吴 宏
(赫章县水务局,贵州 毕节 553200)
水电大坝是人类利用水资源的重要工程,其结构复杂、体积庞大、使用寿命长。大坝混凝土是承受各种复杂荷载和水文地质环境影响的主要材料,其物理力学性能决定了大坝的安全系数和使用效果。然而,由于混凝土本身的多相组成、非均匀性和各向异性等特点,以及外部因素的作用,大坝混凝土在使用过程中往往会出现裂缝、变形、强度下降等现象[1-3],不仅影响大坝的美观和功能,而且可能导致大坝的失效和破坏。因此,对大坝混凝土在力学性能及断裂特性方面的研究,对于提高大坝的设计水平、优化混凝土配合比、控制混凝土开裂、评估大坝的安全状况、延长大坝的使用寿命等方面具有重要意义。
本文对大坝混凝土的力学性能及断裂特性进行系统研究,采用三点弯曲试验方法,分析不同荷载条件下力学性能变化规律、断裂模式、断裂韧度和断裂能等参数。
混凝土的配合比见表1。除水泥、粉煤灰、骨料和砂之外,还添加了粉煤灰、减水剂和引气剂。其中,水泥采用中国葛洲坝集团水泥有限公司生产的52.5的中热水泥;粉煤灰来自于湖北七八九化工有限公司,为Ⅰ级粉煤灰;减水剂来自于湖北成丰化工有限公司;引气剂来自于武汉奥特龙建筑材料有限公司;粗骨料为宜昌地区挖掘后人工锤碎过筛后的碎石;细骨料为荆州地区采集后处理的标准砂;使用自来水进行拌和。在混凝土的配合比中,水胶比设置为0.35、0.45和0.50,骨料设置粒径范围为10、20和40mm。
表1 混凝土配合比设计
为了研究混凝土断裂参数与粗骨料颗粒尺寸和水灰比的关系,本试验设计3组T1、T2、T5试件组,分别采用不同粗骨料颗粒尺寸(10、20和40mm),以及3组T2、T3、T4试件组,分别采用不同水灰比(0.5、0.45、0.35)。每组试件制作4个,并对试验成功的3个进行分析。
先制备尺寸为120mm×300mm×1300mm的三点弯曲切口梁试件,初缝长120mm,缝宽2mm,共浇筑5组,共计20个试件;然后制作150mm的立方体和直径150mm、高300mm的圆柱体试件,试样被浇筑后24h即可拆模。拆模后的试样在湿度为98%的环境中养护28天后,再放置于自然环境中。根据《水工混凝土试验规程》(SL/T 352-2020),通过相关试验得到立方体抗压强度(fcu)和劈裂抗拉强度(fts)。同时,对抗压强度(fc)、弹性模量(Ec)以及泊松比(γ)进行测试,测试结果见表2。
表2 试验试样力学性能表征
在三点弯曲梁的测试中,选用位移控制模式进行加载,加载速度0.15mm/min。使用BLR-1型荷载传感器和CDP-5型位移传感器对荷载值和裂缝口张开位移(CMOD)进行测量,以获取断裂试验数据。采用DH5937型号动态应变测试系统,联立两台仪器采集和记录试验数据,在整个试验过程中,对载荷和变形值进行连续记录,并保证数据记录的完整性,试验结果见图1。
图1 部分试样三点弯曲试验结果
由图2可知,在双K断裂参数上,粗骨料粒径的作用十分显著。在粗骨料粒径达到20mm的情况下,混凝土的起裂韧度值最大为0.956MPa·m1/2,表明混凝土具有较强的抗开裂能力。研究发现,随着粗骨料粒径的逐渐增大,失稳韧度得到越来越大的提升。具体而言,失稳韧度从10mm粒径时的1.363MPa·m1/2开始逐渐上升,一直到40mm粒径时的1.826MPa·m1/2,增幅为34%。即随着粗骨料粒径的增大,混凝土的抗裂能力变得越来越强,抵抗裂缝失稳破坏的能力得到显著提升。
图2 双K断裂参数与最大骨料粒径之间的关系曲线
由图3可知,混凝土的断裂能力与粗骨料的粒径有关。当粗骨料粒径开始增大时,混凝土试样断裂能力由267.58N/m增至291.63N/m,提高约9%。当粗骨料粒径超过20mm时,断裂能力由291.63N/m减少至268.47N/m,下降约8%。因此,当粗骨料粒径达到20mm时,混凝土的抗裂能力表现得更好,可以更好地承受外界压力,抵抗裂纹扩展的能力也更强。这可能是因为随着粗骨料粒径的增大,其断裂路径变得更加曲折,需要更多的能量来推动裂纹的扩展,表明粗骨料的尺寸对混凝土性能的影响非常重要。但是,若粗砾粒径进一步增大,会导致水泥石浆离析,在粗骨料周围形成厚厚的水膜,从而降低黏结强度,导致混凝土的断裂能力下降。
图3 断裂能与最大骨料粒径之间的关系曲线
由图4可知,粗骨料粒径由10mm增至20mm后,试件组的特征长度由420.89mm升高至1 083.01mm。但当最大骨料粒径进一步增大至40mm时,试件组的特征长度回落至808.29mm。因此,粗骨料粒径为20mm时,混凝土的韧性更高。这是因为粗骨料粒径增大导致断裂路径更为曲折,从而使粗骨料可以更好地桥接主裂纹,并克服其拔出的摩擦作用。因此,混凝土表现出更好的延性。然而随着骨料粒径的扩大,骨料与水泥基质的结合面中原有的瑕疵也会上升,使骨料和水泥基质之间附着强度减弱,进一步影响骨料的内锁和桥接效应,导致混凝土脆性增强。
图4 特征长度与最大骨料粒径之间的关系曲线
由图5可知,水胶比增大会导致双K断裂参数(即起裂韧度和失稳韧度)下降。以水胶比由0.35增至0.5为例,起裂韧度从1.122MPa·m1/2降至0.96MPa·m1/2,下降幅度为14%;失稳韧度由1.923MPa·m1/2降至1.703MPa·m1/2,下降幅度为11%,表明水胶比的增大降低了混凝土抵抗裂纹扩展和失稳破坏的能力。
图5 水胶比与双K断裂参数之间的关系曲线
由图6可知,当水胶比由0.35升高至0.5时,混凝土的抵抗性下降12%,即断裂强度由332.24N/m降至291.63N/m。表明随着水胶比的增加,混凝土的抗裂能力会降低,其原因是水胶比的升高导致混凝土基体松散,孔隙率随之增加。粗骨料与水泥浆体之间的连接变得更松,导致混凝土结构更为脆弱,从而降低断裂强度。
图6 水胶比与断裂能之间的关系曲线
由图7可知,当水胶比由0.35升至0.5时,特征长度也随之由328.98mm增至1 083.01mm。由此可见,水胶比的提高能够减弱混凝土的脆性,进而明显提高其延性。这种情况的发生是由于水胶比的增加导致混凝土中的粗骨料与水泥浆体之间的连接更加脆弱,同时界面过渡区也变得更加脆弱,表明水胶比的高低对混凝土性能具有重要影响。高水胶比使混凝土基体孔隙率增加,粗骨料容易脱落,导致断裂面凹凸不平,进而增加混凝土延性;反之,低水胶比使混凝土基体更加致密,孔隙率降低,与粗骨料的连接更加紧密,粗骨料更容易被内锁和桥接,但也会导致混凝土变得较脆。因此,水胶比的选择对混凝土性能至关重要。
图7 水胶比与特征长度之间的关系曲线
本文以某大坝混凝土为试验对象,通过试验法,研究了大坝混凝土材料的断裂特性。结论如下:
1)粗骨料粒径和水胶比都会对混凝土断裂参数造成影响。具体来说,随着粗骨料粒径的增加,混凝土的起裂韧度呈先增加再减小的趋势。当粗骨料粒径为20mm时,起裂韧度最大,表明混凝土具有更好的抵抗开裂能力。因此,混凝土制备过程中需要注意粗骨料粒径的控制,以获得更佳的抵抗开裂能力。
2)随着粗骨料粒径增大,混凝土失稳韧度增加,表明粗骨料粒径提高了混凝土的裂缝失稳破坏抵抗能力,验证了粗骨料粒径对混凝土性能的显著影响。研究显示,随着粗骨料粒径的增加,混凝土的断裂能和特征长度先增大后减小。当粗骨料粒径为20mm时,混凝土的延性和抵抗裂缝扩展的能力达到最优状态。因此,在混凝土制备过程中需合理控制粗骨料粒径,以获得更好的延性。
3)水胶比增大会导致混凝土的起裂韧度、失稳韧度和断裂能力下降,表明其防止开裂、裂缝扩展及失稳破坏能力随之减弱。混凝土的制备过程中应注意控制水胶比,以提高其抵抗这些破坏的能力。随着水胶比的升高,混凝土特征长度呈上升趋势,表明混凝土的韧性随之增强,脆性则减弱。因此,加大水胶比可有效提高混凝土的延性,制备过程中应注意控制水胶比,以便获得更佳的性能。同时,调节粗骨料粒径和水胶比,以保证混凝土具备更高抗裂扩能力和稳定性,进而改善延性。
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