熱力耦合下水工混凝土三軸破壞力學試驗研究

陳平妹

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

混凝土材料具有優良的力學穩定性，在水利工程中應用較廣[1-2]。但受多種因素如配合比、工程環境等[3-4]的影響，特別是在一些多物理場耦合條件下，其力學特征具有顯著差異。因此，研究混凝土材料力學特征影響變化對推動工程設計水平具有重要作用。

王亮等[5]、孫秋榮[6]、李劉紅等[7]采用顆粒流等離散元仿真計算方法，通過建立顆粒離散元模型，施加相應的計算荷載，研究模擬試驗環境下混凝土模型的力學特征變化，并分析不同配合比參數對其力學水平的影響特性。曾志偉等[8]、周雙雙等[9]、李俊生等[10]從宏、細觀特征考慮，采用聲發射、CT掃描及顆粒細觀損傷特征等研究手段，探討混凝土材料力學破壞的內在機理，分析配合比或其他物理損傷作用對其顆粒結構的影響，從而評價混凝土力學特征差異性。基于室內試驗研究方法，李琦等[11]、羅英等[12]、陳宇良等[13]通過類比巖石材料試驗力學研究，對混凝土開展了室內單軸、三軸及滲透等試驗，研究不同試驗下混凝土壓縮、拉伸及剪切力學影響變化，為工程建設提供試驗依據。

本文基于北江擴建水利樞紐工程中混凝土材料力學特性，設計開展摻加劑配合比設計因素與熱荷載因素影響下的三軸破壞力學試驗，探討混凝土力學特征影響規律，為工程設計使用混凝土材料提供參考。

2 試驗概況

2.1 工程背景

粵北地區水資源分布不均，導致農業生產、居民用水等出現時空離散狀態，不利于地區經濟發展，提升用水效率離不開水利設施的安全可靠運營。因此，水利部門考慮在粵北北江多級水利設施的基礎上擴建該水利設施。設計該水利樞紐工程年最大可供水量達1 200×104m3，按照百年一遇洪水標準設計，采用重力式混凝土壩為主壩，設計壩高為35.5～42.5 m，最大壩高位于溢洪道所在壩段。擴建后，泄洪閘結構主材采用C25特種混凝土，其閘頂高程較主壩最大壩高差幅為12.5%，閘室底板厚度為1.2 m，閘室軸線全長為8 m，采用多孔式入流閘口設計形態，單孔凈寬為3.5 m，以弧形鋼閘門為擋水設施。根據設計部門的設計優化，其設計模型見圖1。

圖1 閘門模型圖

閘門全面板上最大壓強為1.5 MPa，閘身結構最大張拉應力為15 MPa，最大位移變形為50 mm，采用兩壓桿支臂系統為面板的支撐結構，每根壓桿均采用型鋼結構，靜力結構穩定性較佳。泄洪水閘整體支撐結構為8根預應力混凝土閘墩，墩徑為1.2 m，墩身長度為7.5～8 m。采用鋼混結構的預應力錨桿作為支護體系，閘基標準承載力為250 kPa，確保閘墩自身沉降變形不超過閘室頂高的1‰，基于工程設計建立的泄洪閘整體有限元模型見圖2。

圖2 泄洪水閘有限元模型

模擬計算表明，泄洪閘的變形主要集中在閘室底板處，且計算模型中若主材參數改變，其變形特征也有所差異，即泄洪閘受力狀態與主材參數密切相關。北江擴建水利樞紐的溢洪道剖面見圖3，多段式泄流，可降低水力勢能對水工建筑的沖擊影響，包括有引渠區段與消能設施，采用與泄洪閘同樣的主材建設消能池，坎高為0.5～0.8 m，設計該消能池在運營期消能率需達到45.5%～52.8%。

圖3 溢洪道剖面圖

根據設計調查發現，不論是泄洪閘、消能池還是溢洪道等水工設施，其主材均采用同類型混凝土。而該擴建水利樞紐工程所在地區工程地質復雜，特別是在引水渠中埋深較大的前提下，其力學特征會受到多場耦合影響，而閘室等水工建筑的抗震設計與耦合場下混凝土主材力學水平密切相關。因而，不僅是討論混凝土多場耦合下力學特征影響，更是為工程建設材料設計提供依據。

2.2 試驗介紹

作為熱力耦合試驗研究的基礎設備，TMC2000試驗設備是解決多場耦合試驗研究的重要手段。該試驗設備采用液壓程序控制，可實時控制加載精度與進程，包括有熱荷載加溫裝置、力學加載控制程序、數據監測采集及處理模塊等，可針對研究目的完成單軸、三軸及拉伸等耦合場試驗，見圖4。

圖4 TMC2000試驗設備

試驗設備最大力學荷載為1 200 kN，熱荷載加載采用電傳熱方式，儀器最大識別溫度為300℃，加熱箱內可滿足不同尺寸試樣試驗，包括徑高比1/2的圓柱體試樣，也可滿足標準立方體試樣等。本試驗中所用試樣參照巖石力學試驗規范[14]，選用徑高尺寸為50、100 mm的圓柱體試樣，所有混凝土試樣均取自工程現場現澆材料，在室內經過精加工且滿足試驗要求后，完成養護才可進行相應的熱力耦合試驗。試驗數據采集裝置包括LVDT變形傳感器、軸/環向變形傳感器等，其中軸向傳感器可實現最大位移-20～20 mm，環向變形最大可實現-15～15 mm，所有采集數據會在中控系統得到初步處理，可供試驗過程中觀測及調整試驗進程。

從北江擴建水利樞紐工程使用主材考慮，各類水工設施雖使用同類型特種混凝土，但泄洪閘、溢洪道等水工建筑的混凝土主材的特種摻加劑含量有所差異。據工程調查得知，摻加劑含量分布在1%～10%，故本試驗中混凝土試樣的摻加劑相應設定為1%、3%、5%、7%、9%共5種。熱力耦合下在保證不超過試驗設備最大溫度的前提下，模擬溫度分別設定為25℃(常溫)、75℃、125℃、175℃、225℃、275℃，加熱速率均為5℃/min，加載至目標溫度后，恒溫3h確保試樣受熱均勻后，再進行三軸加載。試驗圍壓設定為5、10、15、20 MPa，每個目標試樣均保證3個及以上試塊，加載中采用變形控制荷載遞增狀態，速率為0.06 mm/min。各組具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3 熱力耦合下力學特征

3.1 溫度熱效應

根據對不同溫度下熱力試驗結果分析，獲得了不同溫度下混凝土試樣應力應變特征，見圖5。從圖5可知，溫度熱荷載對混凝土試樣應力影響具有階段性特征。當溫度低于225℃時，溫度愈高，則試樣加載應力水平愈大；當溫度超過225℃后，則加載應力水平與溫度參數關系與前階段相反。以圍壓10 MPa下為例，當試樣應變為2%時，常溫下試樣的加載偏應力為17.85 MPa；溫度為125℃、225℃下，試樣的偏應力較前者分別增大56.4%、2.87倍；而溫度為275℃下，試樣的偏應力與175℃、225℃時相比，分別減少34.5%、10.8%。從三軸抗壓強度參數對比可知，常溫試驗環境下，混凝土試樣的強度為41.9 MPa；而在熱荷載未超過節點溫度時，隨溫度梯次50℃，其強度平均可提高14.8%；而在溫度275℃下，其強度較225℃下減少16.5%。

圖5 溫度熱效應下三軸應力應變特征

分析認為，溫度熱荷載對混凝土試樣承載應力影響具有門檻值。當環境溫度未超過節點門檻溫度值時，溫度愈大，對混凝土內部晶體顆粒的影響局限在膨脹變形，而晶體顆粒的膨脹過程會逐步擠壓內部孔隙的生存空間，使整體顆粒骨架趨于密實，故表現在承載強度較高的現象；當溫度超過晶體顆粒可承受熱荷載區間時，此時顆粒膨脹后破裂變形，導致試樣內部出現較多松散性碎顆粒，更嚴重的會導致膨脹裂隙貫通、擴展，形成宏觀大裂紋，進而承載強度降低[15-16]。

當圍壓增大至20 MPa后，其溫度對承載應力影響趨勢仍保持一致，且圍壓增大，可導致試樣整體承載應力水平升高，圖5中5個代表試樣的三軸強度較之圍壓10 MPa下的增幅分布為80%～106.9%。但不可忽視，各溫度下試樣承載強度的差異性有所減少，該圍壓下常溫試樣的三軸強度為79.9 MPa，在溫度對強度促進區間內，隨溫度梯次50℃的增長，試樣強度的平均增幅僅為11.2%，且溫度275℃試樣的強度與溫度225℃下的降幅為9.1%。由此可知，圍壓增大，試樣間受溫度熱荷載影響的承載強度差異減小，圍壓效應可削弱熱損傷作用。

分析變形特征受熱損傷效應影響可知，圍壓在10 MPa下各溫度試樣峰值應力后均出現應力下降的現象，變形破壞以脆性為顯著特征，而圍壓20 MPa下試樣應力應變曲線在峰值應力后趨延性塑性變形破壞。另一方面，不同溫度試驗參數下試樣的應力應變在彈性壓密階段即已產生差異性，其變形模量受溫度影響趨勢與承載強度保持一致。

3.2 設計因素影響

根據對不同特種摻加劑含量的試樣試驗結果處理，獲得摻加劑含量設計因素影響下的混凝土試樣應力應變特征，見圖6。

圖6 摻加劑含量影響下三軸應力應變特征

摻加劑含量對混凝土試樣加載應力水平影響具有一致性特征，兩者具有正相關關系。當在圍壓5 MPa下，摻加劑含量1%試樣在應變2%時偏應力為37.7 MPa，而含量5%、9%試樣在該應變下偏應力較前者分別增大17.8%、45.8%；從三軸強度對比來看，當摻加劑含量每增大2%，試樣強度可提升10.6%。同樣，在圍壓15 MPa下，其三軸強度隨摻加劑含量梯次增長而引起的增幅為18.8%。對比可知，圍壓愈大，混凝土試樣三軸強度受摻加劑含量影響差異性愈大。而對比兩圍壓下試樣承載強度可知，圍壓愈大，同摻加劑含量下試樣強度增大，以摻加劑9%試樣增幅最大，達97.1%，而其他含量試樣承載強度在兩圍壓下增幅分布為73%～86.3%。

在圍壓5 MPa下，試樣整體均為脆性變形破壞，峰值應力后下降段較大，且摻加劑含量愈大，試樣峰值應變愈大，該圍壓下4個代表試樣的峰值應變分別為2.02%、2.3%、2.53%、2.8%。同時，圍壓15 MPa下，試樣脆性變形特征弱于圍壓5 MPa，峰值應力后下降段降幅弱于圍壓5 MPa，圍壓增大，脆性變形趨勢有所減弱。不論是圍壓5 MPa還是15 MPa下，試樣應力應變特征分別在30.3、58.9 MPa后出現差異性，即摻加劑含量對混凝土試樣應力應變影響集中于混凝土屈服變形段。

4 熱力耦合下抗剪特征

根據對各組圍壓下試驗數據處理分析，可得到混凝土試樣抗剪特征參數受溫度熱效應及設計參數影響特性，見圖7。

圖7 抗剪特征參數影響特性

從圖7中可知，在同一摻加劑含量下，黏聚力參數隨溫度為先增后減變化，以溫度225℃下黏聚力參數最大，在低于該節點溫度時，摻加劑含量1%、9%試驗組中，其黏聚力參數隨梯次溫度分別具有增幅8.5%、6.5%；而超過該節點門檻值時，其黏聚力參數分別具有平均降幅18.2%、12.5%。摻加劑含量愈大，則黏聚力參數愈大，表明混凝土試樣承載強度的提高內在為顆粒間黏結性提升；在各試驗溫度下，含量9%較之含量1%、5%下試驗組黏聚力分別具有48.8%～60.2%、28.7%～39%增幅。整體上比較，隨內摩擦角受影響變化趨勢與黏聚力參數基本一致，但不論是溫度熱效應還是設計參數的影響，內摩擦角參數影響變幅均弱于黏聚力。如在低于溫度225℃時，含量9%試驗組中內摩擦角的最大增幅僅為1.4%，平均增幅為1%。由此說明，熱力耦合與配合比設計因素影響下，主要其顆粒結構的黏結性發生較大影響，而顆粒摩擦、咬合等特性受影響較小。

5 結 論

1) 混凝土承載強度受溫度影響具有節點門檻值，未超過該溫度時，承載強度隨溫度為遞增，而超過該值后，溫度熱作用產生損傷效應；圍壓10 MPa下，隨溫度50℃梯次，強度平均提高14.8%；而溫度275℃較225℃下強度減少16.5%；圍壓增高，強度提升，且溫度熱影響作用有所削弱；溫度熱作用對混凝土的彈性壓密階段即產生顯著影響。

2) 特種摻加劑含量與混凝土承載強度具有正相關關系，圍壓5、15 MPa下摻加劑含量每增大2%，試樣強度分別可提升10.6%、18.8%；圍壓增大，脆性變形特征減弱；摻加劑含量對混凝土應力應變影響在屈服變形階段較顯著，圍壓5、15 MPa下分別在30.3、58.9 MPa后產生差異。

3) 兩抗剪特征參數受溫度熱效應及配合比參數影響均為一致，隨溫度為先增后減變化，以溫度225℃下為最高；摻加劑含量愈大，則抗剪特征參數增大，含量9%較含量1%、5%下黏聚力分別具有48.8%～60.2%、28.7%～39%增幅；內摩擦角參數受熱效應及配合比影響的變幅均弱于黏聚力。