值具有離散性。還應做軸心抗拉強度和彎曲抗拉強度試驗。

(3)RFC施工及質量評定過程中，可以按照規定頻率對SCC和堆石取樣試驗得到相關參數，建議取k1值按式(1)計算堆石混凝土RFC的抗壓強度。

(4)RFC施工及質量評定過程中，按照規定頻率對SCC和堆石取樣試驗得到相關參數，建議取k2值按式(2)計算得RFC彈性模量值。

建議：對于RFC工程項目，項目開工即采用同材料、同工藝、同條件澆筑試驗倉，采用切割技術成型大試件按相關規定進行試驗，獲得每一個項目的k1和k2值作為指導設計、施工、質量控制、竣工驗收的重要參數。在項目實施進行中，對自密實混凝土SCC和堆石體按頻率取樣，結合k1和k2值計算強度和彈性模量，作為常規質量檢測和控制的依據。