尺寸效應(yīng)對(duì)面板混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

鄭 洲 ，劉建鵬 ，徐 帆 ，荊慧斌 ，周 毓

（1.上海涇景水利工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 虹口200000；2.西安大澤工程咨詢(xún)服務(wù)有限公司，陜西 西安712000;3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)廣泛利用在水利工程、交通設(shè)施、工業(yè)與民用建筑、近海工程等領(lǐng)域，而且目前越來(lái)越多的利用在海洋工程、嚴(yán)寒極地以及遭受化學(xué)腐蝕的特殊環(huán)境中。近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展并實(shí)施了針對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)治理、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、能源配置的改善及水利工程生態(tài)環(huán)境建設(shè)等一系列的規(guī)劃，我國(guó)的水電建設(shè)目前仍然具有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Γ邏谓ㄔO(shè)和大壩安全仍然是限制壩工技術(shù)發(fā)展的難題。一旦高壩在地震作用下出現(xiàn)事故，其帶來(lái)的后果將是破壞力強(qiáng)、影響范圍廣并將引起難以挽回的重大損失，因此在高壩建設(shè)領(lǐng)域中廣泛使用的混凝土壩和面板堆石壩的壩體材料在大尺寸下的力學(xué)性能有必要進(jìn)行深入的研究，對(duì)高地震烈度區(qū)的高壩抗震安全也需給予足夠的重視。

近年來(lái)，研究學(xué)者們對(duì)于混凝土的尺寸效應(yīng)在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下進(jìn)行了較為深入的研究，但是由于試驗(yàn)條件的局限性，對(duì)于混凝土的尺寸效應(yīng)在動(dòng)態(tài)荷載作用下的研究較為匱乏，僅有少數(shù)研究學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。如Elfahal等[1]對(duì)不同尺寸的圓柱體試件進(jìn)行了不同應(yīng)變速率的SHPB沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著試件尺寸的增大，試件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度趨于降低，即混凝土尺寸對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)性能具有顯著的影響。張建等[2]結(jié)合實(shí)際工程情況中大壩碾壓混凝土的一些力學(xué)性能通常根據(jù)濕篩混凝土試件確定，在進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究中的材料選擇為某實(shí)際拱壩工程材料及其配合比下的三級(jí)配混凝土，研究發(fā)現(xiàn)三級(jí)配混凝土靜態(tài)強(qiáng)度均低于動(dòng)態(tài)彎拉強(qiáng)度，并且觀察到明顯的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，大尺寸混凝土試件的彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈現(xiàn)偏小狀態(tài)。閆東明等[3]對(duì)三種尺寸不同混凝土棱柱體試件分別進(jìn)行了加載速率為 0.5 mm/min、5 mm/min、50 mm/min 和 500 mm/min 的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明混凝土試件的抗折強(qiáng)度隨著加載速率的提高而增加，對(duì)于相同加載速率的試件，試件的抗折強(qiáng)度與尺寸效應(yīng)成反比。

在已有的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究成果中，對(duì)于考慮尺寸效應(yīng)的面板混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究較少，因此本文通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)研究尺寸效應(yīng)對(duì)于面板混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及混凝土配合比

參照《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 228-2013）[4]對(duì)面板混凝土的要求，本次試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5R的秦嶺牌普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)的粉煤灰，骨料采用河砂及采用粒徑為5 mm～30 mm（粒徑為5 mm～20 mm、20 mm～30 mm的比例為1∶1）的天然卵石；混凝土外加劑采用三萜皂甙高效引氣劑以及聚羧酸高效減水劑；水采用實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水。試驗(yàn)參照規(guī)范和已有面板壩工程的配合比[5,6]，設(shè)計(jì)了本試驗(yàn)所用的面板混凝土配合比。面板混凝土28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，取3個(gè)試件的平均值。面板混凝土配合比及力學(xué)性能見(jiàn)表1，由表可知該配合比下試件的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值滿(mǎn)足混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25的要求。

表1 面板混凝土配合比及力學(xué)性能

1.2 試件制作及試驗(yàn)方法

1.2.1 試件制作與養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)中主要考慮面板混凝土的尺寸效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，面板混凝土試件尺寸選擇為A組（Ф150 mm×150 mm）、B組（Ф150 mm×300 mm）、C組（Ф150 mm×450 mm）、（見(jiàn)圖1）的圓柱體試件。由于混凝土試件尺寸較大和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱空間大小的限制，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GBT 50082-2009）[7]中的規(guī)定，將制好的混凝土試件完全浸入不流動(dòng)的溫度控制在20±2℃的飽和Ca（OH）2溶液中養(yǎng)護(hù)到28天齡期。

圖1 三種尺寸規(guī)格的圓柱體試件模具

1.2.2 三軸力學(xué)性能試驗(yàn)

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的每組試件進(jìn)行1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四種級(jí)別不同應(yīng)變速率的三軸力學(xué)試驗(yàn)，研究不同尺寸的面板混凝土試件在不同應(yīng)變速率下的三軸力學(xué)性能。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 DTD-2000KN粗粒土動(dòng)靜三軸試驗(yàn)儀

圖3 混凝土試件安裝示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 不同尺寸試件的面板混凝土極限抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系分析

在圍壓恒定為5 MPa的狀態(tài)下，A、B、C三組試件分別在施加 1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四種不同的應(yīng)變速率下的軸向極限抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)圖4。

分析過(guò)程中，以加載應(yīng)變速率為1×10-4s-1時(shí)得到的抗壓強(qiáng)度值為基準(zhǔn)值，得到各組試件在加載應(yīng)變速率為2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向極限抗壓強(qiáng)度與軸向動(dòng)態(tài)極限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率，結(jié)果見(jiàn)圖5。為了研究尺寸效應(yīng)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響程度，以A組試件的抗壓強(qiáng)度值為基準(zhǔn)值，得到B、C兩組試件的抗壓強(qiáng)度損失率，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖4 軸向極限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率的關(guān)系

圖5 軸向極限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率與應(yīng)變速率之間的關(guān)系

圖6 軸向抗壓強(qiáng)度損失率與應(yīng)變速率的關(guān)系

圖7 不同應(yīng)變速率下的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率

綜合分析比較圖4～圖7可得：當(dāng)加載的應(yīng)變速率相同時(shí)，隨著混凝土試件尺寸高徑比的增大，試件的軸向抗壓強(qiáng)度減小，軸向抗壓強(qiáng)度損失率增大。

綜合比較相同尺寸的面板混凝土試件，隨著加載時(shí)應(yīng)變速率的提高，試件的極限抗壓強(qiáng)度隨之增大。以混凝土試件作用有1×10-4s-1應(yīng)變速率時(shí)的抗壓強(qiáng)度值作為基準(zhǔn)值，對(duì)試件的極限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率和應(yīng)變速率曲線(xiàn)圖進(jìn)行分析可知：隨著加載時(shí)設(shè)置的應(yīng)變速率的提高，A組試件的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率相對(duì)于B、C兩組較大，B組和C組試件的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率在應(yīng)變速率為2×10-4s-1、5×10-4s-1時(shí)相差不大，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10-3s-1時(shí)，不同尺寸面板混凝土試件的增長(zhǎng)率出現(xiàn)較大的差異。由此可得：面板混凝土的應(yīng)變速率較低時(shí)，混凝土試件尺寸高徑比的增大對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率的增幅影響不大。

對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析可以得出：對(duì)于不同尺寸試件的軸向極限抗壓強(qiáng)度值，與作用的應(yīng)變速率的增加呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，不同尺寸的面板混凝土試件的抗壓強(qiáng)度的增幅隨著作用的應(yīng)變速率的增加而相應(yīng)減緩。因此，對(duì)面板混凝土試件的軸向抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率的關(guān)系進(jìn)行對(duì)數(shù)回歸模型的分析并得到相應(yīng)的擬合曲線(xiàn)，見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 A組試件應(yīng)力與應(yīng)變速率擬合曲線(xiàn)

圖9 B組試件應(yīng)力與應(yīng)變速率擬合曲線(xiàn)

圖10 C組試件應(yīng)力與應(yīng)變速率擬合曲線(xiàn)

2.2 不同尺寸下混凝土峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率的關(guān)系分析

在圍壓恒定為5 MPa的狀態(tài)下，A、B、C三組試件分別在施加 1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四種不同的應(yīng)變速率下的軸向峰值應(yīng)變值見(jiàn)圖11。

圖11 不同應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)變

對(duì)圖11進(jìn)行分析可得：A、B、C三組試件的峰值應(yīng)變整體上隨著作用的應(yīng)變速率的提高而相應(yīng)的降低，以混凝土試件作用有1×10-4s-1的應(yīng)變速率時(shí)的峰值應(yīng)變值作為基準(zhǔn)值，當(dāng)試件上作用有 2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1三種不同的應(yīng)變速率時(shí)，A組試件對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變值分別有2.74%、14.38%、18.49%的減小，B組試件對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變值分別有7.9%、26.5%、29.3%的減小，C組試件對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變值分別有8.1%、10.8%、19.9%的減小。

當(dāng)作用于面板混凝土試件上的應(yīng)變速率相同時(shí)，試件的峰值應(yīng)變值隨著試件尺寸高徑比的增大呈現(xiàn)相應(yīng)的減小規(guī)律。以作用在A組試件上的應(yīng)變速率產(chǎn)生的峰值應(yīng)變值作為基準(zhǔn)值，B、C兩組試件的峰值應(yīng)變值在加載的應(yīng)變速率為1×10-4s-1時(shí)，相應(yīng)的減小了4.1%、24%。當(dāng)加載的應(yīng)變速率為 2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1時(shí)，B、C 兩組試件的峰值應(yīng)變值相應(yīng)的減少為9.2%、28.2%、17.6%和20.8%、16.8%、25.2%。

3 結(jié)論

本文采用混凝土動(dòng)靜三軸儀試驗(yàn)儀對(duì)考慮尺寸效應(yīng)的面板混凝土材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究，重點(diǎn)對(duì)面板混凝土軸向抗壓強(qiáng)度以及峰值應(yīng)變的演化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

（1）面板混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的提高而增大，隨著試件尺寸高徑比的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

（2）隨著應(yīng)變速率的提高，不同尺寸的面板混凝土試件的峰值應(yīng)變值整體上隨之呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，隨著面板混凝土試件高徑比的增大也呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

（3）利用回歸分析的方法對(duì)試驗(yàn)中不同尺寸面板混凝土的軸向抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率的關(guān)系進(jìn)行分析，得到它們之間的相關(guān)系數(shù)較高、與試驗(yàn)數(shù)值吻合較好的擬合關(guān)系式。