高填充自密實混凝土砌石壩力學性能及破壞機理研究

劉 辛，李友彬，劉 磊，廖仕信，劉 濤

(1.貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550005；2.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

高填充自密實混凝土砌石壩筑壩新技術廣泛應用于水利水電工程等行業，具有環境友好、節能環保、工藝簡單、經濟性好等優點。隨著建設項目的日益增多，不同地區的高填充自密實混凝土砌石壩的物理力學性能及破壞機理已成為工程建設及運維的重要影響因素之一。高填充自密實混凝土砌石壩作為復合材料其設計按體積比計算摻配。目前研究主要從材料學角度認為高填充自密實混凝土砌石壩為多相組成：第一相大粒徑砌石為基體，第二相高填充自密實混凝土為增強組分，高填充自密實混凝土和大粒徑砌石的界面組分為第三相。高填充自密實混凝土砌石壩中大粒徑砌石相互嵌擠搭接；自密實混凝土填充大粒徑砌石空隙，包裹大粒徑砌石并保證壩密實。壩的堆石率一般達到50%，高于砌石壩45%的埋石率，為滿足要求，層厚根據設計可以澆筑1～3m不等，采用機械化施工。

綜上所述，高填充自密實混凝土砌石壩是區別于混凝土砌塊石、埋石混凝土、全級配混凝土和常規混凝土的新型復合材料。因此，對高填充自密實混凝土砌石壩物理力學性能及破壞機理仍需進一步研究。

本文對高填充自密實混凝土砌石壩試驗倉采用切割剖面直觀進行可視化特征分析，明確其多級網絡結構組成特征；對切割加工大試件進行力學及超聲回彈試驗，分析大粒徑砌石和自密實混凝土組成形式、多相耦合效果、大試件各相所占比例及大試件尺寸效應等對高填充自密實混凝土砌石壩受力及均勻性、密實度的影響。本研究可為高填充自密實混凝土砌石壩物理力學特征分析提供借鑒。

1 復合材料混合律理論基礎

復合材料力學性能理論上滿足組分性能按體積比加權和混合律，見公式(1)—(2)，如圖1—2所示。

圖1 串并聯模型

圖2 串并聯模型特性的上下限

單向復合材料并聯模型的混合律：

Ec=EfVf+EmVm

(1)

單向復合材料串聯模型的混合律：

(2)

式中，下標c、f、m—代表高填充自密實混凝土砌石壩、大粒徑砌石、高填充自密實混凝土；E—力學參數彈性模量；V—體積百分比。

單向復合材料力學性能的混合律：

(3)

式中,X—某項力學性能，下標A，B表示組分；n—指數冪，并聯模型中n=1，串聯模型中n=-1。

高填充自密實混凝土砌石壩復合材料理論上具備2個特征：

(1)受力時主要由高彈性、高模量的組分大粒徑砌石承受荷載。低彈性、低模量組分高填充自密實混凝土主要傳遞荷載。

(2)大粒徑砌石與高填充自密實混凝土組合應有足夠的結合強度，保證高填充自密實混凝土所承受的荷載能傳遞給大粒徑砌石，理論上要求能降低脆性破壞的概率。

2 試驗概況

本試驗研究采用C9015W6F50(設計強度等級C15齡期90d抗滲等級W6抗凍等級F50)高填充自密實混凝土和工地現場粒徑大于300mm石灰巖大粒徑砌石隨機堆放，施工單位進行澆筑自密實混凝土。經現場記錄試驗倉實際大粒徑砌石體積比例51%，高填充自密實混凝土填充體積比例49%。指標詳見表1。

在工地現場采用切割機等對同材料、同工藝、同環境的試驗倉精細加工成大試件運至試驗中心，采用10000kN(1000t)壓力機，根據SL 352《水工混凝土試驗規程》等開展試驗。

理論上充填比例的不同將影響復合材料力學數值改變，由于在現場按大壩實際施工情況澆筑試驗倉，現行的規范規程要求大粒徑砌石最小粒徑大于300mm，本試驗中均是按實際施工情況澆筑試驗倉，就沒有考慮大粒徑砌石和高填充自密實混凝土不同比例下高填充自密實混凝土砌石壩性狀變化。

表1 高填充自密實混凝土配合比

3 試驗數據分析

3.1 切割剖面及搭接嵌擠結構可視化分析

3.1.1 切割試驗倉剖面及成型大試件

切割試驗倉剖面及成型大試件如圖3所示。

圖3 可視化高填充自密實混凝土砌石壩內部特征

3.1.2 可視化特征分析

高填充自密實混凝土砌石壩組分上由大粒徑砌石和高填充自密實混凝土組成的復合材料。大粒徑砌石分布在高填充自密實混凝土中，高填充自密實混凝土分布規律符合自密實混凝土成熟理論，高填充自密實混凝土砌石壩形成具有一定內摩阻力、黏結力和機械咬合力的空間多級網絡結構。由于各組成材料用量比例可以不同，高填充自密實混凝土砌石壩內部大粒徑砌石顆粒的分布狀態、高填充自密實混凝土填充密實程度和剩余空隙率也呈現出不同的特征，從組成結構上高填充自密實混凝土砌石壩可以定義為骨架密實型復合材料。圖3切割剖面顯示由大粒徑砌石在倉面堆滿搭接嵌擠起骨架作用，用高填充自密實混凝土填充大粒徑砌石的空隙實現包裹，保證高填充自密實混凝土砌石壩內部密實。

3.2 大尺寸試件抗壓強度試驗

3.2.1 抗壓強度試驗

本研究開展大尺度試件抗壓強度試驗，相關數據如圖4—6所示和見表2—6。

3.2.2 試驗數據

表2 大試件抗壓強度力學指標

圖4 抗壓強度試驗

表3 大試件軸心抗壓強度力學指標

表4 大試件抗壓強度力學指標統計 單位：MPa

表5 大試件泊松比指標 單位：MPa

表6 大試件強度分布 單位：MPa

圖5 大試件抗壓強度力學分布

圖6 大試件軸心抗壓強度力學分布

3.2.3 試驗現象及數據分析

如圖4所示，試驗過程中裂紋產生具有隨機性，試驗中觀察到大部分表面裂縫沿大粒徑砌石與高填充自密實混凝土粘結界面首先開裂發展，說明界面是高填充自密實混凝土砌石壩最薄弱部位，符合復合材料理論分析。部分大粒徑砌石占比較大、搭接緊密的切割大試件則出現堆石裂紋，隨承載力增加裂紋發育更多，與大粒徑砌石與高填充自密實混凝土粘結界面裂紋相互連通。高填充自密實混凝土砌石壩大試件受壓后體積變化不大，環箍效應不明顯。

高填充自密實混凝土砌石壩大試件大粒徑砌石通過接觸點搭接成空間骨架結構承受主要荷載，高填充自密實混凝土填充空隙傳遞荷載。試驗數據中抗壓強度極限荷載在15～40MPa區間。

3.3 劈裂抗拉試驗

3.3.1 劈拉強度試驗

本研究開展大試件劈裂抗拉強度相關試驗，相關數據見圖7—8和表7—9。

圖7 劈裂抗拉強度試驗

圖8 大試件劈拉強度樣本所占比例

3.3.2 試驗數據

表7 大試件劈裂抗拉試驗結果

表8 大試件抗拉強度值所占比例 單位：MPa

表9 大試件劈裂抗拉強度力學指標 單位：MPa

3.3.3 試驗現象及數據分析

如圖7所示，大試件劈拉試驗裂縫首先出現在施加荷載處，大部分沿縱向大粒徑砌石與自密實混凝土粘接界面或穿過大粒徑砌石發展，當大粒徑砌石占比很小時出現大粒徑砌石和自密實混凝土剝離破壞，當大粒徑砌石占比很大時出現大粒徑砌石沿巖石節理破壞。試驗階段裂紋發生與加載線性荷載作用部位有關，由大粒徑砌石和自密實混凝土結構組成隨機決定。

高填充自密實混凝土砌石壩大試件劈拉強度來自兩個方面，一是大粒徑砌石搭接形成骨架結構受力，二是高填充自密實混凝土包裹大粒徑砌石形成的機械咬合力。填充密實的自密實混凝土在空間形成對大粒徑砌石的反力，提高了大粒徑砌石抗拉的能力。大試件劈拉強度極限荷載在1.1～3.0MPa區間，離散性較大，數值為抗壓強度值1/10。

3.4 靜力彈性模量

3.4.1 彈性模量試驗

本研究開展大試件靜力彈性模量試驗，相關數據如圖9—10和見表10—12。

圖9 靜力彈性模量試驗

3.4.2 試驗數據

表10 大試件彈性模量試驗參數

表11 大試件彈性模量值所占比例 單位：GPa

表12 大試件彈性模量綜合參數 單位：GPa

圖10 大試件彈性模量分布

3.4.3 試驗現象及數據分析

如圖8所示，試驗過程中大粒徑砌石和高填充自密實混凝土的各相組成比例及骨架密實結構是關鍵因素。大試件承受荷載作用下體積變化及裂紋產生與抗壓強度試驗近似，達到極限荷載所用時間更短。

高填充自密實混凝土砌石壩應力應變關系體現復合材料特征，不同組分材料特性既獨立又互相作用，彈性模量數據基本符合串并聯模型混合律關系。彈性模量極限值為7.1～47.6GPa區間，數值呈現水平變化，離散性較大。

4 探討

本研究中，高填充自密實混凝土砌石壩物理力學指標數值的離散差異與常規的破壞形態應該和大粒徑砌石空間堆放的隨機性、不均勻性、多相材料荷載傳遞復雜性以及切割大試件導致大粒徑砌石分布更不平均、搭接受力不充分密切相關。

分析原因，本試驗采用對試驗倉進行切割的方法導致大尺寸試件的性能由大粒徑砌石和高填充自密實混凝土組分起決定因素之一，有的大試件大粒徑砌石占比大、有的大試件高填充自密實混凝土占比大，導致物理力學性能呈現離散性。隨機分布的大粒徑砌石粒徑要求大于300mm，最大可到1000mm左右，切割后大試件尺寸最大是450mm，對于研究而言不能形成重復單元，直接影響抗壓強度、劈拉強度、彈性模量等值。

本研究從工程角度立足于解決應用的問題，首先高填充自密實混凝土砌石壩是一種中國人自主發明新筑壩技術，具備很多優點，工程應用廣泛，但是高填充自密實混凝土砌石壩區別于常規混凝土；其次，由于大粒徑砌石粒徑很大，沒有更大的壓力機能對高填充自密實混凝土砌石壩原型試驗倉進行試驗(目前最大有3000t壓力機，貴州只有1000t壓力機)；再次，切割技術是對高填充自密實混凝土砌石壩原型試驗倉的分解，嘗試由大試件強度再反演分析試驗倉的受力性能，采集足夠多切割大試件樣本強度值將會趨近高填充自密實混凝土砌石壩復合材料最不利強度下限值，找到規律可以更加接近高填充自密實混凝土砌石壩的本質特征。

5 結語

(1)高填充自密實混凝土砌石壩具備較高的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量值，力學性質具有尺寸效應，數值離散性大，大尺寸試件實測力學指標高于設計采用的高填充自密實混凝土設計指標。

(2)高填充自密實混凝土砌石壩從結構上可定義為骨架密實型復合材料。高填充自密實混凝土砌石壩由大粒徑砌石在倉面堆滿通過接觸點搭接嵌擠起骨架作用主要承受荷載，用高填充自密實混凝土填充大粒徑砌石空隙保證密實，實現填充、包裹、機械咬合和傳遞荷載。