水庫心墻壩體材料混凝土三軸力學特征分析研究

美麗古麗，西爾艾力，李光雄

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

水工建筑中混凝土材料應(yīng)用范圍較廣，在不同荷載工況中，混凝土材料的配合比或其他摻料差異均會對其力學穩(wěn)定性能產(chǎn)生較大影響，故而探討三軸力學特征受不同因素耦合影響效應(yīng)具有重要作用[1-3]。目前，已有一些專家、學者利用顆粒流軟件及其他數(shù)值仿真手段，研究了單、三軸試驗條件下三軸力學特征變化，為室內(nèi)試驗研究提供了理論依據(jù)[4-6]。但限于數(shù)值計算的不確定性，利用工程現(xiàn)場原位試驗，揭示原位巖石或混凝土力學性能，可為實際工程設(shè)計或材料認知提供重要參考[7-8]。利用室內(nèi)試驗手段，依據(jù)工程實際荷載工況，設(shè)計不同荷載實驗條件，為探討水工建筑實際力學狀態(tài)提供實際準確解，極大提升水工建筑混凝土材料力學性能應(yīng)用水平[9-11]。本文以三軸力學加載作為試驗條件，設(shè)計不同水灰比、加載速率混凝土試驗組，研究混凝土力學特征受之影響特性。

1 試驗概況

本次混凝土材料是南疆地區(qū)某水庫心墻壩體材料，其三軸試驗采用液壓試驗機程序控制加載，可根據(jù)試樣類型設(shè)計應(yīng)變式或力控式加載形式，保證試樣加載精確控制，力傳感器最大可測量至1000 kN，變形傳感器測量范圍為-10～10 mm，另采用排油法可精確測定試樣體積變形，為研究混凝土等巖石材料體積膨脹擴容等特性，三軸試驗圍壓最大可達90 MPa，另可根據(jù)試驗環(huán)境需要，設(shè)定不同試驗溫度，工作溫度為-15～120 ℃，數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 s，精度誤差低于0.5%，并可實時查看試樣加載過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。本試驗所采用的設(shè)備如圖1所示。

圖1 三軸試驗儀器

三軸試驗是以中間主應(yīng)力與第三主應(yīng)力相等的假設(shè)為前提進行，混凝土試樣受力形態(tài)如圖2所示。

圖2 三軸試驗條件下混凝土試樣受力狀態(tài)

為研究心墻壩體混凝土材料的最佳配合比，考慮材料水灰比參數(shù)對試樣力學特征影響特性，設(shè)計不同水灰比組、不同圍壓組，探討獲得混凝土材料力學基本特性。所選水灰比參數(shù)分為0.35、0.40、0.45，且保證各組塌落度均滿足本工程中設(shè)計要求。各圍壓組設(shè)定圍壓分別為0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa，加載方式為變形控制，速率均為0.002 mm/s。以目標配合比完成試樣制作后，須在室內(nèi)完成精加工，打磨各端面，保證符合巖石力學實驗規(guī)范要求[12-13]，其中各試樣徑高尺寸分別為100 mm×200 mm；另確保各試樣均在相同養(yǎng)護時間下進行初始裂隙愈合，確保試樣初始裂隙狀態(tài)近乎一致，減少由于制樣而帶來的損傷誤差。另為模擬不同荷載變形速率影響下混凝土力學性能變化特征，以其中三個圍壓作為對比組，分別設(shè)計五個不同荷載變形速率0.0002 mm/s、0.002 mm/s、0.02 mm/s、0.2 mm/s、2 mm/s，具體各組實驗配合比及試驗圍壓如表1所示。

表1 各實驗組圍壓及配合比

每個試樣三軸力學試驗均按照如下步驟進行：

(1)從養(yǎng)護箱內(nèi)取出已養(yǎng)護好試樣，完成相關(guān)物理參數(shù)測定，套上隔油膜后，放入三軸缸內(nèi)，并安裝好變形傳感器等。

(2)首先加載圍壓至目標值，調(diào)整軸向荷載加載速率，開始試驗，采集全過程試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，直至試樣失穩(wěn)破壞。

(3)卸除圍壓與軸壓后，取出試樣，更換其他試樣，進行另一組對應(yīng)的圍壓與加載速率三軸試驗。

2 混凝土三軸力學特征

2.1 不同圍壓下力學特征

基于不同圍壓下混凝土試樣力學破壞試驗，獲得了圍壓影響下混凝土試樣三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 圍壓影響下混凝土試樣三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖中可看出，圍壓愈大，加載過程中應(yīng)力愈高，在應(yīng)變0.03時，圍壓2 MPa時應(yīng)力值為48.34 MPa，而圍壓增大至4 MPa、6 MPa、8 MPa后，相同條件下應(yīng)力值相對前者分別增大了4.9%、18.3%、40.9%。另從應(yīng)力應(yīng)變曲線變化全過程可看出，當圍壓增大，混凝土試樣脆性破壞特征顯著減弱，峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降幅度較低，圍壓8 MPa下峰值應(yīng)力后應(yīng)力下跌幅度僅為5.2%；分析認為，當圍壓增大，可極大限制宏觀裂紋的發(fā)展，導致宏觀裂紋無法在試樣內(nèi)部貫通形成，因而在峰值應(yīng)力后期持續(xù)保持較大承載力，表現(xiàn)在峰值應(yīng)力上即是處于較高水平。從變形特征來看，高圍壓下混凝土試樣以塑性變形為主，線彈性變形占比較少，圍壓8 MPa下峰值應(yīng)力點相對應(yīng)應(yīng)變值為0.0902，而圍壓為2 MPa、4 MPa、6 MPa時峰值應(yīng)力點相應(yīng)應(yīng)變值分別為0.049、0.074、0.085，即峰值應(yīng)力點應(yīng)變值隨圍壓增大而遞增，圍壓增強了側(cè)向束縛力，導致試樣軸向變形較大。

圖4為三個不同水灰比條件下混凝土試樣峰值應(yīng)力變化曲線。

圖4 混凝土試樣峰值應(yīng)力變化曲線(加載速率0.02 mm/s)

從圖中可看出，相同水灰比下圍壓愈高，則峰值應(yīng)力愈大，水灰比0.35時圍壓8 MPa下的峰值應(yīng)力是圍壓2 MPa下的1.6倍，而當水灰比增大至0.45時，兩者之間差距為1.28倍，即水灰比增大可削弱圍壓對混凝土試樣峰值應(yīng)力的正向促進作用；筆者認為，水灰比增大，導致混凝土試樣內(nèi)部構(gòu)成主體骨架的膠凝材料大大減少，進而試樣開口式裂隙大量增多，使得各混凝土試樣在圍壓側(cè)向束縛效應(yīng)下，更趨于一致性，即試樣峰值應(yīng)力幅度差異愈小。

2.2 水灰比影響下力學特征

為研究水灰比對混凝土試樣力學特征影響特性，獲得相同圍壓下不同水灰比的混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖5所示。

圖5 水灰比影響下混凝土試樣三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線(圍壓4 MPa)

從加載應(yīng)力以及峰值應(yīng)力變化特征可知，水灰比愈大，則混凝土試樣峰值應(yīng)力愈低，在圍壓同為4 MPa時，水灰比0.45下的峰值應(yīng)力為34.1 MPa，而水灰比0.35、0.40參數(shù)下的混凝土試樣峰值應(yīng)力相比前者增大了88.8%、43.9%，即水灰比可抑制混凝土試樣應(yīng)力增長效應(yīng)，更大的水灰比參數(shù)造成了水泥這類膠凝劑的減少，無法較好填充混凝土內(nèi)部孔隙，極大減弱了試樣承載力。從變形特征來看，水灰比愈小，則混凝土試樣脆性破壞特征更明顯。從應(yīng)變量值來看，水灰比參數(shù)愈大，則混凝土材料變形能力愈強，其中水灰比0.45混凝土試樣的峰值應(yīng)力點相應(yīng)的應(yīng)變值為0.052，而水灰比0.35、0.40對應(yīng)的應(yīng)變值分別為0.087、0.110，分析認為水灰比愈大，不僅可抑制試樣應(yīng)力增長，且限制了混凝土試樣變形的擴展；從水利工程應(yīng)用角度考慮，應(yīng)根據(jù)工程實際荷載狀態(tài)，選擇最佳水灰比參數(shù)，才可保證混凝土試樣處于較為理想應(yīng)力變形狀態(tài)。

3 三軸加載速率對混凝土力學特征影響

不同加載變形速率對混凝土試樣三軸力學特征具有較大影響，本文以不同三軸加載速率為試驗研究條件，研究加載速率與三軸力學特征之間關(guān)系。

對混凝土試樣應(yīng)力應(yīng)變影響情況見圖6。

圖6 加載速率影響下混凝土試樣三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖6可看出，加載速率愈大，則三軸加載應(yīng)力愈大，當處于相同應(yīng)變0.06時，加載速率為0.0002 mm/s的混凝土試樣應(yīng)力為62.5 MPa，而加載速率為2 mm/s、0.2 mm/s、0.02 mm/s、0.002 mm/s時，相應(yīng)的加載應(yīng)力分別為前者的1.14倍、1.08倍、1.07倍、1.03倍；從加載應(yīng)力差異來看，五個不同速率的混凝土試樣均在加載應(yīng)力56.5 MPa前基本保持一致，當加載應(yīng)力超過該節(jié)點后，不同加載速率的試樣力學特征差異才較顯著。筆者認為，當加載速率較大時，混凝土試樣內(nèi)粗細骨料會逐步填充到細小裂紋中，進而導致受外荷載形成的次生裂紋快速被壓密愈合，進而獲得較強抵抗裂紋擴展的能力；而在相同圍壓相同配合比試驗條件下，加載速率對試樣裂紋的影響一般要在屈服階段后才具有顯著差異，主要由于在線彈性變形階段，試樣均具有相同圍壓束縛作用，各試樣之間應(yīng)力差異較小。另一方面，從加載速率對混凝土試樣變形影響特征來看，各加載速率下混凝土試樣的峰值應(yīng)力點應(yīng)變基本一致，均穩(wěn)定在0.07，分析認為加載速率對混凝土試樣變形影響較小，此與三軸圍壓的存在具有較大關(guān)系，當圍壓均為0 MPa時(圖6(b))，即混凝土試樣處于單軸壓縮狀態(tài)，變形與應(yīng)力均受之影響，高加載速率下混凝土試樣脆性變形破壞顯著，加載速率0.002 mm/s試樣的應(yīng)力下降幅度不超過15%，由此表明，三軸加載速率對應(yīng)力應(yīng)變影響受圍壓束縛效應(yīng)影響顯著。

圖7為相同圍壓條件下各水灰比組不同加載速率混凝土試樣峰值應(yīng)力之間關(guān)系。

圖7 各水灰比組加載速率影響下混凝土峰值應(yīng)力曲線(圍壓4 MPa)

從圖中曲線變化可知，各水灰比組中加載速率對試樣峰值應(yīng)力影響變化均為一致，呈正向促進關(guān)系；但當水灰比處于較低水平時，各加載速率混凝土試樣間峰值應(yīng)力差異顯著降低，在水灰比0.35試驗組中，加載速率0.0002 mm/s相比速率2 mm/s、0.02 mm/s下分別降低了5.34%、4.4%，而當水灰比增大至0.45時，相應(yīng)的幅度為51.4%、44.2%。在水灰比處于較低水平時，加載速率對試樣承載力的影響顯著削弱，反之則加載速率對試樣承載力影響顯著，表明水灰比對加載速率影響混凝土承載力具有正向協(xié)同一致性。

4 結(jié) 論

(1)圍壓愈高，則混凝土試樣應(yīng)力、應(yīng)變均較大，相同加載應(yīng)變下，圍壓4 MPa、6 MPa、8 MPa應(yīng)力相比圍壓2 MPa時增大了4.9%、18.3%、40.9%，但高圍壓下峰值應(yīng)力后期應(yīng)力下降幅度較小。

(2)水灰比參數(shù)愈大，則混凝土試樣峰值應(yīng)力愈小，相同圍壓下水灰比0.35、0.40參數(shù)下的混凝土試樣峰值應(yīng)力相比水灰比0.45下增大了88.8%、43.9%；水灰比愈低，混凝土更趨于脆性破壞，應(yīng)變愈大。

(3)三軸加載變形速率愈大，峰值應(yīng)力愈高，特別在進入屈服變形階段后力學特征具有顯著差異，線彈性變形階段保持應(yīng)力變形一致，各加載速率下的三軸試驗混凝土試樣的峰值應(yīng)力點應(yīng)變均為0.07，但單軸條件下混凝土變形受加載速率影響顯著。

(4)水灰比增大可削弱圍壓對混凝土峰值應(yīng)力的正向促進作用；三軸加載速率對力學特性影響會受到圍壓束縛效應(yīng)減弱；水灰比愈大，則不同加載變形速率間混凝土試驗力學特征愈顯著。