大壩混凝土的力學(xué)性能及斷裂特性研究

吳 宏

(赫章縣水務(wù)局,貴州 畢節(jié) 553200)

1 概 述

水電大壩是人類利用水資源的重要工程,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、使用壽命長(zhǎng)。大壩混凝土是承受各種復(fù)雜荷載和水文地質(zhì)環(huán)境影響的主要材料,其物理力學(xué)性能決定了大壩的安全系數(shù)和使用效果。然而,由于混凝土本身的多相組成、非均勻性和各向異性等特點(diǎn),以及外部因素的作用,大壩混凝土在使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)裂縫、變形、強(qiáng)度下降等現(xiàn)象[1-3],不僅影響大壩的美觀和功能,而且可能導(dǎo)致大壩的失效和破壞。因此,對(duì)大壩混凝土在力學(xué)性能及斷裂特性方面的研究,對(duì)于提高大壩的設(shè)計(jì)水平、優(yōu)化混凝土配合比、控制混凝土開裂、評(píng)估大壩的安全狀況、延長(zhǎng)大壩的使用壽命等方面具有重要意義。

本文對(duì)大壩混凝土的力學(xué)性能及斷裂特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法,分析不同荷載條件下力學(xué)性能變化規(guī)律、斷裂模式、斷裂韌度和斷裂能等參數(shù)。

2 試驗(yàn)方法

混凝土的配合比見表1。除水泥、粉煤灰、骨料和砂之外,還添加了粉煤灰、減水劑和引氣劑。其中,水泥采用中國(guó)葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的52.5的中熱水泥;粉煤灰來(lái)自于湖北七八九化工有限公司,為Ⅰ級(jí)粉煤灰;減水劑來(lái)自于湖北成豐化工有限公司;引氣劑來(lái)自于武漢奧特龍建筑材料有限公司;粗骨料為宜昌地區(qū)挖掘后人工錘碎過(guò)篩后的碎石;細(xì)骨料為荊州地區(qū)采集后處理的標(biāo)準(zhǔn)砂;使用自來(lái)水進(jìn)行拌和。在混凝土的配合比中,水膠比設(shè)置為0.35、0.45和0.50,骨料設(shè)置粒徑范圍為10、20和40mm。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

為了研究混凝土斷裂參數(shù)與粗骨料顆粒尺寸和水灰比的關(guān)系,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)3組T1、T2、T5試件組,分別采用不同粗骨料顆粒尺寸(10、20和40mm),以及3組T2、T3、T4試件組,分別采用不同水灰比(0.5、0.45、0.35)。每組試件制作4個(gè),并對(duì)試驗(yàn)成功的3個(gè)進(jìn)行分析。

先制備尺寸為120mm×300mm×1300mm的三點(diǎn)彎曲切口梁試件,初縫長(zhǎng)120mm,縫寬2mm,共澆筑5組,共計(jì)20個(gè)試件;然后制作150mm的立方體和直徑150mm、高300mm的圓柱體試件,試樣被澆筑后24h即可拆模。拆模后的試樣在濕度為98%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28天后,再放置于自然環(huán)境中。根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352-2020),通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)得到立方體抗壓強(qiáng)度(fcu)和劈裂抗拉強(qiáng)度(fts)。同時(shí),對(duì)抗壓強(qiáng)度(fc)、彈性模量(Ec)以及泊松比(γ)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)試樣力學(xué)性能表征

在三點(diǎn)彎曲梁的測(cè)試中,選用位移控制模式進(jìn)行加載,加載速度0.15mm/min。使用BLR-1型荷載傳感器和CDP-5型位移傳感器對(duì)荷載值和裂縫口張開位移(CMOD)進(jìn)行測(cè)量,以獲取斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用DH5937型號(hào)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),聯(lián)立兩臺(tái)儀器采集和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)載荷和變形值進(jìn)行連續(xù)記錄,并保證數(shù)據(jù)記錄的完整性,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 部分試樣三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,在雙K斷裂參數(shù)上,粗骨料粒徑的作用十分顯著。在粗骨料粒徑達(dá)到20mm的情況下,混凝土的起裂韌度值最大為0.956MPa·m1/2,表明混凝土具有較強(qiáng)的抗開裂能力。研究發(fā)現(xiàn),隨著粗骨料粒徑的逐漸增大,失穩(wěn)韌度得到越來(lái)越大的提升。具體而言,失穩(wěn)韌度從10mm粒徑時(shí)的1.363MPa·m1/2開始逐漸上升,一直到40mm粒徑時(shí)的1.826MPa·m1/2,增幅為34%。即隨著粗骨料粒徑的增大,混凝土的抗裂能力變得越來(lái)越強(qiáng),抵抗裂縫失穩(wěn)破壞的能力得到顯著提升。

圖2 雙K斷裂參數(shù)與最大骨料粒徑之間的關(guān)系曲線

由圖3可知,混凝土的斷裂能力與粗骨料的粒徑有關(guān)。當(dāng)粗骨料粒徑開始增大時(shí),混凝土試樣斷裂能力由267.58N/m增至291.63N/m,提高約9%。當(dāng)粗骨料粒徑超過(guò)20mm時(shí),斷裂能力由291.63N/m減少至268.47N/m,下降約8%。因此,當(dāng)粗骨料粒徑達(dá)到20mm時(shí),混凝土的抗裂能力表現(xiàn)得更好,可以更好地承受外界壓力,抵抗裂紋擴(kuò)展的能力也更強(qiáng)。這可能是因?yàn)殡S著粗骨料粒徑的增大,其斷裂路徑變得更加曲折,需要更多的能量來(lái)推動(dòng)裂紋的擴(kuò)展,表明粗骨料的尺寸對(duì)混凝土性能的影響非常重要。但是,若粗礫粒徑進(jìn)一步增大,會(huì)導(dǎo)致水泥石漿離析,在粗骨料周圍形成厚厚的水膜,從而降低黏結(jié)強(qiáng)度,導(dǎo)致混凝土的斷裂能力下降。

圖3 斷裂能與最大骨料粒徑之間的關(guān)系曲線

由圖4可知,粗骨料粒徑由10mm增至20mm后,試件組的特征長(zhǎng)度由420.89mm升高至1 083.01mm。但當(dāng)最大骨料粒徑進(jìn)一步增大至40mm時(shí),試件組的特征長(zhǎng)度回落至808.29mm。因此,粗骨料粒徑為20mm時(shí),混凝土的韌性更高。這是因?yàn)榇止橇狭皆龃髮?dǎo)致斷裂路徑更為曲折,從而使粗骨料可以更好地橋接主裂紋,并克服其拔出的摩擦作用。因此,混凝土表現(xiàn)出更好的延性。然而隨著骨料粒徑的擴(kuò)大,骨料與水泥基質(zhì)的結(jié)合面中原有的瑕疵也會(huì)上升,使骨料和水泥基質(zhì)之間附著強(qiáng)度減弱,進(jìn)一步影響骨料的內(nèi)鎖和橋接效應(yīng),導(dǎo)致混凝土脆性增強(qiáng)。

圖4 特征長(zhǎng)度與最大骨料粒徑之間的關(guān)系曲線

由圖5可知,水膠比增大會(huì)導(dǎo)致雙K斷裂參數(shù)(即起裂韌度和失穩(wěn)韌度)下降。以水膠比由0.35增至0.5為例,起裂韌度從1.122MPa·m1/2降至0.96MPa·m1/2,下降幅度為14%;失穩(wěn)韌度由1.923MPa·m1/2降至1.703MPa·m1/2,下降幅度為11%,表明水膠比的增大降低了混凝土抵抗裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)破壞的能力。

圖5 水膠比與雙K斷裂參數(shù)之間的關(guān)系曲線

由圖6可知,當(dāng)水膠比由0.35升高至0.5時(shí),混凝土的抵抗性下降12%,即斷裂強(qiáng)度由332.24N/m降至291.63N/m。表明隨著水膠比的增加,混凝土的抗裂能力會(huì)降低,其原因是水膠比的升高導(dǎo)致混凝土基體松散,孔隙率隨之增加。粗骨料與水泥漿體之間的連接變得更松,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)更為脆弱,從而降低斷裂強(qiáng)度。

圖6 水膠比與斷裂能之間的關(guān)系曲線

由圖7可知,當(dāng)水膠比由0.35升至0.5時(shí),特征長(zhǎng)度也隨之由328.98mm增至1 083.01mm。由此可見,水膠比的提高能夠減弱混凝土的脆性,進(jìn)而明顯提高其延性。這種情況的發(fā)生是由于水膠比的增加導(dǎo)致混凝土中的粗骨料與水泥漿體之間的連接更加脆弱,同時(shí)界面過(guò)渡區(qū)也變得更加脆弱,表明水膠比的高低對(duì)混凝土性能具有重要影響。高水膠比使混凝土基體孔隙率增加,粗骨料容易脫落,導(dǎo)致斷裂面凹凸不平,進(jìn)而增加混凝土延性;反之,低水膠比使混凝土基體更加致密,孔隙率降低,與粗骨料的連接更加緊密,粗骨料更容易被內(nèi)鎖和橋接,但也會(huì)導(dǎo)致混凝土變得較脆。因此,水膠比的選擇對(duì)混凝土性能至關(guān)重要。

圖7 水膠比與特征長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文以某大壩混凝土為試驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)試驗(yàn)法,研究了大壩混凝土材料的斷裂特性。結(jié)論如下:

1)粗骨料粒徑和水膠比都會(huì)對(duì)混凝土斷裂參數(shù)造成影響。具體來(lái)說(shuō),隨著粗骨料粒徑的增加,混凝土的起裂韌度呈先增加再減小的趨勢(shì)。當(dāng)粗骨料粒徑為20mm時(shí),起裂韌度最大,表明混凝土具有更好的抵抗開裂能力。因此,混凝土制備過(guò)程中需要注意粗骨料粒徑的控制,以獲得更佳的抵抗開裂能力。

2)隨著粗骨料粒徑增大,混凝土失穩(wěn)韌度增加,表明粗骨料粒徑提高了混凝土的裂縫失穩(wěn)破壞抵抗能力,驗(yàn)證了粗骨料粒徑對(duì)混凝土性能的顯著影響。研究顯示,隨著粗骨料粒徑的增加,混凝土的斷裂能和特征長(zhǎng)度先增大后減小。當(dāng)粗骨料粒徑為20mm時(shí),混凝土的延性和抵抗裂縫擴(kuò)展的能力達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。因此,在混凝土制備過(guò)程中需合理控制粗骨料粒徑,以獲得更好的延性。

3)水膠比增大會(huì)導(dǎo)致混凝土的起裂韌度、失穩(wěn)韌度和斷裂能力下降,表明其防止開裂、裂縫擴(kuò)展及失穩(wěn)破壞能力隨之減弱?；炷恋闹苽溥^(guò)程中應(yīng)注意控制水膠比,以提高其抵抗這些破壞的能力。隨著水膠比的升高,混凝土特征長(zhǎng)度呈上升趨勢(shì),表明混凝土的韌性隨之增強(qiáng),脆性則減弱。因此,加大水膠比可有效提高混凝土的延性,制備過(guò)程中應(yīng)注意控制水膠比,以便獲得更佳的性能。同時(shí),調(diào)節(jié)粗骨料粒徑和水膠比,以保證混凝土具備更高抗裂擴(kuò)能力和穩(wěn)定性,進(jìn)而改善延性。