全級(jí)配混凝土的動(dòng)態(tài)特性和其濕篩混凝土強(qiáng)度關(guān)系的比較

周 婷

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性研究

1.1 全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方法

全級(jí)配混凝土大試件尺寸大混凝土抗拉強(qiáng)度小、破壞脆性大，全級(jí)配動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)尤其是抗拉試驗(yàn)難度非常大，很大程度上依賴于高性能的材料試驗(yàn)設(shè)備和良好的試驗(yàn)方法。因此，研究全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方法就具有重要意義，同時(shí)多種測(cè)量方法相結(jié)合可從不同層次、不同階段對(duì)全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究并相互驗(yàn)證必將成為全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心依托MTS15MN 大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)采用32 通道應(yīng)變反饋信號(hào)控制試驗(yàn)進(jìn)程利用32個(gè)350Ω 長(zhǎng)度為150mm 的應(yīng)變片測(cè)量試件應(yīng)變并利用MTSFlexTest 采集和控制系統(tǒng)將其中最大的應(yīng)變作為控制信號(hào)，以期獲得平滑的應(yīng)力應(yīng)變曲線，同時(shí)設(shè)計(jì)了精良的夾具系統(tǒng)，特別是彎拉系統(tǒng)能模擬地震波反復(fù)周期加載的特點(diǎn)。測(cè)量方法采用應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量并結(jié)合激光測(cè)距高速攝影等手段以期深入研究全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性。

1.2 全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性的影響因素

在實(shí)際工程中材料的配比絕大多數(shù)經(jīng)優(yōu)化試驗(yàn)確定，因此靜態(tài)強(qiáng)度粗骨料水灰比養(yǎng)護(hù)條件等因素影響較小，影響全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的主要因素可簡(jiǎn)化為如下幾種：①加載方式地震荷載的特點(diǎn)是歷時(shí)短頻率成分多樣循環(huán)幅值隨時(shí)程發(fā)生變化，混凝土在不同性質(zhì)的動(dòng)態(tài)載荷作用下表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度與剛度等特性，模擬高拱壩工作狀態(tài)時(shí)強(qiáng)震條件下全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)是最為迫切的需要。②初始靜載大壩的地震荷載是在壩體承受一定的靜態(tài)荷載的情況下疊加的，尤其高拱壩的靜態(tài)應(yīng)力水平較高，不同初始靜載時(shí)的大壩混凝土動(dòng)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究對(duì)高拱壩抗震設(shè)計(jì)尤為重要。③濕度由于高壩混凝土長(zhǎng)期與水接觸研究濕度條件對(duì)全級(jí)配混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響有重要意義。④齡期高拱壩全級(jí)配混凝土常采用高摻量粉煤灰粉煤灰的使用導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度形成時(shí)間較長(zhǎng)與普通混凝土相比齡期對(duì)全級(jí)配混凝土靜動(dòng)態(tài)強(qiáng)度彈模的影響將更大。開展齡期對(duì)全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)性能影響研究對(duì)混凝土高拱壩結(jié)構(gòu)最大可信地震評(píng)估設(shè)計(jì)特別重要。關(guān)鍵影響因素對(duì)全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性的綜合影響及各關(guān)鍵影響因素的權(quán)重確定需繼續(xù)深入研究。

1.3 全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)內(nèi)容

混凝土動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)內(nèi)容包括：?jiǎn)屋S動(dòng)態(tài)拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)和多軸動(dòng)態(tài)拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)。混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)震作用下的混凝土大壩通常表現(xiàn)為拉壞破壞，因此全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度應(yīng)為研究的重點(diǎn)。大壩混凝土實(shí)際是在多軸應(yīng)力作用下，因此研究多軸狀態(tài)下混凝土的動(dòng)態(tài)性能更符合工程實(shí)際情況，研究多軸應(yīng)力組合作用下的全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度應(yīng)成為今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容。但由于受試驗(yàn)設(shè)備等多方面制約目前這方面的研究較少，現(xiàn)有研究資料表明多軸應(yīng)力狀態(tài)下混凝土動(dòng)強(qiáng)度有增加趨勢(shì)，但增幅小于單軸應(yīng)力狀態(tài)下的幅度，15MN 大型動(dòng)態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)預(yù)留了多軸試驗(yàn)的空間和硬件接口，為今后進(jìn)行升級(jí)改造滿足全級(jí)配混凝土多軸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)提供了必要的條件。

2 全級(jí)配混凝土與其濕篩混凝土的強(qiáng)度關(guān)系的比較

水工混凝土通常采用最大骨料粒徑為80mm 或150mm 的三、四級(jí)配混凝土，由于全級(jí)配混凝土試件尺寸大，試驗(yàn)工作量大、難度高。因此常采用濕篩法剔除拌合物中超過(guò)40mm 的大骨料，成型150mm大小的試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，并以此結(jié)果進(jìn)行大壩的設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)。由于全級(jí)配和濕篩混凝土實(shí)際配合比并不相同兩者的力學(xué)特性差異較大，能否用濕篩后小試件的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)推測(cè)大壩全級(jí)配混凝土的強(qiáng)度，一直是工程界和學(xué)術(shù)界所普遍關(guān)心的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并取得了一定的研究成果，但由于試驗(yàn)條件的差異且各自的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，二者強(qiáng)度之間的關(guān)系問(wèn)題仍然未得到較好的解決。因此，有必要研究全級(jí)配與濕篩混凝土強(qiáng)度差異的物理機(jī)理，更為準(zhǔn)確地分析大壩混凝土的強(qiáng)度，為高壩等大型混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)提供參考。

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)材料來(lái)看，隨著最大骨料粒徑的增加，混凝土強(qiáng)度隨之降低，四級(jí)配和三級(jí)配混凝土強(qiáng)度均小于濕篩混凝土的強(qiáng)度；同時(shí)可以看出軸拉強(qiáng)度降低最大，劈拉強(qiáng)度次之，抗壓強(qiáng)度降低最小。從研究成果來(lái)看，混凝土材料尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因是裂紋附近產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使得裂紋前沿的微裂紋發(fā)生開裂，從而在裂紋尖端形成非奇異的應(yīng)力分布，使得線彈性斷裂力學(xué)不能直接應(yīng)用于混凝土的斷裂分析，在宏觀上即表現(xiàn)為測(cè)量得到的混凝土強(qiáng)度具有尺寸效應(yīng)。由于Weibull 的尺寸律假設(shè)單元破壞及對(duì)應(yīng)于材料破壞，因此更適用于完全脆性材料，Bazant 的尺寸律是從混凝土非線性斷裂過(guò)程出發(fā)，物理意義清楚，與具有初始預(yù)置

裂紋長(zhǎng)度的三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但與無(wú)預(yù)置裂紋的拉壓試驗(yàn)結(jié)果相比誤差較大，需進(jìn)行修正，Carpinteri 尺寸律和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但由于分形理論發(fā)展時(shí)間較短，其中的很多參數(shù)物理意義并不明確，較難應(yīng)用推廣。由于現(xiàn)有尺寸律并未考慮混凝土骨料級(jí)配的影響，不能直接應(yīng)用于分析全級(jí)配與濕篩混凝土強(qiáng)度比值，研究人員采用其它方法針對(duì)這一問(wèn)題開展了研究。采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究了骨料粒徑、級(jí)配和試件尺寸對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律。通過(guò)內(nèi)時(shí)損傷模型建立了全級(jí)配和濕篩混凝土的本構(gòu)關(guān)系，分析了二者之間力學(xué)特性的差異。雖然已經(jīng)進(jìn)行了很多全級(jí)配混凝土的試驗(yàn)和理論研究，但全級(jí)配和濕篩混凝土的力學(xué)特性尤其是強(qiáng)度差異的物理機(jī)理并不清楚?，F(xiàn)有研究多數(shù)是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的簡(jiǎn)單擬合，從而得出強(qiáng)度比值的經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏理論依據(jù)。因此，本文從混凝土的細(xì)觀破壞機(jī)理出發(fā)，分析了全級(jí)配和濕篩混凝土強(qiáng)度的關(guān)系。

3 總結(jié)

從本文的研究中可以得出：水工混凝土強(qiáng)度主要由骨料和砂漿界面的斷裂韌度以及控制性裂紋的長(zhǎng)度確定，全級(jí)配與濕篩混凝土強(qiáng)度的差異主要是因?yàn)榘l(fā)生破壞時(shí)控制性裂紋大小不同。同時(shí)，全級(jí)配和濕篩混凝土強(qiáng)度比值以軸拉最小，劈拉次之，軸壓最大。這是由于混凝土受直接拉伸荷載時(shí)，控制性裂紋大小與最大骨料粒徑相同；而在劈拉破壞時(shí)，混凝土的破壞發(fā)生在劈拉力軸線附近的拉應(yīng)力區(qū)，因此控制性裂紋尺寸較小；混凝土受壓破壞時(shí)存在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的過(guò)程，因此控制性裂紋的大小不僅僅與骨料粒徑有關(guān)，同時(shí)也和骨料間距有關(guān)。

［1］馬懷發(fā)，陳厚群，黎保琨.混凝土試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2004，35(10)：27-35.

［2］陳厚群，吳勝興，馬懷發(fā)，等.全級(jí)配大壩混凝土動(dòng)態(tài)性能研究[D].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2004.