干燥和飽和狀態(tài)下大壩混凝土雙軸受壓動力特性研究

柯善鐵

(廣東華迪工程管理有限公司，廣東 廣州 510600)

0 引言

混凝土是使用廣泛的建筑材料之一，適用于建造房屋、大壩、港口、橋梁等工程。混凝土結(jié)構(gòu)不僅承受靜載荷，還承受波浪沖擊、地震、爆炸等動載荷[1]。在動態(tài)條件下，混凝土的強度與加載速率緊密相關(guān)，強度值隨著應(yīng)力或應(yīng)變率的增加而變化[2]。孫超偉等[3]根據(jù)單軸應(yīng)力狀態(tài)下的試驗結(jié)果，分析了混凝土的動態(tài)特性，建立了動態(tài)本構(gòu)模型。近年來，針對動態(tài)行為情況下的單軸拉伸和壓縮性能研究較多，因進行多軸動態(tài)試驗操作較困難，混凝土在不同應(yīng)變率和圍壓下的強度和變形試驗較少。目前，對小體積普通混凝土的變形和強度的試驗研究較多，但對水利工程中常用的大體積混凝土的多軸試驗研究較少[4]。在實際工程中，大體積混凝土常用于各種重力壩、拱壩等水利工程中，而大壩、橋墩、海洋結(jié)構(gòu)、海洋石油平臺等混凝土結(jié)構(gòu)長期處于水環(huán)境中，混凝土的含水量對其力學(xué)性能有一定影響，由于水壓和混凝土中不同類型的孔隙等原始缺陷，混凝土處于飽和或非飽和的不同狀態(tài)，混凝土的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能受到混凝土孔隙中自由水的影響[5]。準確地分析水工結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，研究混凝土在飽和效應(yīng)和不同加載速率情況下的力學(xué)性能非常重要。王孝政等[6]對大尺寸飽和混凝土單軸壓縮動態(tài)性能進行了研究。盛余飛等[7]發(fā)現(xiàn)，混凝土在多軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)強度高于靜態(tài)強度，但提高幅度小于單軸荷載情況下的混凝土。目前，關(guān)于含水量對混凝土動態(tài)性能影響的研究主要集中在高應(yīng)變率下不同含水量的單軸狀態(tài)。飽和混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)比普通混凝土更顯著，有必要對飽和混凝土的力學(xué)性能，特別是多軸應(yīng)力狀態(tài)下的準靜態(tài)和動態(tài)特性進行試驗研究。

本文通過研究干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下大壩混凝土在不同應(yīng)變率下雙軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的強度，設(shè)置4種不同的應(yīng)變率及五種不同的應(yīng)力比進行雙軸快速壓縮加載試驗，對干燥、飽和狀態(tài)下的混凝土的試驗結(jié)果進行了分析，研究自由水和加載速率對大壩混凝土雙軸抗壓性能的影響。

1 材料及試驗方案

1.1 材料和配合比

拱壩上游面常用三級配混凝土，三級配粗骨料的粒徑級配為：50～80mm的大粒徑粗骨料、20～50mm的中粒徑粗骨料和5～20mm的小粒徑粗骨料，重量比設(shè)置為4∶3∶3。根據(jù)DL/T 5330—2018《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，粗骨料的最大粒徑為80mm。同時，根據(jù)SL 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》，混凝土試件長度的最小尺寸不應(yīng)小于最大骨料粒徑的3倍，本文中混凝土試件尺寸為250mm×250mm×250mm的立方體。水泥為長春某水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為一級粉煤灰，以節(jié)省水泥用量并減少實際應(yīng)用中的水化熱。砂為天然河砂，細度模數(shù)為2.5。表1為大壩混凝土的配合比設(shè)計。

表1 大壩混凝土試件配合比 單位：kg/m3

1.2 試樣制備

將水泥、砂、粗骨料和粉煤灰均勻混合5min，加入水和減水劑，再混合3min。使用高頻電阻振搗器將其振搗密實，放置24h后，將試件脫模放置在(20±3)℃和95%相對濕度的養(yǎng)護條件下放置28d。試驗之前對試件的六個側(cè)面進行研磨，以確保樣品具有平坦的邊緣和直角。試件分為2批：一批置于在水中直到測試，另一批在室溫條件下自然養(yǎng)護。

1.3 試驗方法

本項目在伺服液壓多軸試驗系統(tǒng)上進行三軸試驗，試驗機能夠產(chǎn)生3種獨立的壓力或拉力。拉伸載荷和壓縮載荷分別可達1000和2500kN，負載通過6個裝載千斤頂施加，千斤頂配備球形自對準頭，以在試樣上獲得均勻的應(yīng)力分布。通過校準的測力傳感器測量，精度為0.1%。同時，通過線性可變差動變壓器測量變形，精度為0.001mm。試樣在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下加載，側(cè)向壓力與軸向荷載保持一定比例，應(yīng)力比分別為0∶1、0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1、1∶1。大壩混凝土的位移率分別為0.0025、0.025、0.25和2.5mm/s，對應(yīng)的應(yīng)變率分別為1×10-5、1×10-4、1×10-3和1×10-2s-1。為了消除加載壓板對試樣表面的約束，在加壓板與試樣之間放置了減摩墊。對于每組不同的應(yīng)力比，測試3個試樣，取其平均值作為試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 抗壓強度

干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下混凝土的動態(tài)雙軸抗壓強度見表2。

表2 動態(tài)雙軸壓縮荷載作用下大壩混凝土的極限強度 單位：MPa

在表2中，由于側(cè)向約束的影響，大壩混凝土在雙軸壓縮狀態(tài)下的極限強度高于單軸抗壓強度。在相同的應(yīng)變率下，強度增量取決于雙軸應(yīng)力比。對于本文研究的應(yīng)變率，最大雙軸強度出現(xiàn)在應(yīng)力比為0.5∶1和0.75∶1時。由于雙軸壓縮增加了側(cè)向約束，抑制了混凝土裂紋出現(xiàn)后的裂紋進一步擴展，同時，由于粗骨料采用了3種不同級配，當骨料顆粒粒徑增加時，大尺寸的粗骨料會延遲裂紋的連續(xù)擴展，延長裂紋擴展的時間，進而使大壩混凝土在雙軸受壓情況下的極限強度高于單軸壓縮情況下的極限強度。

2.2 破壞模式

2.2.1應(yīng)變率的影響

觀察試件破壞時的形態(tài)，在不同的應(yīng)變率下，試件呈現(xiàn)出不同的破壞模式。以應(yīng)力比為0.5∶1為例，在靜態(tài)加載條件下，試件產(chǎn)生了一對平行于加載方向擴展的裂紋，并均勻分布在試件外表面。隨著應(yīng)變率的增加，觀察到裂紋的數(shù)量顯著增加，且更多的微裂紋沿著主裂紋發(fā)展。在荷載作用下，由于混凝土內(nèi)部骨料與基體界面接觸處出現(xiàn)高應(yīng)力集中現(xiàn)象，界面粘結(jié)較弱，微裂紋易沿著骨料與基體的接觸界面發(fā)展和生長，微裂紋隨荷載增加逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，導(dǎo)致混凝土較砂漿更早失效。隨著應(yīng)變率的增加，更多的粗集料沿斷裂面破碎，這可能是由于當受到更高的應(yīng)變率時，與較低應(yīng)變率的區(qū)域相比，裂紋沒有足夠的時間沿著阻力最小的路徑傳播，斷裂表面可能包含更多的粗骨料，需要更高的應(yīng)力水平才能使試樣破壞。

2.2.2應(yīng)力比的影響

在不同應(yīng)力比情況下觀察大壩混凝土的失效模式，混凝土試件在單軸壓縮下的斷裂特征主要為一條主裂紋和一些小裂紋，這些裂紋平行于施加荷載的方向發(fā)展。應(yīng)力比是破壞模式的主要影響因素。應(yīng)力比分別為0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1的混凝土試件的幾條主要斷裂裂紋與施加載荷的方向約成30°夾角。當試樣受到應(yīng)力比為0.75∶1的雙軸壓縮時，試件的破壞面近乎平坦，并與自由面平行。因此，大壩混凝土的破壞模式主要取決于應(yīng)力比，而與應(yīng)變率相關(guān)性較小。

2.2.3含水量的影響

干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)的大壩混凝土在動態(tài)雙軸壓縮下的試驗結(jié)果見表2。本研究中將1×10-5s-1的應(yīng)變率定義為準靜態(tài)應(yīng)變率。應(yīng)變率為1×10-5s-1時飽和混凝土的單軸抗壓強度比干燥狀態(tài)下的混凝土低16.2%，但在應(yīng)變率為1×10-2s-1時，飽和混凝土的單軸抗壓強度比干混凝土高出10.8%。飽和狀態(tài)和干燥狀態(tài)下大壩混凝土在不同應(yīng)變率時單軸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。

圖1 大壩混凝土單軸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

與干燥狀態(tài)混凝土相比，飽和混凝土的準靜態(tài)強度較低。在應(yīng)變率為1×10-2s-1時，飽和混凝土的動態(tài)臨界應(yīng)變比干混凝土的高。干燥和飽和狀態(tài)下的混凝土的臨界應(yīng)變均隨應(yīng)變率的增加而減小，2種混凝土的強度均隨應(yīng)變率的增加而增加。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

干燥狀態(tài)下大壩混凝土在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 干燥狀態(tài)下大壩混凝土在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2中可以看出，混凝土在雙軸壓縮下的強度隨著應(yīng)變率的增加而增加，不同應(yīng)變率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀較為相似。受約束的試件的有效模量略高于無約束的試件，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性部分隨著應(yīng)變率的增加而延伸。從高于50%強度的應(yīng)力點到峰值應(yīng)力點，在非彈性范圍內(nèi)，隨著應(yīng)變率的增加，曲線切線模量的增加變得更加明顯。對于混凝土試件，隨著應(yīng)變率的增加，初始斜率和峰值應(yīng)力都增加。

2.4 自由水對大壩混凝土強度的影響

干燥狀態(tài)下的混凝土和飽和混凝土的動態(tài)雙軸應(yīng)力如圖3所示。

圖3 飽和狀態(tài)和干燥狀態(tài)下大壩混凝土動態(tài)雙軸應(yīng)力

在動荷載作用下，干燥狀態(tài)混凝土的強度低于飽和混凝土的強度，由此可見，飽和試樣強度的增加與自由水的存在有關(guān)。在應(yīng)變率為1×10-3s-1情況下，應(yīng)力比為0.5∶1時，干燥狀態(tài)混凝土的強度較飽和混凝土的強度低6.85%，應(yīng)力比為0.75∶1時，干燥狀態(tài)混凝土的強度較飽和混凝土的強度低10.34%。在應(yīng)變率為1×10-5s-1情況下，應(yīng)力比為0.5∶1時，干燥狀態(tài)混凝土的強度較飽和混凝土的強度高4.17%，應(yīng)力比為0.75∶1時，干燥狀態(tài)混凝土的強度較飽和混凝土的強度高17.11%。

試驗結(jié)果表明，在高應(yīng)變率下，自由水對混凝土的力學(xué)性能有重要影響，混凝土的破壞受裂縫的發(fā)展控制，在準靜態(tài)荷載作用下，混凝土的體積變形處于峰值應(yīng)力前的壓縮狀態(tài)。此時，飽和混凝土中的自由水擠入裂縫尖端，起到楔入裂縫的作用[8]。動態(tài)載荷會在混凝土材料中產(chǎn)生高強度的三軸應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)斷裂力學(xué)，原始裂紋的滑動位移與遠場應(yīng)力成正比。因此，由于自由水的粘性和慣性效應(yīng)，導(dǎo)致了基于斷裂力學(xué)的飽和混凝土動態(tài)強度的提高[9]。在壓縮狀態(tài)下，微裂紋之間發(fā)生剪切和滑動，此時裂紋中的水是相對運動的阻力。

在高應(yīng)變率下，混凝土的動態(tài)抗壓強度大大提高。低應(yīng)變率下，孔隙中的自由水類似于“磨邊效應(yīng)”，可能加速微裂紋的擴展。因此，裂縫中的自由水加劇了混凝土的破壞。在低應(yīng)變率下，慣性效應(yīng)對混凝土強度的影響微乎其微。在動態(tài)荷載作用下，自由水在混凝土缺陷中的流動會產(chǎn)生類似于流體動力學(xué)中的阻尼效應(yīng)。

3 結(jié)論

本文在不同的應(yīng)變率情況下，設(shè)置了雙軸快速壓縮加載試驗，根據(jù)動態(tài)雙軸應(yīng)力狀態(tài)下干燥混凝土和飽和混凝土的試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論。

(1)單向約束的干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)大壩混凝土的動態(tài)抗壓強度隨著應(yīng)變率的增加而增加，但增加的幅度取決于側(cè)向應(yīng)力比。

(2)混凝土試件的主要斷裂裂紋與施加載荷的方向約成30°夾角，試樣的失效模式和裂紋模式主要受橫向應(yīng)力比的控制，受應(yīng)變率的影響較小。

(3)自由水對混凝土的力學(xué)性能有重要影響，應(yīng)加大對混凝土內(nèi)自由水的監(jiān)測控制。

(4)試驗結(jié)果與混凝土試塊制作質(zhì)量有關(guān)，因此大壩建設(shè)過程中應(yīng)結(jié)合水工混凝土試驗規(guī)程進行確認。