膠結(jié)面缺陷對堆石混凝土抗壓強(qiáng)度影響

劉云柯 喬浩洋 趙應(yīng)洪 楊韜

摘 要：堆石混凝土（rock-filled concrete， RFC）獨(dú)特的施工技術(shù)導(dǎo)致其缺陷與傳統(tǒng)混凝土不一樣。通過物理試驗(yàn)與真實(shí)破壞過程分析（realistic failure process analysis，RFPA）數(shù)值模擬探討了堆石混凝土中堆石與自密實(shí)混凝土（self-compacting concrete， SCC）膠結(jié)面缺陷及自密實(shí)缺陷對其抗壓性能的影響。結(jié)果表明：隨著缺陷數(shù)量的增加，堆石混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降。同等缺陷數(shù)量下，膠結(jié)面缺陷試件的抗壓強(qiáng)度低于自密實(shí)缺陷試件。同時(shí)，聲發(fā)射分析顯示，膠結(jié)面缺陷試件破壞所需能量更低，表明膠結(jié)面缺陷對材料力學(xué)性能有更為顯著的負(fù)面影響。這些發(fā)現(xiàn)為理解和改善堆石混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與耐久性提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：堆石混凝土；膠結(jié)面缺陷；自密實(shí)缺陷；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號：TU526

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

堆石混凝土（rock-filled concrete， RFC）是一種伴隨著自密實(shí)混凝土（self-compacting concrete， SCC）技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種大體積混凝土［1］。其施工工藝主要涵蓋2個(gè)關(guān)鍵步驟：首先，將直徑超過300 mm的大型巖石填入預(yù)先搭建的模具中；其次，向這些巖石之間的間隙注入自密實(shí)混凝土，借助混凝土的自重和優(yōu)良的流動性來填充整個(gè)模具空間［2］。與普通混凝土相比，堆石混凝土具有施工效率高、水化熱低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［3］。截至2024年1月，堆石混凝土技術(shù)已在251個(gè)工程上得到應(yīng)用［4］。

在RFC施工過程中，由于大塊石的加入，在硬化成型后的大體積RFC中存在SCC與堆石間膠結(jié)面缺陷。在外部荷載作用下，缺陷處更容易產(chǎn)生裂縫，從而顯著降低混凝土的力學(xué)性能參數(shù)［5-6］。張國輝等［7］通過使用聚苯乙烯泡沫研究了孔隙率對混凝土力學(xué)性能影響，結(jié)果表明軸心抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的增加呈線性降低。張曉飛等［8］研究了孔隙率對碾壓混凝土劈拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示劈拉強(qiáng)度隨孔隙率增加逐漸降低。REVILLA-CUESTA等［9］基于回歸模型推導(dǎo)了SCC力學(xué)性能與孔隙率之間的關(guān)系式。董卓等［10］通過真實(shí)破壞過程分析（realistic failure process analysis，RFPA）方法研究了巖石與混凝土組合體單軸壓縮下力學(xué)性能與破壞狀態(tài)。李翔等［11］使用RFPA研究了單軸壓縮條件下堆石混凝土的破壞過程，結(jié)果顯示破壞更容易出現(xiàn)在堆石體與自密實(shí)混凝土之間的膠結(jié)面上。這些研究表明，膠結(jié)面與SCC中的缺陷對RFC的力學(xué)性能有重要影響。

為了深入理解膠結(jié)面缺陷與SCC缺陷對RFC抗壓力學(xué)性能的影響，本文通過澆筑預(yù)制缺陷為零的RFC和SCC試件，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整和確定RFPA數(shù)值模擬的參數(shù)。然后，構(gòu)建具有不同數(shù)量的膠結(jié)面缺陷和SCC缺陷的模型，以模擬不同孔隙率條件下的缺陷對RFC抗壓性能的影響。最后，從能量的角度分析所得數(shù)據(jù)和結(jié)果，驗(yàn)證研究結(jié)論。同時(shí)，通過考慮能量耗散、聲發(fā)射能量等指標(biāo)，更全面地理解了材料破壞過程中的能量轉(zhuǎn)化和耗散機(jī)制。

1 原材料性能及試件制備

試驗(yàn)中使用的SCC原材料：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級粉煤灰；細(xì)度模數(shù)為2.5～3.1的中砂；粒徑為5～10 mm的碎石；實(shí)驗(yàn)用水為當(dāng)?shù)刈詠硭?；外加劑為聚羧酸鹽高效減水劑，減水率為27%。SCC的配合比見表 1。為避免天然巖石強(qiáng)度與堆疊時(shí)的空間分布的隨機(jī)性對試件抗壓強(qiáng)度的影響，本文采用高強(qiáng)度無收縮灌漿料澆筑半徑為60 mm的單個(gè)球形體試件來替代RFC中的巖石，其澆筑的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度為58.61 MPa，滿足RFC中巖石強(qiáng)度要求。灌漿料澆筑過程如圖 1所示。

考慮到混凝土固有的微孔隙結(jié)構(gòu)不可避免，研究中我們制備了無預(yù)制缺陷的RFC與SCC試件，這些試件被用作無缺陷對照試驗(yàn)組，用于確定數(shù)值模擬參數(shù)。試件均為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件。為了使球形堆石適度沉降后穩(wěn)定在模具的中心位置，將一定量的SCC倒入模具，高度20 mm，然后加入球形堆石，最后按照RFC的施工方式澆入剩余SCC，實(shí)現(xiàn)對模具與球形堆石間的有效填充。RFC試件的澆筑過程如圖2所示。

2 試驗(yàn)方案

2.1 物理試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用貴州大學(xué)的巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備RMT-301進(jìn)行。該設(shè)備具備測量混凝土在加載過程中完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的能力，能夠記錄峰值強(qiáng)度之后的變形行為和強(qiáng)度的變化規(guī)律。在進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)時(shí)，采用了0.01 mm/s的位移加載速率。試驗(yàn)一直持續(xù)到位移達(dá)到7.5 mm時(shí)終止，此時(shí)認(rèn)為抗壓試驗(yàn)完成。試驗(yàn)設(shè)備和RFC在抗壓試驗(yàn)結(jié)束后的破壞狀態(tài)，如圖 3所示。

2.2 數(shù)值模擬方案

2.2.1 RFPA基本原理與模型建立

在現(xiàn)實(shí)澆筑過程中，SCC中固有的微孔隙結(jié)構(gòu)是不可避免的，因此本研究采用RFPA方法來進(jìn)行數(shù)值模擬。RFPA［12］方法考慮了材料內(nèi)部由微裂紋和微孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成的初始損傷場，將其視為一個(gè)隨機(jī)性的場變量?；诩?xì)觀單元線彈性損傷理論，模型通過調(diào)整各單元的力學(xué)性能參數(shù)反映含不同密度缺陷的單元，采用了帶有門檻值的Weibull分布［13-14］，其表達(dá)函數(shù)如下：

式中：φ（l，m）為細(xì)觀單元力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)密度函數(shù)；l為細(xì)觀單元的力學(xué)特性參數(shù)；m為均質(zhì)度系數(shù)，其值越大表明各個(gè)單元力學(xué)性能越接近均值，構(gòu)建的試件越均勻；l0為細(xì)觀單元力學(xué)特性參數(shù)均值。

圖 4為不同均質(zhì)度系數(shù)下細(xì)觀單元的強(qiáng)度分布情況。在給定的例子中，所有細(xì)觀單元的平均強(qiáng)度設(shè)定為130 MPa。由圖4可知：當(dāng)m=2時(shí)，細(xì)觀單元強(qiáng)度的最大值達(dá)到了342 MPa，而最小值為13 MPa，這表明該樣本的細(xì)觀單元強(qiáng)度分布范圍較廣，強(qiáng)度離散性較大；當(dāng)m=20時(shí)，細(xì)觀單元強(qiáng)度的最大值為143 MPa，最小值為92 MPa，這意味著強(qiáng)度分布更為集中，接近平均值。

在對現(xiàn)場RFC缺陷識別時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中膠結(jié)面缺陷與SCC中的缺陷通常呈現(xiàn)為球形，為此在數(shù)值模擬中用圓形孔隙來模擬缺陷。在制定三相細(xì)觀RFC模型時(shí)，需兼顧堆石、SCC及缺陷單元的各異力學(xué)屬性。首先使用C#語言生成150×150像素的方形位圖圖像，這些圖像包含直徑為120像素的圓形堆石和直徑為6像素的隨機(jī)位置的圓形缺陷。通過控制圓形缺陷的位置與數(shù)量，建立了2種缺陷類型和7種孔隙率的RFC試件。其中：缺陷位置在RFC膠結(jié)面上的為膠結(jié)面缺陷，缺陷位置隨機(jī)在RFC中SCC的為自密實(shí)缺陷；孔隙率分別從無缺陷（0%）遞增到7%，即6 mm圓孔數(shù)量分別為0、4、8、12、16、20、24、28個(gè)。最后根據(jù)所選用的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，設(shè)置不同材料參數(shù)。部分建成RFC計(jì)算模型如圖5所示。

2.2.2 模型參數(shù)選取與驗(yàn)證

由于混凝土與灌漿料相對于巖石的均勻性較差，均勻度系數(shù)m采用1.2和1.5分別代表SCC和灌漿料澆筑而成的堆石體，其余參數(shù)如表 2所示。加載方式采用位移控制加載，加載速率為0.01 mm/步。

通過對預(yù)制孔隙率為0的RFC與SCC進(jìn)行RFPA數(shù)值模擬，將其與物理試驗(yàn)對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者的應(yīng)力-步數(shù)曲線均可獲得較為接近的結(jié)果，如圖 6所示。在單軸荷載條件下，無缺陷RFC和SCC的峰值強(qiáng)度，物理試驗(yàn)分別為46.46 MPa和35.01 MPa，數(shù)值模擬分別為45.62 MPa和34.72 MPa，其最大誤差不超過2%，因此選用的參數(shù)可以反映混凝土材料的真實(shí)力學(xué)性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 膠結(jié)面缺陷對RFC抗壓強(qiáng)度影響

通過對試件的無側(cè)限單軸受壓模擬，可以得到膠結(jié)面上不同孔隙率RFC的應(yīng)力-步數(shù)曲線，如圖7所示。從圖 7可以看出：隨著膠結(jié)面缺陷孔隙率增大，抗壓強(qiáng)度不斷降低；隨著初始孔隙率增大，達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的步數(shù)也越來越小。根據(jù)圖 7，試件單軸受壓下的應(yīng)力-步數(shù)曲線可以概括為4個(gè)階段：（1） 彈性階段（OA）。在這個(gè)階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間表現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。這表明材料遵循胡克定律，變形是彈性的，并且在卸載后可以完全恢復(fù)。（2） 彈塑性階段（AB）。隨著應(yīng)力水平的增加，應(yīng)力-步數(shù)曲線的斜率開始下降，指示材料的剛度降低。在這個(gè)階段，試件內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂紋。（3） 破壞階段（BC）。一旦達(dá)到峰值應(yīng)力，試件的承載能力開始下降，即使應(yīng)變繼續(xù)增加，應(yīng)力也開始減小。在這個(gè)過程中，試件內(nèi)部的微裂紋發(fā)展、合并，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的宏觀破壞，原有受力鏈被打破。（4） 殘余應(yīng)力階段（C點(diǎn)后）。當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增加時(shí)，應(yīng)力降低到一定水平后，應(yīng)力-步數(shù)曲線趨于平緩。這表明材料已經(jīng)經(jīng)歷了大部分的破壞過程，即使應(yīng)變繼續(xù)增加，應(yīng)力也不再顯著下降。

為了解釋膠結(jié)面缺陷數(shù)量對抗壓強(qiáng)度的影響，選取孔隙率為1%、2%和3%的膠結(jié)面缺陷RFC進(jìn)行分析，如圖 8所示。圖 8展示了在單軸受壓條件下，達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)不同膠結(jié)面缺陷數(shù)量的RFC單元應(yīng)力分布情況和聲發(fā)射事件的發(fā)生情況，以及聲發(fā)射能量單步統(tǒng)計(jì)。聲發(fā)射是一種物理現(xiàn)象，指的是當(dāng)試件在變形過程中，外部做功并非完全轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能，而是有一部分通過彈性波的形式向外釋放。這種現(xiàn)象通常與材料的微觀結(jié)構(gòu)變化相關(guān)，如裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。圖 8中，紅色球體代表張拉破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射，而白色球體則代表壓破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射。球體的直徑大小表示了聲發(fā)射釋放能量的相對大小，即球體越大，表明釋放的能量越多，通常意味著更嚴(yán)重的材料損傷或裂紋發(fā)展。

圖 8（a）顯示：在單軸受壓條件下，應(yīng)力優(yōu)先集中出現(xiàn)在含有初始缺陷的區(qū)域周圍。這說明，RFC中的初始缺陷是應(yīng)力集中和潛在裂紋發(fā)起的位置。這與肖詩云等 ［15］的觀點(diǎn)是一致的。由圖 8（b）可知：當(dāng)試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，大量的聲發(fā)射事件也集中在這些初始圓孔缺陷的周圍。因此，在材料接近其承載極限時(shí)，這些缺陷區(qū)域成為聲發(fā)射活動的主要源頭。此外，隨著缺陷數(shù)量的增加，觀察到聲發(fā)射的數(shù)量和能量都有所減少。這種現(xiàn)象表明，隨著孔隙率的增加，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度所需的能量減少，從而使得試件更易發(fā)生破壞。這一發(fā)現(xiàn)與圖 7中展示的應(yīng)力-步數(shù)曲線的趨勢相一致，即隨著內(nèi)部缺陷的增加，材料的抗壓強(qiáng)度下降，更容易發(fā)生破壞。

由圖 8（c）可以看出：在彈性階段前期，0～10步期間，試件沒有出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，表明材料處于理想的彈性狀態(tài)，此時(shí)外部施加的能量完全轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能，沒有發(fā)生不可逆的損傷或裂紋擴(kuò)展。在彈性階段中后期，10～12步期間，有較低的聲發(fā)射能量產(chǎn)生，表明雖然開始有微裂紋的產(chǎn)生和能量釋放，但整體上試件依然保持較好的彈性行為。然而，具有不同膠結(jié)面缺陷數(shù)量的試件表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特征。例如，在此階段，孔隙率為3%的試件比孔隙率為1%的試件釋放更多的聲發(fā)射能量，表明孔隙率更高的試件在單軸受壓試驗(yàn)下更早發(fā)生破壞。在彈塑性階段，12～35步期間，在接近峰值強(qiáng)度之前，聲發(fā)射的能量急劇上升，單步能量在應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后也達(dá)到最高點(diǎn)。在破壞階段，35～45步期間，聲發(fā)射數(shù)量開始急劇減少，并在破壞階段結(jié)束時(shí)趨于一個(gè)恒定值。殘余應(yīng)力階段，45步之后，單步聲發(fā)射數(shù)量已經(jīng)穩(wěn)定，單步聲發(fā)射能量也趨于一個(gè)恒定值。

3.2 膠結(jié)面缺陷與自密實(shí)缺陷對RFC抗壓強(qiáng)度影響

圖9展示了不同孔隙率下，膠結(jié)面缺陷和自密實(shí)缺陷對RFC抗壓強(qiáng)度的影響。對于膠結(jié)面缺陷，孔隙率分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為41.49、36.43、33.62、30.57、27.57、24.03、22.99 MPa，相對于無缺陷RFC的占比分別為89.30%、78.41%、72.36%、65.80%、59.34%、51.72%、49.48%。對于自密實(shí)缺陷，孔隙率分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為43.07、39.89、37.42、34.99、33.51、31.69、28.12 MPa，相對于無缺陷RFC的占比分別為92.70%、85.86%、80.54%、75.31%、72.13%、68.21%、60.52%。由圖9可以看出：隨著孔隙率增大，自密實(shí)缺陷呈現(xiàn)線性降低，但膠結(jié)面缺陷在孔隙率達(dá)到6%之后下降速率減緩；而且在相同的孔隙率下，膠結(jié)面缺陷的抗壓強(qiáng)度低于自密實(shí)缺陷的抗壓強(qiáng)度。膠結(jié)面作為巖石與SCC的接觸界面，兩者的彈性模量和強(qiáng)度不同，在交界面處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致試件更易破壞［16］。

為了深入理解膠結(jié)面缺陷與自密實(shí)缺陷這2種不同缺陷對抗壓強(qiáng)度的影響，從能量耗散的角度進(jìn)行分析。假定在壓力機(jī)作用下的試件變形系統(tǒng)是封閉的，不存在機(jī)械功向熱能的轉(zhuǎn)化，即系統(tǒng)與外界沒有熱量交換?；谶@樣的假設(shè)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以得出以下關(guān)系［17］：

U=Ud+Ue（2）

式中：U為外部輸入總能量；Ud為耗散的能量；Ue為試件儲存的彈性應(yīng)變能。

試件耗散能與彈性能的關(guān)系如圖 10所示。進(jìn)一步假設(shè)，不同試件的應(yīng)力波、動能、各種輻射能等在試件變形過程中的占比是一致的。因此，聲發(fā)射監(jiān)測得到的能量在一定程度上可以表示試件破壞所需的總能量，而且通過比較不同類型缺陷下試件破壞時(shí)所耗散的能量，從而揭示不同缺陷對材料抗壓強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)制。

本文累計(jì)了孔隙率從1%至7%的膠結(jié)面缺陷和自密實(shí)缺陷試件在抗壓開始到峰值強(qiáng)度期間的每步聲發(fā)射能量，作為聲發(fā)射總能量，如圖11所示。其中，對于膠結(jié)面缺陷，孔隙率1%～7%，聲發(fā)射總能量分別為506.5、451.7、424.5、409.5、355.7、301.7、283.6 J，相對于無缺陷RFC的占比分別為84.64%、75.50%、70.96%、68.44%、59.44%、50.42%、47.39%。對于自密實(shí)缺陷，孔隙率1%～7%，聲發(fā)射總能量分別為556.4、517.5、472.6、460.3、413.6、395.6、362.6 J，相對于無缺陷RFC的占比分別為92.99%、86.50%、78.99%、76.93%、69.12%、66.12%、60.60%。

由圖11可知：隨著孔隙率的增加，無論是膠結(jié)面缺陷還是自密實(shí)缺陷，試件在達(dá)到峰值強(qiáng)度前所累積的總能量都呈現(xiàn)減少的趨勢。這意味著孔隙率的增加導(dǎo)致試件能夠儲存的彈性應(yīng)變能減少，從而降低了材料的抗壓能力。同時(shí)，對比2種缺陷類型，可以發(fā)現(xiàn)在相同孔隙率下，膠結(jié)面缺陷的聲發(fā)射總能量普遍低于自密實(shí)缺陷，這表明膠結(jié)面缺陷對試件抗壓強(qiáng)度的削弱效應(yīng)更為顯著。這可能歸因于膠結(jié)面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及巖石與SCC在彈性模量和強(qiáng)度上的差異。

4 結(jié)論

本文通過RFPA方法，研究了SCC與堆石體間的膠結(jié)面缺陷對RFC試件抗壓性能的影響。通過分析不同孔隙率下膠結(jié)面缺陷對抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）隨著膠結(jié)面缺陷數(shù)量的增加，即孔隙率的增大，RFC的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，表明膠結(jié)面缺陷對材料的完整性和承載能力有顯著影響。

2）在圓孔缺陷數(shù)量相同的情況下，自密實(shí)缺陷的抗壓強(qiáng)度大于膠結(jié)面缺陷的抗壓強(qiáng)度。

3）從能量的角度分析，缺陷數(shù)量的增加意味著破壞需要的能量越少，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

需要指出的是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，RFC中的堆石骨料形狀是不規(guī)則的，且空間分布隨機(jī)。然而，為了專注于分析膠結(jié)面缺陷對RFC抗壓力學(xué)性能的影響，本文將堆石骨料簡化為球形模型。未來的研究將通過圖像識別技術(shù)對實(shí)際試件進(jìn)行數(shù)值模擬，以更精確地模擬實(shí)際情況。

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Effect of Cement Surface Defects on Compressive

Strength of Rock-Filled Concrete

Abstract：

The unique construction technique of rock-filled concrete causes its defects to be different from those of conventional concrete. We investigate the effects of defects in the cementing surface of stacked stone and self-compacting concrete and the defects in self-compacting concrete on the compressive properties of rock-filled concrete through physical tests and RFPA （realistic failure process analysis） numerical simulations. The result shows that the unconfined compressive strength of rock-filled concrete decreases with the increase of the number of defects. For the same number of defects， the compressive strength of cementitious surface defect specimens was lower than that of self-compacting defect specimens. Also， acoustic emission analysis reveals that the energy required to destroy specimens with defects in the cement surface is lower， indicating that defects in the cement surface have a more significant negative impact on the mechanical properties of materials. These findings facilitates understanding and improving the design and durability of rock-fill concrete structures.

Key words：

rock-filled concrete; cement surface defects; self-compacting defects; compressive strength