大壩混凝土峰后循環(huán)加載斷裂特性研究

陳輝忠

(廣東城華工程咨詢有限公司,廣州 510710)

0 引 言

混凝土大壩容易受到地震、臺風(fēng)和爆炸等動態(tài)加載攻擊,導(dǎo)致大壩混凝土處于循環(huán)加載狀態(tài)。在循環(huán)載荷的作用下,大壩混凝土?xí)a(chǎn)生裂紋,破壞混凝土大壩的完整性,危及大壩的正常運行,影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。同時,還會給人們的生命財產(chǎn)帶來安全風(fēng)險。因此,對大壩混凝土進(jìn)行循環(huán)加載試驗,研究大壩混凝土的力學(xué)性能和失效機理,有助于大壩工程的建設(shè)和提高混凝土大壩的安全性能。

目前,許多學(xué)者對大壩的斷裂性能開展了相關(guān)研究。徐世烺等[1]采用楔入式緊湊拉伸法,設(shè)計了最大尺寸為1 250mm×1 200mm×200mm不同高度的6組共36個試件,試驗研究雙K斷裂參數(shù),并驗證了該方法是一種操作簡單且穩(wěn)定的斷裂試驗方法,可作為預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)的控制閥值。胡少偉等[2]設(shè)計了不同截面高度的20個楔入劈拉試件進(jìn)行混凝土斷裂試驗,結(jié)果表明,起裂斷裂韌度基本不受試件高度變化的影響,失穩(wěn)斷裂韌度在試件截面高度低于500mm時表現(xiàn)出一定的尺寸效應(yīng),當(dāng)試件截面高度大于500mm時其值趨于穩(wěn)定。范向前等[3]通過非標(biāo)準(zhǔn)混凝土三點彎曲梁試驗,采用雙K斷裂理論計算方法,研究了不同初始裂縫長度和截面高度試件的有效裂縫長度和斷裂韌度,結(jié)果表明,有效裂縫長度和起裂荷載隨著跨高比減小而增大,而裂縫擴展量和斷裂韌度與跨高比無關(guān)。吳智敏等[4]利用虛擬裂縫模型和線彈性斷裂力學(xué),通過楔入劈拉試件的最大荷載和裂縫口張開位移,求解混凝土裂縫亞臨界擴展量的解析解,計算出楔入劈拉混凝土試件的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和臨界裂縫尖端張開位移,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)試件高度大于400mm時,這些斷裂參數(shù)與試件高度無關(guān)。趙艷兵等[5]對含有預(yù)制切口的混凝土試件梁進(jìn)行三點彎曲試驗,測量試件梁跨中撓度,通過荷載-撓度曲線計算混凝土斷裂能,結(jié)果表明,試件尺寸越大,斷裂能越高,P-δ曲線峰值也越高。

本文對某大壩施工現(xiàn)場混凝土在峰后循環(huán)加載下進(jìn)行不同加載速率的楔形劈裂試驗,研究大壩混凝土的斷裂行為,使用AE實時監(jiān)測大壩混凝土的斷裂過程,分析不同循環(huán)載荷下大壩混凝土的力學(xué)性能和AE特征。

1 材料及試驗方法

1.1 試驗材料

準(zhǔn)備大壩混凝土樣品。混凝土混合料中,使用42.5級普通硅酸鹽水泥、一些二級粉煤灰、均勻級配的河沙、5～20mm的小碎石、20～40mm的中碎石和40～80mm的大碎石,并添加聚羧酸減水劑,以獲得良好的流動性。大壩混凝土的配合比見表1。混凝土混合料倒入邊長為300mm的立方模具中,成型試件在24h后取出,在溫度為20℃、相對濕度高于95%的恒溫箱中養(yǎng)護28天。試驗前,預(yù)制一條寬2mm、長為試件高度0.4倍的預(yù)裂縫。

表1 大壩混凝土配合比

混凝土的制備模具采用鋼模,在鋼模中完成澆筑后進(jìn)行持續(xù)28天的天然養(yǎng)護后即可開始試驗。通過試驗測量,得到同樣養(yǎng)護時長的濕篩二級配混凝土伴隨試樣的軸壓強度、劈拉強度、抗壓強度以及彈性模量分別為28.0、2.6、39.1以及39.9GPa。

1.2 楔劈試驗方法

通過MTS322試驗機,對大壩混凝土試件進(jìn)行楔形劈裂試驗。施加的垂直載荷通過楔形加載框架和力傳遞板上的滾子,轉(zhuǎn)換為試件上的水平載荷P。根據(jù)平衡條件,水平載荷P與垂直載荷Pv之間的關(guān)系如下:

式中:θ為楔角,取15°。

本文使用裂縫口張開位移(CMOD)來控制加載過程。為了研究加載速率對大壩混凝土后峰循環(huán)斷裂性能的影響,對大壩混凝土試件進(jìn)行加載速率為0.001和0.01mm/s的楔形劈裂試驗。試驗中,使用恒定的CMOD步長來實現(xiàn)后峰循環(huán)加載和卸載過程。當(dāng)大壩混凝土試件的CMOD達(dá)到0.2mm時,以0.2kN/s的速率開始卸載;然后進(jìn)行第二次循環(huán)加載,當(dāng)CMOD達(dá)到0.3mm時開始卸載。以CMOD為0.1mm的間隔進(jìn)行循環(huán)加載和卸載。經(jīng)過9個循環(huán)后,試件單調(diào)加載,直至完全破壞。

1.3 聲發(fā)射試驗方法

本文聲發(fā)射參數(shù)使用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的Sensor Highway II 8通道采集系統(tǒng)收集。設(shè)定的閾值為35dB,前置放大器增益35dB,濾波頻率1～60kHz。4個聲發(fā)射傳感器固定在大壩混凝土試件的前后面,試件和傳感器表面涂抹適量凡士林,用膠帶固定。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 P-CMOD曲線

圖1為大壩混凝土在不同加載速率下循環(huán)加載的P-CMOD曲線。

圖1 后峰循環(huán)加載下的P-CMOD曲線

圖1中,峰值載荷隨著加載速率的增加而增加,表明大壩混凝土對斷裂行為具有顯著的速率效應(yīng)。后峰循環(huán)加載下,P-CMOD曲線外輪廓線的斜率隨著加載速率的增加而逐漸減小,表明材料的脆性隨著加載速率的增加而變得更加明顯。同時,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,P-CMOD曲線卸載曲線的斜率逐漸減小,呈現(xiàn)出剛度退化現(xiàn)象。此外,大壩混凝土的剛度退化隨著加載速率的增加而變得更加嚴(yán)重,見圖2。

圖2 大壩混凝土在循環(huán)加載下的剛度退化

圖3為CMOD-時間曲線。從圖3可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,每個循環(huán)中卸載后CMOD的減小量逐漸減小。而且隨著加載速率的增加,在同一循環(huán)中CMOD的減小量更少,即隨著加載速率的增加,大壩混凝土的斷裂破壞更加嚴(yán)重。加載速率為0.001mm/s時,每個循環(huán)閉合后的CMOD都小于前一個循環(huán)的最大CMOD;加載速率為0.01mm/s時,第八個循環(huán)載荷作用下,循環(huán)閉合后的CMOD開始大于前一個循環(huán)的最大CMOD,這是因為不可逆形變隨著加載速率的增加而增加[6-7]。

圖3 不同循環(huán)加載速率下的CMOD-時間曲線

2.2 AE特征

累積AE計數(shù)通常用于評估聲發(fā)射活動。圖4為不同循環(huán)加載速率下的載荷和累積AE計數(shù)-時間曲線。兩種不同加載速率下,大壩混凝土的累積AE計數(shù)曲線的趨勢基本相同,呈階梯式增長趨勢。AE計數(shù)主要集中在加載階段。每個循環(huán)中,累積AE計數(shù)在峰值載荷附近開始增加,并在卸載點附近保持恒定。這是因為在初始加載階段,大壩混凝土中只出現(xiàn)少量微裂紋,AE信號較弱。隨著加載過程,微裂紋數(shù)量增加,AE信號增加,累積AE計數(shù)增加。在卸載階段,隨著載荷的減小,一些裂紋關(guān)閉,AE信號較弱,累積AE計數(shù)基本保持不變。直到下一個循環(huán)加載階段,隨著載荷的增加,裂紋開始再次擴展,微裂紋繼續(xù)出現(xiàn)并轉(zhuǎn)化為宏觀裂紋,AE信號增強,累積AE計數(shù)繼續(xù)增加。

圖4 不同循環(huán)加載速率下的載荷和累積AE計數(shù)-時間曲線

此外,兩種加載速率下,每個循環(huán)載荷中累積AE計數(shù)的起始增長點和最大點對應(yīng)的載荷不同。當(dāng)加載速率為0.001 mm/s時,累積AE計數(shù)的初始增長點出現(xiàn)在本周期峰值載荷之前。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,累積AE計數(shù)的初始增長點更接近峰值載荷點。每個循環(huán)的累積AE計數(shù)的最大值點對應(yīng)于最低卸載點。加載速率為0.01mm/s時,累積AE計數(shù)的初始增長點基本在峰值載荷點處,每個循環(huán)中累積AE計數(shù)的最大點基本在卸載點處。

AE信號主要在循環(huán)加載階段的裂紋閉合和新裂紋的形成過程中產(chǎn)生。加載速率越快,大壩混凝土內(nèi)部微裂紋的形成和擴展時間越短,AE計數(shù)越少,損傷累積越小。因此,當(dāng)加載速率較低時,在達(dá)到峰值載荷之前,微裂紋和損傷已經(jīng)開始萌芽,累積AE計數(shù)開始上升。在卸載階段,裂紋關(guān)閉,導(dǎo)致AE信號較少。同時,在卸載階段累積AE計數(shù)的數(shù)量基本穩(wěn)定。根據(jù)累積AE計數(shù)的增長過程曲線,可以反映大壩混凝土中的損傷和破壞。水平線段表示AE信號數(shù)量較少,裂紋處于閉合狀態(tài)。增長階段表示裂紋重新擴展,并發(fā)展新裂紋。在峰后循環(huán)加載下,以0.001mm/s的加載速率,每個循環(huán)載荷達(dá)到峰后約90%時,有大量裂紋擴展。與0.01mm/s的加載速率相比,0.001mm/s的加載速率下裂紋的發(fā)展更早。

3 結(jié) 論

本文對大壩混凝土在峰后循環(huán)加載下進(jìn)行了不同加載速率的楔形劈裂試驗,以研究大壩混凝土的斷裂行為,并分析了不同循環(huán)載荷下大壩混凝土的力學(xué)性能和AE特征。結(jié)論如下:

1)大壩混凝土的斷裂具有顯著的速率效應(yīng)。隨著加載速率的增加,峰值載荷增加,峰后P-CMOD曲線的斜率逐漸減小,大壩混凝土的剛度退化嚴(yán)重。

2)當(dāng)加載速率為0.001mm/s時,累積AE計數(shù)的初始增長點出現(xiàn)在本周期峰值載荷之前;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,累積AE計數(shù)的初始增長點更接近峰值載荷點;每個循環(huán)的累積AE計數(shù)的最大值點對應(yīng)于最低卸載點。

3)當(dāng)加載速率為0.01mm/s時,累積AE計數(shù)的初始增長點基本在峰值載荷點處;每個循環(huán)中累積AE計數(shù)的最大點基本在卸載點處。