尺寸效應對面板混凝土動態力學性能影響的試驗研究

鄭 洲 ，劉建鵬 ，徐 帆 ，荊慧斌 ，周 毓

（1.上海涇景水利工程設計有限公司，上海 虹口200000；2.西安大澤工程咨詢服務有限公司，陜西 西安712000;3.西安理工大學，陜西 西安 710048）

0 引言

混凝土結構廣泛利用在水利工程、交通設施、工業與民用建筑、近海工程等領域，而且目前越來越多的利用在海洋工程、嚴寒極地以及遭受化學腐蝕的特殊環境中。近年來，我國開展并實施了針對水資源的開發治理、能源結構的優化、能源配置的改善及水利工程生態環境建設等一系列的規劃，我國的水電建設目前仍然具有強大的發展潛力，高壩建設和大壩安全仍然是限制壩工技術發展的難題。一旦高壩在地震作用下出現事故，其帶來的后果將是破壞力強、影響范圍廣并將引起難以挽回的重大損失，因此在高壩建設領域中廣泛使用的混凝土壩和面板堆石壩的壩體材料在大尺寸下的力學性能有必要進行深入的研究，對高地震烈度區的高壩抗震安全也需給予足夠的重視。

近年來，研究學者們對于混凝土的尺寸效應在準靜態荷載作用下進行了較為深入的研究，但是由于試驗條件的局限性，對于混凝土的尺寸效應在動態荷載作用下的研究較為匱乏，僅有少數研究學者進行了相關的研究。如Elfahal等[1]對不同尺寸的圓柱體試件進行了不同應變速率的SHPB沖擊試驗，試驗結果表明隨著試件尺寸的增大，試件的動態強度趨于降低，即混凝土尺寸對混凝土動態性能具有顯著的影響。張建等[2]結合實際工程情況中大壩碾壓混凝土的一些力學性能通常根據濕篩混凝土試件確定，在進行靜動態彎拉強度尺寸效應試驗研究中的材料選擇為某實際拱壩工程材料及其配合比下的三級配混凝土，研究發現三級配混凝土靜態強度均低于動態彎拉強度，并且觀察到明顯的強度尺寸效應，大尺寸混凝土試件的彎拉強度增長率呈現偏小狀態。閆東明等[3]對三種尺寸不同混凝土棱柱體試件分別進行了加載速率為 0.5 mm/min、5 mm/min、50 mm/min 和 500 mm/min 的抗折強度試驗，結果表明混凝土試件的抗折強度隨著加載速率的提高而增加，對于相同加載速率的試件，試件的抗折強度與尺寸效應成反比。

在已有的國內外學者對于混凝土的動態力學性能研究成果中，對于考慮尺寸效應的面板混凝土的動態力學性能研究較少，因此本文通過一系列的實驗設計來研究尺寸效應對于面板混凝土動態力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及混凝土配合比

參照《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL 228-2013）[4]對面板混凝土的要求，本次試驗采用強度等級為42.5R的秦嶺牌普通硅酸鹽水泥，質量等級為Ⅱ級的粉煤灰，骨料采用河砂及采用粒徑為5 mm～30 mm（粒徑為5 mm～20 mm、20 mm～30 mm的比例為1∶1）的天然卵石；混凝土外加劑采用三萜皂甙高效引氣劑以及聚羧酸高效減水劑；水采用實驗室普通自來水。試驗參照規范和已有面板壩工程的配合比[5,6]，設計了本試驗所用的面板混凝土配合比。面板混凝土28 d抗壓強度測定時，取3個試件的平均值。面板混凝土配合比及力學性能見表1，由表可知該配合比下試件的抗壓強度標準值滿足混凝土面板堆石壩設計規范對面板混凝土強度等級為C25的要求。

表1 面板混凝土配合比及力學性能

1.2 試件制作及試驗方法

1.2.1 試件制作與養護

本試驗中主要考慮面板混凝土的尺寸效應對動態力學性能的影響，面板混凝土試件尺寸選擇為A組（Ф150 mm×150 mm）、B組（Ф150 mm×300 mm）、C組（Ф150 mm×450 mm）、（見圖1）的圓柱體試件。由于混凝土試件尺寸較大和標準養護箱空間大小的限制，根據《普通混凝土力學性能試驗方法》（GBT 50082-2009）[7]中的規定，將制好的混凝土試件完全浸入不流動的溫度控制在20±2℃的飽和Ca（OH）2溶液中養護到28天齡期。

圖1 三種尺寸規格的圓柱體試件模具

1.2.2 三軸力學性能試驗

將達到養護齡期的每組試件進行1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四種級別不同應變速率的三軸力學試驗，研究不同尺寸的面板混凝土試件在不同應變速率下的三軸力學性能。見圖2、圖3。

圖2 DTD-2000KN粗粒土動靜三軸試驗儀

圖3 混凝土試件安裝示意圖

2 試驗結果及其分析

2.1 不同尺寸試件的面板混凝土極限抗壓強度與應變速率的關系分析

在圍壓恒定為5 MPa的狀態下，A、B、C三組試件分別在施加 1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四種不同的應變速率下的軸向極限抗壓強度值見圖4。

分析過程中，以加載應變速率為1×10-4s-1時得到的抗壓強度值為基準值，得到各組試件在加載應變速率為2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1時對應的軸向極限抗壓強度與軸向動態極限抗壓強度增長率，結果見圖5。為了研究尺寸效應對試件抗壓強度的影響程度，以A組試件的抗壓強度值為基準值，得到B、C兩組試件的抗壓強度損失率，結果見圖6。

圖4 軸向極限抗壓強度和應變速率的關系

圖5 軸向極限抗壓強度增長率與應變速率之間的關系

圖6 軸向抗壓強度損失率與應變速率的關系

圖7 不同應變速率下的抗壓強度增長率

綜合分析比較圖4～圖7可得：當加載的應變速率相同時，隨著混凝土試件尺寸高徑比的增大，試件的軸向抗壓強度減小，軸向抗壓強度損失率增大。

綜合比較相同尺寸的面板混凝土試件，隨著加載時應變速率的提高，試件的極限抗壓強度隨之增大。以混凝土試件作用有1×10-4s-1應變速率時的抗壓強度值作為基準值，對試件的極限抗壓強度增長率和應變速率曲線圖進行分析可知：隨著加載時設置的應變速率的提高，A組試件的抗壓強度增長率相對于B、C兩組較大，B組和C組試件的抗壓強度增長率在應變速率為2×10-4s-1、5×10-4s-1時相差不大，當應變速率為1×10-3s-1時，不同尺寸面板混凝土試件的增長率出現較大的差異。由此可得：面板混凝土的應變速率較低時，混凝土試件尺寸高徑比的增大對試件的抗壓強度增長率的增幅影響不大。

對于試驗結果的數據進行進一步分析可以得出：對于不同尺寸試件的軸向極限抗壓強度值，與作用的應變速率的增加呈現正相關趨勢，不同尺寸的面板混凝土試件的抗壓強度的增幅隨著作用的應變速率的增加而相應減緩。因此，對面板混凝土試件的軸向抗壓強度和應變速率的關系進行對數回歸模型的分析并得到相應的擬合曲線，見圖8～圖10。

圖8 A組試件應力與應變速率擬合曲線

圖9 B組試件應力與應變速率擬合曲線

圖10 C組試件應力與應變速率擬合曲線

2.2 不同尺寸下混凝土峰值應變與應變速率的關系分析

在圍壓恒定為5 MPa的狀態下，A、B、C三組試件分別在施加 1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四種不同的應變速率下的軸向峰值應變值見圖11。

圖11 不同應變速率下的峰值應變

對圖11進行分析可得：A、B、C三組試件的峰值應變整體上隨著作用的應變速率的提高而相應的降低，以混凝土試件作用有1×10-4s-1的應變速率時的峰值應變值作為基準值，當試件上作用有 2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1三種不同的應變速率時，A組試件對應的峰值應變值分別有2.74%、14.38%、18.49%的減小，B組試件對應的峰值應變值分別有7.9%、26.5%、29.3%的減小，C組試件對應的峰值應變值分別有8.1%、10.8%、19.9%的減小。

當作用于面板混凝土試件上的應變速率相同時，試件的峰值應變值隨著試件尺寸高徑比的增大呈現相應的減小規律。以作用在A組試件上的應變速率產生的峰值應變值作為基準值，B、C兩組試件的峰值應變值在加載的應變速率為1×10-4s-1時，相應的減小了4.1%、24%。當加載的應變速率為 2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1時，B、C 兩組試件的峰值應變值相應的減少為9.2%、28.2%、17.6%和20.8%、16.8%、25.2%。

3 結論

本文采用混凝土動靜三軸儀試驗儀對考慮尺寸效應的面板混凝土材料進行了動態力學性能試驗研究，重點對面板混凝土軸向抗壓強度以及峰值應變的演化規律進行研究，結論如下：

（1）面板混凝土的軸向抗壓強度隨著應變速率的提高而增大，隨著試件尺寸高徑比的增大呈現減小趨勢。

（2）隨著應變速率的提高，不同尺寸的面板混凝土試件的峰值應變值整體上隨之呈現降低趨勢，隨著面板混凝土試件高徑比的增大也呈現減小趨勢。

（3）利用回歸分析的方法對試驗中不同尺寸面板混凝土的軸向抗壓強度和應變速率的關系進行分析，得到它們之間的相關系數較高、與試驗數值吻合較好的擬合關系式。