雙向應(yīng)力下碾壓混凝土動態(tài)力學(xué)性能

王懷亮

（1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

碾壓混凝土（RCC）是用振動碾壓實的超干硬性混凝土，其特點是坍落度為零，膠凝材料用量小，并高摻粉煤灰等摻和料以降低水化熱.Li和Chai等［1－2］對RCC結(jié)構(gòu)的斷裂性能和層間滲透問題進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果.但在實際工程中，大多數(shù)水工RCC 大壩多建在高烈度地震區(qū)，壩體處在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下.在地震作用下，混凝土的應(yīng)變率可達(dá)10－3～10－2s－1，比靜態(tài)應(yīng)變率高2～3個數(shù)量級，此時混凝土的率敏感效應(yīng)不可忽視.Yan和Wu等［3－5］對普通混凝土的動態(tài)拉、壓性能及多軸應(yīng)力條件下的動態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)和破壞特性進(jìn)行了研究，為常規(guī)混凝土水壩的抗震安全分析提供了試驗依據(jù).對于RCC 動態(tài)性能，只有Zhang 和王懷亮等［6－7］開展了單向應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)拉、壓試驗研究，對二維、三維應(yīng)力狀態(tài)下的RCC 動態(tài)力學(xué)特性試驗研究還很少.基于目前的狀況，本文對含層面的RCC進(jìn)行了有側(cè)向壓力的動態(tài)受壓和動態(tài)劈拉試驗，系統(tǒng)探討了有側(cè)壓應(yīng)力作用時RCC在不同加載速率下的強(qiáng)度和變形變化規(guī)律，為進(jìn)一步建立其動態(tài)本構(gòu)關(guān)系提供必要的試驗依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗材料與試件成型

RCC的配合比見表1，其中水泥為大連水泥廠生產(chǎn)的32.5R 硅酸鹽水泥，砂子為天然河砂（砂率ws為33%），粗骨料為二級配石灰?guī)r碎石，粉煤灰為Ⅱ級C 類粉煤灰，水為自來水.外加劑采用大連建科院生產(chǎn)的DK－5型低引氣高效復(fù)合減水劑，摻量為0.75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.所有試件在鋼模中成型，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護(hù)48h后拆模，試驗齡期為90～100d.

表1 RCC的配合比Table 1 Mix proportion of RCC kg／m3

由于實際工程中的RCC結(jié)構(gòu)是由干硬性混凝土拌和料分薄層攤鋪并經(jīng)振動碾壓密實而成，因此其中包含了數(shù)量眾多的碾壓混凝土層面，如果這些層面處理不好，將成為結(jié)構(gòu)的薄弱面.為了研究碾壓混凝土層面對其靜動力學(xué)性能的影響，本次試驗成型分本體、分層處理及分層但層面不處理3種工況.層面處理試件是在底層（75 mm 厚）成型后8～10h，用水沖洗層面并進(jìn)行鑿毛處理，鋪上1層約10mm 厚的粉煤灰水泥砂漿，再澆筑頂層，成型過程如圖1所示.層面未處理試件在底層（75mm 厚）成型后，間隔8～10h，不作沖毛處理即澆筑上層混凝土.由于層面對RCC 抗拉強(qiáng)度的影響較大，因此本文的劈拉試驗采用了以上3種工況試件，而雙軸試驗全部采用了分層并對層面進(jìn)行處理的試件.

圖1 試件層面鑿毛處理及成型效果Fig.1 Construction method of RCC with interface

1.2 試驗設(shè)備與試驗方法

試驗設(shè)備采用大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點實驗室的大型靜、動三軸電液伺服試驗系統(tǒng)［3－4］.試件側(cè)向受壓面與加載板之間采用塑料薄膜和甘油減摩.考慮到地震作用的應(yīng)變速率為10－3～10－2s－1，本試驗以加載速率10－5，10－4，10－3，10－2s－1研究RCC 的動態(tài)特性，其中10－5s－1為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率.

雙軸壓試驗采用恒定側(cè)壓的非比例雙軸加載路徑：先加載至預(yù)設(shè)的側(cè)應(yīng)力值，并保持恒定，再以設(shè)定的加載速率施加豎向荷載，直至試件破壞.側(cè)應(yīng)力加載量級分別為0，0.25fucs，0.50fucs，0.75fucs，其中fucs為單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度.

雙軸拉壓試驗采用有側(cè)壓劈拉試驗方法：壓力施加方向垂直于層面，劈拉方向與層面平行.劈拉試驗采用荷載控制，將不同的應(yīng)變速率分別折算成了對應(yīng)的劈裂加載速率量級，即5.6，56.0，560.0，5 600.0kN／s.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

含層面RCC試件在不同側(cè)壓應(yīng)力下劈拉時，大部分試件沿著層面發(fā)生開裂，且劈拉破壞的斷裂界面比較清晰，隨著側(cè)向壓應(yīng)力的增加，試件開始出現(xiàn)被壓壞的痕跡，如圖2所示.

圖2 不同側(cè)向壓力下含層面RCC試件劈拉試驗破壞形態(tài)Fig.2 Splitting failure modes of RCC specimens with different lateral stresses

圖3 雙軸壓下試件的破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimen under biaxial compression

雙軸受壓時，隨著側(cè)壓應(yīng)力的增加，破壞形態(tài)從典型的柱狀破壞逐步過渡到明顯的層狀破壞，如圖3所示.加載速率對破壞形態(tài)無太大影響，只是在單軸壓下，試件無側(cè)向約束，隨著應(yīng)變速率的提高，其破壞時產(chǎn)生的碎片有增多趨勢，如圖4所示.這說明高應(yīng)變速率下RCC的脆性變大.含層面試件由于對層面進(jìn)行了處理，因此破壞形態(tài)與本體試件相差不大，并且與常態(tài)混凝土破壞形態(tài)相似［8］.

圖4 不同應(yīng)變速率下含層面RCC試件的單軸壓破壞形態(tài)Fig.4 Typical failure mode of RCC subjected to different strain rates under uniaxial compression

2.2 極限強(qiáng)度和破壞準(zhǔn)則

2.2.1 單軸動態(tài)強(qiáng)度規(guī)律

圖5為含層面RCC 單軸強(qiáng)度隨加載速率的變化規(guī)律.與文獻(xiàn)［9－10］的結(jié)果類似，隨著應(yīng)變速率的增加，RCC的單軸拉、壓強(qiáng)度均呈增加趨勢，其中抗壓強(qiáng)度的提高幅度比劈裂抗拉強(qiáng)度的提高幅度小.定義動態(tài)強(qiáng)度增長因數(shù)DIF 為動荷載下的強(qiáng)度與靜載下的強(qiáng)度比值.文獻(xiàn)［11］對普通混凝土及鋼纖維混凝土的試驗結(jié)果表明，混凝土的DIF 與應(yīng)變速率的對數(shù)接近線性關(guān)系.通過線性回歸分析，得到RCC動態(tài)拉壓強(qiáng)度增長系數(shù)與應(yīng)變速率之間的計算式如下：

圖5 加載速率對含層面RCC單軸強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of loading rates on uniaxial strength of RCC

式中：fucd，futd為當(dāng)前應(yīng)變率下RCC 的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；fucs，futs為靜態(tài)加載條件下RCC的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；˙ε為當(dāng)前的應(yīng)變速率，s－1.

2.2.2 雙軸拉壓強(qiáng)度規(guī)律

圖6為不同加載速率下含層面RCC 劈裂抗拉強(qiáng)度隨側(cè)壓的變化趨勢.由圖6可見：雙軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)加載速率相同時，隨側(cè)壓應(yīng)力的提高，RCC的平均劈裂抗拉強(qiáng)度降低；在相同側(cè)壓力下，隨加載速率數(shù)量級的提高，RCC 的平均劈裂抗拉強(qiáng)度提高.為了便于實際應(yīng)用，建立了考慮側(cè)壓應(yīng)力和加載速率的統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則.即：

式中：α 為側(cè)壓應(yīng)力比系數(shù)，α＝σ2／fucs，σ2為側(cè)壓應(yīng)力，MPa；fbtd為雙軸拉壓應(yīng)力條件下的動態(tài)劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；˙σd，˙σs為當(dāng)前動態(tài)加載速率和靜態(tài)加載速率，kN／s；q1，q2，q3為回歸系數(shù).

圖6 不同加載速率下側(cè)壓應(yīng)力對含層面RCC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.6 Change of splitting tensile strength with lateral stress at different loading rates

通過對試驗數(shù)據(jù)回歸，q1，q2，q3分別為1.02，0.05，－0.22，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.814，變異系數(shù)為0.146.由圖6可見，實測數(shù)據(jù)與擬合直線基本吻合.

2.2.3 雙軸抗壓強(qiáng)度規(guī)律

圖7為不同加載速率下含層面RCC 抗壓強(qiáng)度隨側(cè)壓的變化趨勢.從圖7 可以看出：RCC 雙軸抗壓強(qiáng)度隨著加載速率的提高而增加，并且該強(qiáng)度隨應(yīng)變率提高的幅度與側(cè)壓應(yīng)力水平有關(guān).這一結(jié)論與文獻(xiàn)［12］雙軸比例加載條件下動態(tài)抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果類似.從圖7 還可以看出，在同一應(yīng)變率下，RCC的雙軸抗壓強(qiáng)度較單軸抗壓強(qiáng)度有明顯提高，且在低應(yīng)變速率下，雙軸抗壓強(qiáng)度的增長更為明顯.在較高加載速率下，側(cè)向恒定壓力對RCC的增強(qiáng)作用有所減弱.

圖7 不同加載速率下側(cè)壓應(yīng)力對含層面RCC抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Change of compressive strength with lateral stress at different loading rates

為了便于實際應(yīng)用，建立了考慮側(cè)壓應(yīng)力和加載速率的RCC抗壓強(qiáng)度統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則，即：

式中：fbcd為雙軸壓應(yīng)力條件下的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，為以應(yīng)變率表示的當(dāng)前動態(tài)加載速率和靜態(tài)加載速率，s－1；P1，P2，P3，P4為回歸系數(shù).

求解可得P1，P2，P3，P4分別為3.21，0.14，－4.37，－2.13；復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.975，變異系數(shù)為0.006.回歸結(jié)果見圖7.由圖7可見，回歸結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合.

2.3 變形性能

圖8為不同側(cè)向壓力下含層面RCC 的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€.從圖8 可以看出，雙軸應(yīng)力狀態(tài)下RCC應(yīng)力－應(yīng)變曲線的線性段比單軸受壓時有所延長，α越大，線性段延長的幅度越大.通常情況下，RCC 的彈性模量比常態(tài)混凝土?。?］.試驗時，取應(yīng)力達(dá)極限強(qiáng)度40%時的割線模量作為RCC 的彈性模量.從圖8還可以看出，在相同的側(cè)壓應(yīng)力下，隨著加載速率的提高，RCC 的彈性模量有增加的趨勢，但增幅較小.

圖8 不同側(cè)向壓力下含層面RCC的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€Fig.8 Typical stress－strain curves of concrete with different lateral pressures

3 RCC層面對動態(tài)試驗結(jié)果的影響

在本試驗的加載速率范圍內(nèi)，層面未經(jīng)過處理且間隔時間超過混凝土初凝時間的試件，不僅靜態(tài)強(qiáng)度要低于本體試件，其動態(tài)強(qiáng)度也幾乎沒有增加，而層面經(jīng)過處理的試件，其DIF 略大于本體試件.圖9為3種試件在不同加載速率下的劈裂抗拉強(qiáng)度.試驗現(xiàn)象表明，對本體試件和層面處理試件，隨著加載速率的提高，劈裂面上被拉斷的粗骨料比例增大.這說明快速加載時，沖擊力直接傳至骨料，使破壞面來不及沿著薄弱界面層擴(kuò)展而直接穿過骨料的概率增加，導(dǎo)致實測劈裂抗拉強(qiáng)度提高.層面未經(jīng)過處理且處理間隔時間超過混凝土初凝時間的試件，層面處的砂漿層拉開，使其靜動態(tài)強(qiáng)度低于本體試件.

圖9 3種試件在不同加載速率下的劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.9 Comparison of splitting tensile strength with different joint treatments

在地震作用下，含眾多水平層面的RCC大壩可能會出現(xiàn)碾壓層面的張開、閉合和滑動等不連續(xù)變形，從而影響壩體的連續(xù)性和內(nèi)力的傳遞.因此，對地震區(qū)RCC結(jié)構(gòu)施工時，層面間隔時間應(yīng)盡量控制在混凝土的初凝時間以內(nèi).當(dāng)高溫、降雨影響到層面結(jié)合質(zhì)量或處理間隔時間超過混凝土的初凝時間時，應(yīng)嚴(yán)格按照“施工縫”的施工工藝來處理RCC層面，并選擇抗剪強(qiáng)度較高的砂漿，控制砂漿拌制和攤鋪工藝，保證施工質(zhì)量，才能使RCC 層面性能與RCC整體性能相接近.

4 結(jié)論

（1）層面的存在導(dǎo)致含層面RCC試件的抗拉強(qiáng)度比本體試件有所降低，層面未經(jīng)過處理且處理間隔時間超過混凝土初凝時間的試件不僅靜態(tài)強(qiáng)度低于本體試件，而且動態(tài)強(qiáng)度也幾乎未增加.在施工中應(yīng)盡量避免冷縫，并應(yīng)對層面進(jìn)行處理后才能繼續(xù)碾壓下一層混凝土.

（2）層面經(jīng)過處理的RCC試件在雙軸拉壓和雙軸壓作用下，其破壞形態(tài)、強(qiáng)度和變形隨著加載速率的變化規(guī)律與常態(tài)混凝土相類似.

（3）提出了單雙軸應(yīng)力條件下RCC的動態(tài)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，為不同加載速率壓／拉作用下RCC 結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確分析提供了可靠依據(jù).

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