考慮凍-融作用下中抗硅酸鹽水泥混凝土疲勞力學(xué)試驗研究

向 英

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

混凝±是工程建設(shè)中不可或缺的基礎(chǔ)材料,其穩(wěn)定的承載力學(xué)水平、良好的耐久耐磨特性[1-2],對工程設(shè)計、運營均有幫助。 探討混凝±材料疲勞力學(xué)破壞特征,對豐富混凝±力學(xué)研究成果具有重要意義。 姜春萌等[3]、王賀楠[4]為研究混凝±的常規(guī)力學(xué)水平,設(shè)計開展單、三軸加載力學(xué)破壞試驗,并耦合凍融、干濕等物理作用,探討了物理場耦合下混凝±材料力學(xué)損傷變化。劉偉琪等[5]、周雙雙等[6]為研究混凝±宏細(xì)觀力學(xué)破壞特征,借助CT、聲發(fā)射等方法,探討混凝±破壞前后內(nèi)部晶體顆粒演變過程,分析了宏觀力學(xué)與細(xì)觀機(jī)理之間的關(guān)聯(lián)性,有助于揭示混凝±材料變形破壞機(jī)理。 針對混凝±疲勞力學(xué)特征,王普等[7]、李建闖等[8]設(shè)計開展循環(huán)加卸載力學(xué)試驗,探討了混凝±加、卸載過程中強(qiáng)度、變形特征,對混凝±的抗疲勞力學(xué)水平研究具有參照價值。

為研究中抗硅酸鹽水泥混凝±疲勞力學(xué)特征,本文設(shè)計開展單調(diào)加卸載力學(xué)試驗,分析混凝±疲勞壽命與中抗硅酸鹽水泥摻量、凍-融特征之間關(guān)聯(lián)性,為工程設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1 研究方法

1.1 工程介紹

額爾齊斯河具有豐富的水資源,對北疆農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。 合理有效開發(fā)額爾齊斯河流域水資源,有助于改變北疆地區(qū)水資源分布不均、調(diào)度阻塞、輸水耗散的現(xiàn)狀。 同時,受氣候變暖影響,北疆部分冰川帶融化,常導(dǎo)致進(jìn)入額爾齊斯河流域的水量暴漲,對流域沿線水±流失、河道護(hù)坡造成嚴(yán)重危害,對河道防洪、水工建筑運營產(chǎn)生不利影響。

為此,河道管理部門考慮在中游擬建一座水利樞紐工程,承擔(dān)額爾齊斯河中游乃至下游地區(qū)的輸水灌溉、水力發(fā)電、梯級調(diào)度等水利職責(zé),計劃建設(shè)蓄水庫最大庫容量5 800×104m3,控制額爾齊斯河流域中游面積800km2,規(guī)劃有溢洪道、下游輸水干渠、地下引水工程、攔河主壩以及導(dǎo)流洞等附屬水工建筑。 圖1 為該水利樞紐規(guī)劃分布的典型設(shè)施。

布洛芬和對乙酰氨基酚小兒用的劑型一般是混懸液，用時注意搖勻。2種退熱藥不能同時使用，可以交替使用。使用退熱藥后大量出汗，只有出汗才能帶走身體的熱量，體內(nèi)缺水的時候也會影響退熱的效果，注意補(bǔ)水防止脫水。個人覺得乙酰氨基酚相對于布洛芬藥性溫和，比布洛芬好。

圖1 擬建水利樞紐工程平面布置示意

根據(jù)初步設(shè)計可知,所建攔河主壩采用混凝±重力壩結(jié)構(gòu)型式,設(shè)計最大高度32.6m,過境洪峰下最大水位32m,全壩主軸長362.5m,所使用的水工建筑材料以中抗硅酸鹽水泥混凝±為主,確保滿足主壩防滲性要求。 溢洪道閘室、閘身等重要部位均采用中抗硅酸鹽水泥混凝±主材,特別是在溢洪道進(jìn)水口處,為提高進(jìn)水口處抗水力沖蝕能力,采用多圈層、多厚度、多類型的布置方式,確保即使在溢洪道最大泄流量520m3/s 工況下,進(jìn)水口仍能保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定,同時三維滲流場運動平靜,不出現(xiàn)非穩(wěn)定活躍滲流。 此外,在該水利樞紐工程的地下引水工程中,為保證開挖圍巖穩(wěn)定性,采用中抗硅酸鹽水泥混凝±材料為襯砌結(jié)構(gòu)主材,引水工程開挖面為拱形結(jié)構(gòu),設(shè)計最大通流量125m3/s,地下開挖斷面襯砌結(jié)構(gòu)不同部位處最大主應(yīng)力變化見圖2。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)不同部位處最大主應(yīng)力變化

由圖2 可知,最大主應(yīng)力為拱頂,可達(dá)1.65MPa。但FLAC 3D 圍巖仿真分析表明,采用中抗硅酸鹽水泥混凝±襯砌結(jié)構(gòu)后,其主應(yīng)力可降低45.5%～65.5%,減少圍巖應(yīng)力擾動影響。

由圖6 可知,在其他參數(shù)保持一致的前提下,僅改變水泥摻量,各試樣疲勞壽命lgN具有不同變化趨勢。 當(dāng)摻量為1.5%～6%時,試樣疲勞壽命整體呈遞增變化;在摻量為6%～9%后,試樣彎曲疲勞壽命均為遞減。 當(dāng)目標(biāo)應(yīng)力水平變化,在此兩階段摻量內(nèi),水泥摻量與彎曲疲勞壽命lgN變化關(guān)系仍保持一致,即加載目標(biāo)應(yīng)力水平不會改變水泥摻量與疲勞力學(xué)壽命lgN趨勢關(guān)系。 分析表明,中抗硅酸鹽水泥含量的多或少,會改變混凝±試樣抗疲勞特性,控制水泥摻量在合理區(qū)間更佳[10]。

1.2 試驗介紹

招收的學(xué)員至少具有1年血液凈化中心工作經(jīng)驗，進(jìn)入臨床實習(xí)階段后，前2周旁觀帶教老師操作，后面根據(jù)每個學(xué)員實際情況，酌情在帶教老師的監(jiān)護(hù)下進(jìn)行實際操作，如遇到透析中突發(fā)情況，包括體外凝血、無肝素透析中更換管理、透析器破膜、透析器過敏及穿刺針滑脫等特殊情況，立即通知所有在場學(xué)員觀看帶教老師現(xiàn)場操作處理并錄制視頻，供學(xué)員學(xué)習(xí)，以間接積累臨床操作經(jīng)驗，提高突發(fā)事件應(yīng)變能力。同時對學(xué)員在患教方面進(jìn)行指導(dǎo)。

圖3 MS-1000 混凝土力學(xué)試驗設(shè)備

為驗證錨固界面剪應(yīng)力分布規(guī)律，作者開展了多級軸向載荷、不同錨固長度煤巖錨固試件張拉試驗，試驗系統(tǒng)如圖7a所示，各試件均發(fā)生界面滑移脫黏失效，代表性失效形態(tài)如圖7b所示。試驗過程與試驗結(jié)果等詳見文獻(xiàn)[23]。

費爾克拉夫的三維模式分為三個維度，描述(description)、解讀(interpretation)和解釋(explanation)。(Fairclough 1995)因此，本研究將分三個階段進(jìn)行：第一階段文本分析，主要分析新聞?wù)Z篇的詞匯選擇和及物性；第二階段話語實踐分析，主要分析新聞的報道模式；第三階段社會實踐分析，主要從政治、經(jīng)濟(jì)的角度闡釋兩家報紙中嵌入意識形態(tài)的異同以及產(chǎn)生差異的原因。

圖4 四點彎曲試驗

媒介素養(yǎng)的概念是由美國媒介素養(yǎng)研究中心1992年提出的，指人們對媒體信息的選擇(Choose)、理解(Understand)、質(zhì)疑(Question)、評估(Evaluate)、創(chuàng)造與生產(chǎn)(Create and Produce)以及思辨反應(yīng)(Respond Thoughtfully)等能力[2]。對于網(wǎng)絡(luò)編輯來說，媒介素養(yǎng)主要是指采集獲取、分析評價、編輯制作、平臺發(fā)布文化信息的能力以及應(yīng)遵循的政治原則和道德規(guī)范。在媒介融合深入發(fā)展的新型傳播生態(tài)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)編輯必須具備更高的媒介素養(yǎng)。他們采集甄選的文化信息不僅要具有新聞和社會價值，而且還要以真實性原則為前提，盡可能滿足各個受眾群體的現(xiàn)實需求。

圖5 力學(xué)加卸載示意

當(dāng)目標(biāo)加載應(yīng)力水平增大,各凍-融路徑組試樣疲勞壽命lgN受凍-融溫差影響愈顯著。 在目標(biāo)應(yīng)力水平為0.8、0.9 時,凍-融路徑溫差15℃～55℃試樣的疲勞壽命lgN分別分布為1.5～4.64、0.54～3.67。 隨溫差梯次變化,兩者方案內(nèi)疲勞壽命lgN分別具有平均降幅23.4%、34.5%。 從疲勞壽命數(shù)據(jù)宏觀表現(xiàn)來看,單調(diào)加卸載中目標(biāo)應(yīng)力水平會耦合凍-融路徑損傷作用,對試樣抗疲勞能力形成“更重的打擊”。

該試驗設(shè)備加載系統(tǒng)包括一個最大量程為1 000kN 的力學(xué)傳感器,精度0.01%;數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)包括LVDT 傳感器、機(jī)器位移測量裝置等,分別對試樣變形、加載平臺位移展開精密測量,以獲得混凝±試樣最真實的力學(xué)特征。 本試驗中,LVDT 傳感器量程為-10～10mm,機(jī)器位移限位值10mm。 所有數(shù)據(jù)采集通道依賴于八通道MS設(shè)備,并與中控平臺相連,可實時處理并呈現(xiàn)試樣力學(xué)數(shù)據(jù)變化,為試驗進(jìn)程轉(zhuǎn)換、停止試驗等提供參照。 圖4 為單調(diào)彎曲加卸載試驗示意,采用四點彎曲方法裝載試樣,測試目標(biāo)應(yīng)力加卸載下疲勞力學(xué)特征。

結(jié)合工程所處環(huán)境,中抗硅酸鹽水泥混凝±需要考慮其抗凍融性,故本試驗研究組分別包括凍-融路徑組、凍-融交替次數(shù)以及中抗硅酸鹽水泥摻量,此3 組因素覆蓋了該類型混凝±常見的參數(shù)設(shè)計、工程環(huán)境影響等。 考慮水工混凝±所處實際環(huán)境,凍-融路徑組設(shè)置為-30℃～25℃(A組)、-20℃～25℃(B 組)、-10℃～25℃(C 組)、0℃～25℃(D 組)、10℃～25℃(E 組),交替次數(shù)均設(shè)置為0～15 次,梯次遞增為3 次;凍-融試驗組中設(shè)定在單調(diào)加卸載力學(xué)試驗前,每一次凍融時間均為6h,每一次交替需測定其質(zhì)量等物理參數(shù)。 中抗硅酸鹽水泥摻量分別為0%(普通水泥混凝±)、1. 5%、3%、4. 5%、6%、7. 5%、9%。 各試驗因素討論組參數(shù)見表1。 在單調(diào)加卸載條件下,分析中抗硅酸鹽水泥混凝±試樣疲勞壽命,探討各試驗因素對混凝±疲勞壽命影響特性。

表1 試驗參數(shù)表

2 水泥摻量對混凝土疲勞壽命影響

基于不同目標(biāo)應(yīng)力水平下的單調(diào)加卸載力學(xué)試驗,獲得各試樣循環(huán)卸荷次數(shù)疲勞壽命,該疲勞壽命參數(shù)為單調(diào)加卸載循環(huán)次數(shù)取對數(shù),圖6 為各中抗硅酸鹽水泥摻量的試樣疲勞壽命變化特征。

圖6 試樣疲勞壽命與水泥摻量關(guān)系

基于上述工程分析可知,中抗硅酸鹽水泥混凝±材料在該水利樞紐工程中具有舉足輕重的作用,不可忽視該水工材料的長期使用壽命,特別是其力學(xué)穩(wěn)定性。 但限于該水工設(shè)施所在環(huán)境,需考慮凍-融物理作用,且需研究中抗硅酸鹽水泥摻量,保證水工材料在實際運營中具有長期力學(xué)穩(wěn)定性,故工程設(shè)計部門針對該類型混凝±開展單調(diào)加卸載疲勞力學(xué)試驗,以期對工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

為確保試驗結(jié)果與工程實際相貼合,在工程現(xiàn)場采樣后,在室內(nèi)實驗室完成中抗硅酸鹽水泥混凝±的基礎(chǔ)物理特性測試。 該試樣摻有一定量稻殼灰,含量約為單個鉆孔試樣的4%,混凝±含水率0.85%,各試樣完整性較好,表面不可見顯著初始損傷裂隙。 按照目標(biāo)應(yīng)力卸載的方法,進(jìn)行循環(huán)加卸載力學(xué)試驗,其力學(xué)加卸載路徑見圖5。

總體上看,當(dāng)目標(biāo)應(yīng)力水平愈高,則疲勞力學(xué)壽命lgN愈小,同時疲勞力學(xué)壽命lgN受水泥摻量影響也愈大。 當(dāng)目標(biāo)應(yīng)力水平為0.5 時,在摻量為1.5%～6%時,疲勞力學(xué)壽命維持在5.3～6.9,水泥摻量1. 5%試樣疲勞力學(xué)壽命lgN為6.24,而摻量4.5%、6%兩試樣疲勞力學(xué)壽命lgN較之前者分別提高7.1%、10.7%,當(dāng)水泥摻量每梯次遞增1.5%,該階段摻量區(qū)間內(nèi)試樣疲勞壽命lgN平均可增大3.3%;當(dāng)摻量為7.5%、9%時,試樣疲勞壽命lgN依次為6.2、5.3,平均降幅為12.2%。 增大目標(biāo)加載應(yīng)力水平為0.7 后,在水泥摻量1.5%～6%和6%～9%兩個階段摻量內(nèi),疲勞力學(xué)壽命分別分布為3. 67～5. 9 和2. 89～5.9,隨著摻量梯次變化,分別具有平均增幅12.6%和降幅29.6%,后者階段內(nèi)疲勞壽命降幅明顯加大。 而目標(biāo)加載應(yīng)力水平為0.9 后,試樣疲勞壽命與摻量關(guān)系變幅愈大,摻量1.5%～9%試樣疲勞壽命lgN分布為1.05～4.8。 由此表明,目標(biāo)加載應(yīng)力水平愈靠近單軸強(qiáng)度,試樣抗疲勞力學(xué)破壞能力愈受水泥摻量影響。

混凝±材料在各類工程建設(shè)中較為常見,且研究重點集中于常規(guī)力學(xué)破壞試驗研究,而針對混凝±的單調(diào)彎曲加卸載試驗研究偏少,特別是針對中抗硅酸鹽水泥混凝±類型。 因此,本文采用MS-1000 混凝±力學(xué)試驗設(shè)備開展單調(diào)加卸載疲勞力學(xué)試驗。 見圖3。

3 凍-融路徑對混凝土疲勞壽命影響

3.1 凍-融路徑效應(yīng)

基于凍-融路徑試驗組數(shù)據(jù)分析,可獲得試樣單調(diào)加卸載下疲勞壽命變化特征,見圖7。 根據(jù)圖7 可知,試樣疲勞壽命lgN與凍-融路徑下溫度差具有二次函數(shù)關(guān)系。 隨著凍-融溫度差增大,試樣疲勞壽命愈低,尤以凍-融溫度差超過35℃后,試樣疲勞壽命變化特征受凍-融路徑影響效應(yīng)愈敏感。 當(dāng)目標(biāo)加載應(yīng)力水平為0.6 時,凍-融路徑為10℃～25℃時,試樣疲勞壽命lgN為7.2;而凍-融路徑分別為0℃～25℃、-10℃～25℃時,相應(yīng)疲勞壽命lgN較之前者分別減少7.6%、14. 6%;而凍-融路徑為-20℃～ 25℃、-30℃～25℃時,疲勞壽命lgN分別為5.22、4.28,較之路徑-10℃～25℃試樣分別降低16. 8%、30.2%。 當(dāng)凍-融路徑溫差愈大,混凝±晶體骨架受凍、融損傷影響愈嚴(yán)重,進(jìn)而表現(xiàn)在抗疲勞力學(xué)能力愈弱。

圖7 試樣疲勞壽命與凍-融路徑關(guān)系

每一次達(dá)到目標(biāo)應(yīng)力水平后進(jìn)行卸載,再二次加卸載,如此循環(huán)交替下去,直至試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。 在前期已開展單軸抗壓測試的基礎(chǔ)上,目標(biāo)應(yīng)力水平按照單軸強(qiáng)度的一定比例取值[9],本試驗設(shè)置有應(yīng)力水平對比組,分別設(shè)計為單軸抗壓強(qiáng)度的0.5、0.6、0.7、0.8、0.9,對比各應(yīng)力水平下試樣疲勞力學(xué)特征。

3.2 凍-融交替效應(yīng)

同理,可獲得凍-融交替作用下,試樣加卸載疲勞力學(xué)壽命lgN變化趨勢,見圖8。 由圖8 可看出,凍-融交替次數(shù)與疲勞壽命lgN呈負(fù)相關(guān)變化,且在交替9 次節(jié)點具有變幅轉(zhuǎn)折,此現(xiàn)象在各目標(biāo)應(yīng)力水平方案內(nèi)均是如此。 當(dāng)交替次數(shù)為0～9 次時,試樣疲勞壽命lgN呈緩慢遞減態(tài)勢。 如應(yīng)力水平0.5 方案中,該交替次數(shù)區(qū)間內(nèi)疲勞壽命lgN分布為8.37～8.79,隨著交替梯次3 次遞增,疲勞壽命lgN平均降低0. 14,降幅為1.6%,整體0～15 次方案內(nèi)疲勞壽命lgN平均降幅為6.8%;交替次數(shù)增大至12、15 次后,相應(yīng)疲勞壽命lgN分別為7.04、6.06,較之9 次時,疲勞壽命lgN 分別下降15.9%、27.5%,此降幅遠(yuǎn)超過前一交替次數(shù)階段。

圖8 試樣疲勞壽命與交替次數(shù)關(guān)系

不僅如此,目標(biāo)應(yīng)力水平較大時,如為0. 9時,試樣疲勞壽命lgN受交替次數(shù)影響更顯著,lgN分布為1.05～4.36。 總體隨交替梯次2 次變化,疲勞壽命lgN平均下降22.7%,且同時在交替9 次節(jié)點前后階段內(nèi),分別具有差異化的變幅。分析認(rèn)為,凍-融交替過多,會激發(fā)試樣內(nèi)部更多固態(tài)水晶體顆粒朝著“可移動”方向發(fā)展,增大了混凝±骨架松散性[11-12],不利于長久抗疲勞力學(xué)破壞。 因此,水利樞紐工程建設(shè)時應(yīng)考慮混凝±抗凍脹設(shè)計,降低凍-融效應(yīng)與疲勞力學(xué)作用間的耦合損傷性。

4 結(jié) 論

1)在水泥摻量1. 5%～6%與6%～9%階段內(nèi),試樣疲勞壽命lgN分別為遞增、遞減變化;目標(biāo)加載應(yīng)力水平遞增,疲勞壽命lgN與水泥摻量變化關(guān)系不變,但疲勞壽命lgN總體遞減,且受水泥摻量影響增大。

2)疲勞壽命lgN與凍-融溫度差具有二次函數(shù)關(guān)系,溫差愈大,則疲勞壽命lgN愈低,尤以溫差超過35℃后更為顯著,且目標(biāo)加載應(yīng)力水平愈大,則疲勞壽命lgN受凍-融損傷效應(yīng)影響更敏感。

解放以后，中央和地方的教育部門陸續(xù)公布了一些基于頻度統(tǒng)計的字表和詞表。其中教育部和國家文字改革委編選這字表或詞表有《常用漢字登記表》(1017字，1950年)、《常用字表》(2000字，1952年)和《普通話三千常用詞表》(3000詞，1962年)。其編寫目的是為了推廣普通話、普及文化知識，編寫識字教材，避免漢語教學(xué)大綱設(shè)計和教材編寫的主觀盲目性，提高教學(xué)效率[2]。

3)凍-融交替次數(shù)與疲勞壽命lgN為負(fù)相關(guān)變化,且交替超過9 次后,疲勞壽命降幅增大,應(yīng)力水平0.5、0.9 方案內(nèi),疲勞壽命lgN隨交替梯次分別具有平均降幅6.8%、22.7%。

4)研究認(rèn)為,中抗硅酸鹽水泥摻量控制在合理區(qū)間更適宜,同時注意減弱凍-融損傷與應(yīng)力水平的耦合效應(yīng)。