中抗硅酸鹽水泥混凝土彎曲疲勞力學特性影響試驗研究

向 英

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

混凝土材料是水利樞紐工程中常見的承重、防滲性材料[1]，要保證水工結構運營可靠性，前提是主材性能使用過程中長期以往的穩定、安全[2]，故探討混凝土的疲勞力學特性，對提高水工建筑運營水平有所價值。吳建福等[3]、王長青等[4]為研究混凝土材料的疲勞力學特征，設計開展了單軸加卸載力學試驗，檢驗了混凝土循環受荷力學水平，獲得了混凝土循環受荷疲勞力學影響變化趨勢，有助于工程設計參照。華吳超等[5]、蔡祥磊等[6]為研究混凝土材料的彎曲力學特征，設計開展了三點彎、四點彎等力學試驗，分析了混凝土的彎曲力學水平，并探討了混凝土彎曲應力、應變受工程環境等因素影響變化特征，豐富了混凝土材料的應用場景。中抗硅酸鹽水泥混凝土是一種應用較廣的多用途類型材料，任玉杰[7]、林志遠[8]針對此類型混凝土，設計開展了單軸壓縮、劈裂拉伸力學特征變化，探討了強度、變形的宏觀影響，有助于豐富此類型混凝土設計參照成果。本文為研究中抗硅酸鹽水泥混凝土在水利樞紐工程中應用，設計開展了彎曲力學疲勞試驗，探討了該類型混凝土疲勞特性與摻加料、初始損傷關聯性，為工程建設提供理論依據。

1 研究方法

1.1 工程介紹

額爾齊斯河具有豐富的水資源，對北疆農牧業生產具有重要作用，合理有效開發額爾齊斯河流域水資源，有助于改變北疆地區水資源分布不均、調度阻塞、輸水耗散的現狀。同時，受氣候變暖影響，北疆部分冰川帶融化，常導致進入額爾齊斯河流域的水量暴漲，對流域沿線水土流失、河道護坡均是嚴重危害，對河道防洪、水工建筑運營均有不利影響。為此，河道管理部門考慮在中游擬建一水利樞紐工程，承擔額爾齊斯河中游乃至下游地區的輸水灌溉、水力發電、梯級調度等水利職責，計劃建設蓄水庫最大庫容量為5800萬m3，控制額爾齊斯河流域中游面積800km2，規劃有溢洪道、下游輸水干渠、地下引水工程、攔河主壩以及導流洞等附屬水工建筑。根據初步設計可知，所建設的攔河主壩采用混凝土重力壩結構型式，設計最大高度為32.6m，過境洪峰下最大水位為32m，全壩主軸長為362.5m，所使用的水工建筑材料以中抗硅酸鹽水泥混凝土為主，確保滿足主壩防滲性要求。溢洪道閘室、閘身等重要部位均采用中抗硅酸鹽水泥混凝土主材，特別在溢洪道進水口處，為提高進水口處抗水力沖蝕能力，采用了多圈層、多厚度、多類型的布置方式，確保即使是在溢洪道最大泄流量520m3/s的工況下，進水口仍能保障結構安全穩定，同時三維滲流場運動平靜，不出現非穩定活躍滲流。除此之外，在該水利樞紐工程的地下引水工程中，為保障開挖圍巖穩定性，采用了中抗硅酸鹽水泥混凝土材料為襯砌結構主材，引水工程開挖面為拱形結構，設計最大通流量為125m3/s，地下開挖斷面襯砌結構不同部位處最大主應力變化如圖1所示，最大主應力為拱頂，可達1.65MPa，但據FLAC 3D圍巖仿真分析表明，采用中抗硅酸鹽水泥混凝土襯砌結構后，其主應力可降低45.5%～65.5%，減少圍巖應力擾動影響。基于上述工程分析可知，中抗硅酸鹽水泥混凝土材料在該水利樞紐工程中具有舉足輕重的作用，不可忽視該水工材料的長期使用壽命，特別是其力學穩定性，為此，工程設計部門討論針對該類型混凝土開展彎曲疲勞力學試驗，以期對工程建設提供參考。

圖1 襯砌結構不同部位處最大主應力變化

1.2 試驗介紹

混凝土材料的拉、壓力學特征在很多學者研究成果中均有體現，但混凝土的彎曲力學特性，目前觸及還較少，特別是針對中抗硅酸鹽水泥混凝土此類型。因而，本文采用MS-1000混凝土力學試驗設備開展彎曲疲勞試驗，該試驗設備可通過改裝加載平臺，適配三點彎曲、彎曲拉伸等不同方式的力學試驗。試驗加載系統包括了一個最大量程為1000kN的力學傳感去，精度可至0.01%，數據測試系統包括了LVDT傳感器、機器位移測量裝置等，分別對試樣變形、加載平臺位移展開精密測量，以獲得混凝土試樣最真實的力學特征，本試驗中LVDT傳感器量程為-10～10mm，機器位移限位值為10mm。所有數據采集通道依賴于八通道MS設備，并與中控平臺相連，可實時處理并呈現試樣力學數據變化，為試驗進程轉換、停止試驗等提供參照。

為確保試驗結果與工程實際相貼合，在工程現場采樣后，在室內實驗室完成中抗硅酸鹽水泥混凝土的基礎物理特性測試，獲得了其水膠比為0.33，砂率為0.236，同時摻有稻殼灰等外加劑，含量分布為0%～10%，部分混凝土摻加稻殼灰批次各異，故稻殼灰粒徑有所差異，分布為8～20μm，且部分混凝土由于鉆孔影響，含有初始裂隙分布帶。在研究對象后，經室內加工打磨后，所制備的混凝土典型試樣如圖2所示。針對混凝土的彎曲疲勞力學特性，采用四點式彎曲力學測試方法[9]，開展彎曲力學破壞試驗，加載平臺上一塊混凝土試樣的彎曲力學測試形態，如圖3所示，實驗室實物如圖3(b)所示。在前期獲得了混凝土單軸抗壓強度的基礎上，按照單軸強度一定比例的方式下，依次開展循環彎曲加卸載試驗，直至試樣發生彎曲力學破壞，力學加載示意如圖4所示，每一次加載均需達到目標應力值后，才可卸荷開始下一次加載。

圖2 四點彎曲混凝土試樣

圖3 四點彎曲試驗

圖4 四點彎曲加卸載示意

從該水利樞紐工程中抗硅酸鹽水泥混凝土特點考慮，分別有其稻殼灰摻量、稻殼灰粒徑等差異，也有初始裂隙帶分布的差異，故彎曲疲勞力學試驗也是圍繞此三者因素開展設計。根據實際鉆孔抽樣測試，本試驗中稻殼灰摻量設置為0%、2%、4%、6%、8%、10%共6組，而稻殼灰粒徑分別設置為8、10、12、14、16、18、20μm共7組方案，針對初始裂隙帶分布影響，試驗前采用人工預制裂紋方法，統一在試樣表層制作深度為5mm、長度為20mm的裂紋帶，并按照裂紋帶數量模擬初始裂隙損傷影響，分別設置初始裂隙帶有0、1、2、3、4、5、6、7條。彎曲加荷目標應力會影響試樣疲勞力學特征，因而設置彎曲目標應力分別為單軸強度的0.9、0.8、0.7、0.6共4種方案。各組試驗參數見表1。基于彎曲疲勞力學試驗數據，探討中抗硅酸鹽水泥混凝土的疲勞壽命影響特性。

表1 試驗參數表

2 混凝土疲勞壽命與初始損傷關系

基于彎曲疲勞力學試驗，獲得了不同彎曲應力水平下疲勞壽命與初始裂隙帶數量變化關系，如圖5所示，由于疲勞壽命次數在不同試樣間量值差異較大，故采用對數指標lgN表征疲勞壽命。分析圖5可看出，初始裂隙帶的存在，會極大改變混凝土試樣疲勞壽命，在彎曲應力水平倍值0.6時，當試樣表面無裂隙帶時，疲勞壽命lgN可達6.78，而相應含初始裂隙帶的試樣疲勞壽命lgN分別降低至2.3～6.4，初始裂隙帶的存在，不利于試樣抗疲勞。進一步觀察疲勞壽命lg變化可看出，在初始裂隙帶1～4條時，疲勞壽命隨初始裂隙帶變化還處于較低變幅，彎曲應力水平0.6下，相應疲勞壽命lgN平均降幅為4.9%，但在初始裂隙帶4～7條時，疲勞壽命的變化出現快速增幅，各方案試樣間疲勞壽命lgN最大降幅可達31.3%，疲勞壽命lgN分布于2.3～4.5。分析可知，試樣彎曲疲勞壽命受初始裂隙帶損傷影響，但影響效應在初始裂隙發展到一定程度上才更顯著。

圖5 試樣彎曲疲勞壽命與初始損傷裂隙帶關系

對比彎曲應力水平影響可知，同樣初始裂隙帶下，彎曲應力水平愈高，則疲勞壽命lgN愈低，當初始裂隙帶同為2條時，彎曲應力水平為0.6時，相應疲勞壽命lgN為6，而彎曲應力水平0.7、0.8、0.9下三者方案試樣疲勞壽命較之前者分別減小了18.5%、33.6%、45.9%；特別的，當初始裂隙帶增大至3條、5條乃至7條時，疲勞壽命lgN受彎曲應力水平影響愈敏感。由此可知，初始損傷會改變疲勞壽命與彎曲應力水平關系，同時初始損傷進展更大[10-11]，則混凝土彎曲疲勞壽命受限性更大。

3 中抗硅酸鹽混凝土疲勞壽命與稻殼灰特征關系

3.1 稻殼灰粒徑影響

針對中抗硅酸鹽水泥混凝土試樣摻有稻殼灰時疲勞壽命特征，獲得了稻殼灰粒徑與疲勞壽命變化關系，如圖6所示。從圖6可看出，稻殼灰粒徑與疲勞壽命總體呈正相關關系，但在粒徑16μm后，疲勞壽命lgN增幅放緩，甚至出現遲滯現象。從具體疲勞壽命數據對比可知，當彎曲應力水平為0.7時，稻殼灰粒徑為8、10μm下，相應疲勞壽命lgN分別為2.64、3.3，粒徑12、14、16μm下試樣彎曲疲勞壽命較之粒徑8μm下分別增長了47.6%、72.2%、91.9%，而粒徑為18μm、20μm兩者試樣疲勞壽命lgN分別為5.2、5.26，較之粒徑16μm下分別僅有1.8%、3.6%增幅。當彎曲應力水平為0.8、0.9時，在粒徑為16～20μm后，彎曲疲勞壽命增幅更低，基本上呈穩定狀態，兩者應力水平方案內，該粒徑范圍內疲勞壽命分別為3.19、2.3。分析表明，稻殼灰粒徑對提升混凝土彎曲疲勞壽命有正向作用，但粒徑超過一定“門檻”后，彎曲疲勞壽命受之影響較弱，控制稻殼灰粒徑在合理區間即可[12]。另一方面，當彎曲應力水平變化，疲勞壽命lgN隨稻殼灰粒徑變化幅度減弱，總體疲勞壽命lgN會減小，且受稻殼灰粒徑影響平穩性更大。

圖6 試樣彎曲疲勞壽命與稻殼灰粒徑關系

3.2 稻殼灰摻量影響

同理，獲得了稻殼灰摻量與混凝土試樣彎曲疲勞壽命關系曲線，如圖7所示。由圖7彎曲疲勞壽命lgN變化可知，疲勞壽命與摻量具有二次函數關系，在稻殼灰摻量為2%～6%時，試樣彎曲疲勞壽命lgN隨摻量呈正相關提高作用，反之，在摻量6%～10%時，相應疲勞壽命lgN遞減變化。在彎曲應力水平0.6時，稻殼灰摻量2%～6%下，試樣彎曲疲勞壽命lgN分別為5.85、6.47、6.99，試樣梯次間彎曲疲勞壽命lgN具有平均增幅11%，而在摻量6%～10%下，彎曲疲勞壽命lgN分布為5.38～6.99，平均降幅為12.6%，遞減區間受稻殼灰摻量影響敏感性高于遞增區間。另外，在無稻殼灰摻量的試樣中，彎曲應力水平0.6～0.9在4個方案下彎曲疲勞壽命lgN分布為1.92～5.11，相比之下，有稻殼灰摻量的試樣總體疲勞壽命均高于前者，但稻殼灰摻量達10%后，部分彎曲應力水平方案內試樣彎曲疲勞壽命不及前者，如在彎曲應力水平0.8方案內，摻量10%試樣與摻量0%的疲勞壽命lgN分別為2.3、2.9。分析認為，中抗硅酸鹽水泥混凝土摻加一定量稻殼灰，有助于增強其抗彎曲疲勞特性，但摻量控制在合理區間更為有效，若施加過量稻殼灰，反而會不利于試樣抗彎曲疲勞能力[13-14]，水利樞紐工程建設時應考慮摻量的綜合影響。

圖7 試樣彎曲疲勞壽命與稻殼灰摻量關系

4 結語

(1)初始裂隙帶愈多，試樣彎曲疲勞壽命愈低，尤以初始裂隙帶4條后，彎曲疲勞壽命受削弱更明顯；彎曲應力水平愈高，彎曲疲勞壽命愈低，同時，初始裂隙帶愈多，彎曲疲勞壽命受彎曲應力水平影響愈顯著。

(2)稻殼灰粒徑與疲勞壽命總體呈正相關變化，但粒徑16μm后增幅減緩。

(3)彎曲疲勞壽命lgN與摻量具有二次函數關系，在摻量2%～6%與6%～10%時，疲勞壽命分別呈遞增、遞減變化，且遞減區間變幅高于前者區間，摻量不應過多。

(4)中抗硅酸鹽水泥混凝土增加稻殼灰有助于提升抗彎曲疲勞特性，但應控制稻殼灰粒徑、摻量，同時減少初始損傷作用。