綠塘水庫(kù)堆石混凝土大試件力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李友彬，朱柏松，唐曉玲，何濤洪，喬志超，吳弦謙，楊 林

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002；3.北京華石納固科技有限公司，北京 100085)

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡(jiǎn)稱RFC)技術(shù)是由清華大學(xué)水利系團(tuán)隊(duì)發(fā)明并獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)的新型大體積混凝土施工技術(shù)。貴州遵義綠塘拱壩是國(guó)內(nèi)首座不分橫縫和應(yīng)用混凝土預(yù)制塊模板的RFC單曲拱壩，水庫(kù)總庫(kù)容2040萬(wàn)m3Ⅲ等中型工程，壩頂高829.50m，壩頂寬6.0m，最大壩底厚16.0m，最大壩高53.5m。為復(fù)核驗(yàn)證前期設(shè)計(jì)成果，研究RFC力學(xué)性能，對(duì)壩體材料RFC作相關(guān)試驗(yàn)研究，使理論計(jì)算分析參數(shù)取值更加合理、計(jì)算成果更加可靠，為RFC拱壩應(yīng)用推廣提供借鑒作用。

1 理論基礎(chǔ)

朱柏松教授首先建議對(duì)RFC應(yīng)視為復(fù)合材料來(lái)研究，抗拉強(qiáng)度對(duì)RFC拱壩結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性起主要作用，材料力學(xué)性能決定結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，決定大壩的強(qiáng)度安全和承載能力。本研究針對(duì)RFC大試件考慮堆石、SCC、堆石體與SCC硬化水泥膠體粘結(jié)面隨機(jī)組成復(fù)合材料三相介質(zhì)，獲取基本性能參數(shù)；分析RFC在荷載作用下應(yīng)力發(fā)展和最終破壞全過(guò)程。分別進(jìn)行堆石、SCC、堆石與SCC粘結(jié)界面力學(xué)性能試驗(yàn)，推導(dǎo)RFC復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型，為RFC拱壩及其他類型壩提供安全分析評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

理論上，復(fù)合材料在受力時(shí)，高彈性、高模量介質(zhì)承受大部分荷載，低彈性、低模量介質(zhì)主要作為媒介，傳遞和分散荷載。各相的性能關(guān)系如下[4]：

σc=k1[σfφf(shuō)+σm(1-φf(shuō))]=k1[σfφf(shuō)+σmφm)]

(1)

Ec=k2[Efφf(shuō)+Em(1-φf(shuō))]=k2[Efφf(shuō)+Emφm]

(2)

式中，σf、Ef—高彈性、高模量的介質(zhì)的強(qiáng)度和彈性模量；σm、Em—低彈性、低模量介質(zhì)的強(qiáng)度和彈性模量；φf(shuō)—高彈性、高模量的介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；φm—低彈性、低模量介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)，堆石混凝土一般φf(shuō)為55%，則(1-φf(shuō))=45%；k1、k2—常數(shù)，與界面強(qiáng)度有關(guān)，與堆石和自密實(shí)混凝土的粘結(jié)界面的粘結(jié)強(qiáng)度、排列分布方式、斷裂形式有關(guān)。

為達(dá)到復(fù)合強(qiáng)化目的要求，應(yīng)滿足以下條件：

(1)高彈性、高模量的介質(zhì)的強(qiáng)度、彈模應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低彈性、低模量介質(zhì)，保證復(fù)合材料受力時(shí)主要由高彈性、高模量的介質(zhì)承受荷載。

(2)高彈性、高模量的介質(zhì)與低彈性、低模量介質(zhì)之間應(yīng)有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，保證低彈性、低模量介質(zhì)所承受的荷載能通過(guò)界面?zhèn)鬟f給高彈性、高模量的介質(zhì)，并且防止脆性破壞。

2 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)研究基于貴州遵義綠塘水庫(kù)實(shí)體工程澆筑的RFC試驗(yàn)倉(cāng)、對(duì)其切割、加工大試件，試驗(yàn)研究RFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)。

2.1 堆石混凝土材料指標(biāo)

試驗(yàn)采用C9015W6F50等級(jí)SCC進(jìn)行RFC澆筑。RFC原材料：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；II級(jí)粉煤灰；粒徑5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)度模數(shù)為2.9，級(jí)配較差石粉含量14%機(jī)制山砂；華石納固生產(chǎn)聚羧酸高效減水劑HSNG-T，減水率28%；施工現(xiàn)場(chǎng)用水；粒徑大于300mm石灰?guī)r塊石隨機(jī)堆放，表觀密度2.63g/cm3。SCC填充率45%，堆石率55%，詳見(jiàn)表1—3。

表1 自密實(shí)性能混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 自密實(shí)混凝土SCC力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

表3 巖石(堆石體)力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

2.2 試件的制備

按照同材料、同環(huán)境、同工藝在綠塘水庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑2200mm×2200mm×2200mm的試驗(yàn)倉(cāng)，如圖2所示，與壩體同環(huán)境養(yǎng)護(hù)，到90d齡期用繩式切割機(jī)對(duì)試驗(yàn)倉(cāng)切割，運(yùn)輸?shù)郊庸S按照要求的幾何尺寸，如圖1所示，并按表4精度進(jìn)行切割和加工，成型大試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉、靜力彈性模量等試驗(yàn)研究如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

RFC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、靜力彈性模量試驗(yàn)根據(jù)SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和NB/T10077—2018《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則》附錄D開(kāi)展試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)倉(cāng)加工立方體及棱柱體大試件設(shè)計(jì)圖

表4 堆石混凝土大試件試驗(yàn)內(nèi)容及尺寸

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)倉(cāng)

采用繩式切割機(jī)現(xiàn)場(chǎng)加工成型，工廠細(xì)加工大試件，運(yùn)至在貴州大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心10000KN(1000t)的壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

3.1 堆石混凝土大試件表面特征及缺陷照片

通過(guò)試驗(yàn)倉(cāng)切割加工成型隨機(jī)檢查的大試件RFC復(fù)合材料斷面發(fā)現(xiàn)均存在缺陷，如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)切割試驗(yàn)倉(cāng)

圖4 表面特征及存在的缺陷

觀察統(tǒng)計(jì)切割后大試件存在缺陷：第1種現(xiàn)象，加工廠精細(xì)加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)容易造成試件中SCC與被包裹的堆石體的剝離。第2種現(xiàn)象，堆石和SCC之間的界面膠結(jié)粘結(jié)不緊密，在堆石密集部位以及存在堆石粒徑過(guò)小的局部地方，SCC不能完全填充堆石間的空隙，形成外部缺陷明縫或內(nèi)部缺陷的“隱縫”。第3種現(xiàn)象，SCC中有肉眼可見(jiàn)數(shù)量可觀的氣泡。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)研究抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)照片如圖5所示。

圖5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

本研究開(kāi)展大量試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表5—7、圖6所示。說(shuō)明：表5的抗壓強(qiáng)度值是立方體大試件試驗(yàn)數(shù)值。

表5 RFC大試件抗壓強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

圖6 RFC大試件抗壓強(qiáng)度值所占比例

表6 RFC大試件力學(xué)指標(biāo)

表7 RFC大試件抗壓強(qiáng)度值所占比例 單位：MPa

SL352—2006規(guī)定，“以3個(gè)試件測(cè)值的平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果?！庇捎诙咽炷岭x散性較大，無(wú)法用3個(gè)試件的平均值作代表，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的辦法來(lái)計(jì)算抗壓強(qiáng)度。

3.2.2試驗(yàn)現(xiàn)象分析

試驗(yàn)開(kāi)始大試件表面無(wú)明顯裂縫，加載后試件表面沿高度出現(xiàn)可見(jiàn)豎向裂縫，隨荷載增加裂縫不斷加寬，試件其他部位出現(xiàn)局部短斜裂縫，臨近破壞時(shí)縫寬度加大并貫穿試件表面，部分大試件出現(xiàn)較多豎向裂縫及少量斜裂縫，可見(jiàn)部分塊石被剪斷，部分塊石掉出，但破壞主要是塊石和SCC粘結(jié)界面薄弱處裂縫發(fā)展所致。

抗壓強(qiáng)度試件大部分破壞屬于縱向破壞，裂縫沿石塊與SCC粘接面周邊斜向發(fā)展或穿過(guò)RFC中的石塊，堆石體與SCC粘結(jié)處裂縫最寬。RFC抗壓大試件堆石有節(jié)理處首先堆石體被剪切破壞。有一個(gè)抗壓大試件試驗(yàn)中達(dá)到極限發(fā)生突然碎裂破壞。

依據(jù)姜福田所著《水工混凝土性能及檢測(cè)》結(jié)合本研究試驗(yàn)結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)，推測(cè)RFC立方體大試件會(huì)按承載力為極限強(qiáng)度值的大概百分比例形成試件內(nèi)部破壞裂紋主要沿堆石與自密實(shí)混凝土SCC粘結(jié)界面發(fā)展，當(dāng)承載力增加試件裂紋發(fā)育更多，且堆石與自密實(shí)粘結(jié)界面和自密實(shí)混凝土裂紋相互連通，當(dāng)承載力增大一個(gè)值時(shí)，RFC大試件內(nèi)部裂紋把試件分成若干部分，繼續(xù)加載到極限強(qiáng)度值的100%大試件破壞。

大試件受壓破壞后，觀察斷裂面試件的局部破壞，可見(jiàn)部分?jǐn)嗔衙嫫秸糠挚梢?jiàn)塊石裂縫，大部分裂縫處于SCC和塊石的粘接界面處。分析斷裂面現(xiàn)象，被剪斷塊石分布較分散，沒(méi)有規(guī)律可尋。大部分由于產(chǎn)生剪切滑移斷裂存在于堆石體和SCC粘結(jié)界面，說(shuō)明RFC受壓破壞時(shí)起主導(dǎo)作用的是SCC和堆石體兩種材料粘接界面的粘結(jié)能力。

堆石體的堆放隨機(jī)性使得堆石體與SCC粘結(jié)界面處于受力最不利位置，受拉應(yīng)力大于堆石體與SCC的粘接抗拉應(yīng)力，推測(cè)堆石體在彎剪作用下出現(xiàn)斷裂和掉落，裂縫快速發(fā)展。由于堆石混凝土是SCC和堆石體的復(fù)合材料，從微觀上試件內(nèi)部存在原始微裂縫，由于堆石粒徑比較大，考慮微裂縫的界面大部分位于SCC和堆石體的交接面上，可能使得堆石混凝土RFC初始及破壞裂縫多為豎向主因。

RFC是非均質(zhì)復(fù)合材料，堆石在RFC中嵌擠狀態(tài)(或稱咬合狀態(tài))隨機(jī)分布，切割時(shí)不同部位的堆石體留存在試件中不同部位起加強(qiáng)和嵌擠(咬合)作用，在受力作用下荷載分布也是不均勻的。RFC內(nèi)堆石體、SCC以及堆石體與SCC的粘結(jié)界面形成的三相組合導(dǎo)致試件內(nèi)部應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)上試件內(nèi)部為強(qiáng)嵌擠(咬合)弱粘結(jié)，強(qiáng)抗壓弱抗拉，對(duì)試件整體力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

3.2.3系數(shù)k1的計(jì)算

k1定義為堆石混凝土大試件抗壓強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)。經(jīng)過(guò)式(1)進(jìn)行方程回歸得到k1，數(shù)值在0.40-0.76之間，本研究樣本有限，建議取平均值為0.58。

用建議的k1=0.58計(jì)算的立方體抗壓強(qiáng)度為30.2MPa與幾何尺寸為450mm的立方體大試件實(shí)際強(qiáng)度平均值31.7MPa相差1.5MPa，理論計(jì)算與RFC大試件實(shí)際強(qiáng)度比值誤差為4.7%。

3.2.4抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)小結(jié)：

3.2.5.1試驗(yàn)結(jié)果大試件立方體抗壓強(qiáng)度值分布在20.7～51.1MPa之間。

3.2.5.2試件存在各種缺陷，堆石料分布不均勻或存在層間裂隙、堆石體面面接觸等，測(cè)試抗壓強(qiáng)度值要小于實(shí)際強(qiáng)度。

3.2.5.3 NB/T10077—2018第4.3.1條規(guī)定“堆石混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)采用高自密實(shí)性能混凝土強(qiáng)度等級(jí)為代表?！爆F(xiàn)該工程設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C9015W6F50等級(jí)，RFC大試件試驗(yàn)結(jié)果是31.7MPa，試驗(yàn)結(jié)果是設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度的31.7/15=2.11倍。

3.3 劈裂抗拉試驗(yàn)

劈裂抗拉強(qiáng)度相關(guān)試驗(yàn)照片如圖7所示。

圖7 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表8—10，如圖8所示。

表8 RFC大試件劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

表9 RFC大試件抗拉強(qiáng)度值所占比例 單位：MPa

表10 RFC大試件劈裂抗拉強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

圖8 RFC大試件抗拉強(qiáng)度值所占比例

3.3.2試驗(yàn)現(xiàn)象分析

劈裂抗拉試驗(yàn)類似常規(guī)混凝土情況，試件大部分破壞屬于縱向破壞。大試件在受到線性劈裂荷載作用下，首先觀察到RFC大試件側(cè)面產(chǎn)生裂縫，裂縫沿堆石體與SCC粘接面周邊發(fā)展或斜向穿過(guò)RFC中的堆石體。大試件劈裂試驗(yàn)破壞存在局部應(yīng)力集中斜向45°；堆石體被剪切及碎裂的局部破壞；堆石體和SCC脫離破壞；大試件堆石體中部剪切破壞，及沿堆石體節(jié)理進(jìn)行破壞。由于堆石體的隨機(jī)性堆放使得堆石在荷載作用時(shí)處于受力最不利位置有偏心受力出現(xiàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示堆石混凝土大試件劈裂破壞后，堆石和SCC粘接界面觀察到斷裂面；部分?jǐn)嗔衙嫫秸?，部分可?jiàn)堆石裂縫；大部分裂縫處于堆石和SCC的粘接界面處。裂紋開(kāi)展比較充分的地方，推測(cè)堆石和SCC的粘結(jié)界面充分密實(shí)粘接力抗拉強(qiáng)度較大。

3.3.3試驗(yàn)小結(jié)

3.3.4.1試驗(yàn)結(jié)果大試件立方體劈裂抗拉強(qiáng)度值分布在1.76-4.87MPa之間，均值3.09MPa。

3.3.4.2RFC大試件劈裂抗拉強(qiáng)度是現(xiàn)場(chǎng)取樣的專用SCC立方體標(biāo)準(zhǔn)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的1.29倍。該值需要進(jìn)一步驗(yàn)證，需要考慮大尺寸試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)。

3.3.4.3堆石體分布不均勻，大試件多數(shù)存在缺陷，總體上堆石混凝土大試件RFC劈裂抗拉強(qiáng)度評(píng)定值從試驗(yàn)數(shù)據(jù)及破壞機(jī)理與常規(guī)混凝土相當(dāng)。

3.4 靜力彈性模量

靜力彈性模量相關(guān)試驗(yàn)照片如圖9所示。

圖9 靜力彈性模量試驗(yàn)

3.4.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

彈性模量試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表11—13，如圖10所示。

表11 RFC大試件彈性模量試驗(yàn)參數(shù) 單位：GPa

表12 RFC大試件彈性模量值所占比例 單位：GPa

表13 RFC大試件彈性模量綜合參數(shù) 單位：GPa

圖10 RFC大試件彈性模量值所占比例

3.4.2系數(shù)k2的計(jì)算

k2定義為堆石混凝土彈性模量調(diào)整系數(shù)。首先采用復(fù)合材料理論，RFC彈性模量則有上限和下限理論估算。上限單向復(fù)合材料并聯(lián)模型的混合律：

Ec=EfVf+EmVm

Ec=53.8×0.55+22.1×0.45=39.54GPa

下限單向復(fù)合材料串聯(lián)模型的混合律：

1/Ec=Vf/Ef+Vm/Em

Ec=EfEm/(EmVf+EfVm)

Ec=53.8×22.1/(22.1×0.55+53.8×0.45)

=1188.98/36.365=32.70GPa

堆石混凝土RFC作為復(fù)合材料的彈性模量在上下限之間，取其平均值為36.12GPa。

經(jīng)過(guò)式(2)進(jìn)行方程回歸得到k2，數(shù)值在0.72～0.97之間，本研究樣本有限，建議取平均值為0.85。

用建議的k2=0.85計(jì)算的彈性模量33.6GPa需和上下限值的平均值比較，復(fù)合律計(jì)算的上下限所取平均值36.12GPa。取大值36.12GPa作為堆石混凝土RFC的理論彈性模量。實(shí)測(cè)堆石混凝土彈性模量為平均值為34.01GPa。實(shí)測(cè)值、k2計(jì)算值與上下限的均值非常接近，理論取值36.12GPa與實(shí)際強(qiáng)度比值誤差為6%，。

實(shí)測(cè)堆石混凝土彈性模量為28.65-38.52GPa范圍，平均值為34.01GPa，數(shù)值較高。實(shí)測(cè)值與復(fù)合材料理論中的上下限值非常接近。SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中C15對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值為22.0GPa，是標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗(yàn)值并考慮了保證率系數(shù)的取值。

3.4.3試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)對(duì)比堆石混凝土大試件抗壓彈性模量為34.01GPa，約為SL191—2008中標(biāo)準(zhǔn)值 22.0GPa 的1.55倍。 試驗(yàn)得到的是瞬時(shí)彈性模量，拱壩計(jì)算時(shí)要考慮徐變影響。

試驗(yàn)得到的是瞬時(shí)彈性模量，拱壩計(jì)算時(shí)要考慮徐變影響。常規(guī)混凝土(包括全級(jí)配混凝土)，根據(jù)SL282—2018《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》7.3.3條：考慮混凝土徐變等影響，拱壩應(yīng)力分析應(yīng)采用壩體混凝土持續(xù)彈性模量進(jìn)行計(jì)算，壩體混凝土持續(xù)彈性模量可采用混凝土試件瞬時(shí)彈性模量的0.6-0.7倍。計(jì)算彈性模量取0.6-0.7倍瞬時(shí)模量，即0.6-0.7×34.01GPa=20.4-23.8GPa，通常計(jì)算彈性模量取為20.00GPa。

本次試驗(yàn)RFC大試件抗壓彈性模量低于專用自密實(shí)混凝土，試件中堆石含量較低和堆積骨架狀態(tài)有一定的關(guān)系，有必要進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)RFC具備較高的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度。RFC中SCC和塊石之間粘結(jié)強(qiáng)度、界面的性能還不清楚，建議進(jìn)一步研究。

(2)RFC強(qiáng)度、彈性模量數(shù)值具有離散性。還應(yīng)做軸心抗拉強(qiáng)度和彎曲抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

(3)RFC施工及質(zhì)量評(píng)定過(guò)程中，可以按照規(guī)定頻率對(duì)SCC和堆石取樣試驗(yàn)得到相關(guān)參數(shù)，建議取k1值按式(1)計(jì)算堆石混凝土RFC的抗壓強(qiáng)度。

(4)RFC施工及質(zhì)量評(píng)定過(guò)程中，按照規(guī)定頻率對(duì)SCC和堆石取樣試驗(yàn)得到相關(guān)參數(shù)，建議取k2值按式(2)計(jì)算得RFC彈性模量值。

建議：對(duì)于RFC工程項(xiàng)目，項(xiàng)目開(kāi)工即采用同材料、同工藝、同條件澆筑試驗(yàn)倉(cāng)，采用切割技術(shù)成型大試件按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，獲得每一個(gè)項(xiàng)目的k1和k2值作為指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量控制、竣工驗(yàn)收的重要參數(shù)。在項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)行中，對(duì)自密實(shí)混凝土SCC和堆石體按頻率取樣，結(jié)合k1和k2值計(jì)算強(qiáng)度和彈性模量，作為常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)和控制的依據(jù)。