大壩混凝土的力學性能及斷裂特性研究

吳 宏

(赫章縣水務局,貴州 畢節 553200)

1 概 述

水電大壩是人類利用水資源的重要工程,其結構復雜、體積龐大、使用壽命長。大壩混凝土是承受各種復雜荷載和水文地質環境影響的主要材料,其物理力學性能決定了大壩的安全系數和使用效果。然而,由于混凝土本身的多相組成、非均勻性和各向異性等特點,以及外部因素的作用,大壩混凝土在使用過程中往往會出現裂縫、變形、強度下降等現象[1-3],不僅影響大壩的美觀和功能,而且可能導致大壩的失效和破壞。因此,對大壩混凝土在力學性能及斷裂特性方面的研究,對于提高大壩的設計水平、優化混凝土配合比、控制混凝土開裂、評估大壩的安全狀況、延長大壩的使用壽命等方面具有重要意義。

本文對大壩混凝土的力學性能及斷裂特性進行系統研究,采用三點彎曲試驗方法,分析不同荷載條件下力學性能變化規律、斷裂模式、斷裂韌度和斷裂能等參數。

2 試驗方法

混凝土的配合比見表1。除水泥、粉煤灰、骨料和砂之外,還添加了粉煤灰、減水劑和引氣劑。其中,水泥采用中國葛洲壩集團水泥有限公司生產的52.5的中熱水泥;粉煤灰來自于湖北七八九化工有限公司,為Ⅰ級粉煤灰;減水劑來自于湖北成豐化工有限公司;引氣劑來自于武漢奧特龍建筑材料有限公司;粗骨料為宜昌地區挖掘后人工錘碎過篩后的碎石;細骨料為荊州地區采集后處理的標準砂;使用自來水進行拌和。在混凝土的配合比中,水膠比設置為0.35、0.45和0.50,骨料設置粒徑范圍為10、20和40mm。

表1 混凝土配合比設計

為了研究混凝土斷裂參數與粗骨料顆粒尺寸和水灰比的關系,本試驗設計3組T1、T2、T5試件組,分別采用不同粗骨料顆粒尺寸(10、20和40mm),以及3組T2、T3、T4試件組,分別采用不同水灰比(0.5、0.45、0.35)。每組試件制作4個,并對試驗成功的3個進行分析。

先制備尺寸為120mm×300mm×1300mm的三點彎曲切口梁試件,初縫長120mm,縫寬2mm,共澆筑5組,共計20個試件;然后制作150mm的立方體和直徑150mm、高300mm的圓柱體試件,試樣被澆筑后24h即可拆模。拆模后的試樣在濕度為98%的環境中養護28天后,再放置于自然環境中。根據《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352-2020),通過相關試驗得到立方體抗壓強度(fcu)和劈裂抗拉強度(fts)。同時,對抗壓強度(fc)、彈性模量(Ec)以及泊松比(γ)進行測試,測試結果見表2。

表2 試驗試樣力學性能表征

在三點彎曲梁的測試中,選用位移控制模式進行加載,加載速度0.15mm/min。使用BLR-1型荷載傳感器和CDP-5型位移傳感器對荷載值和裂縫口張開位移(CMOD)進行測量,以獲取斷裂試驗數據。采用DH5937型號動態應變測試系統,聯立兩臺儀器采集和記錄試驗數據,在整個試驗過程中,對載荷和變形值進行連續記錄,并保證數據記錄的完整性,試驗結果見圖1。

圖1 部分試樣三點彎曲試驗結果

3 試驗結果

由圖2可知,在雙K斷裂參數上,粗骨料粒徑的作用十分顯著。在粗骨料粒徑達到20mm的情況下,混凝土的起裂韌度值最大為0.956MPa·m1/2,表明混凝土具有較強的抗開裂能力。研究發現,隨著粗骨料粒徑的逐漸增大,失穩韌度得到越來越大的提升。具體而言,失穩韌度從10mm粒徑時的1.363MPa·m1/2開始逐漸上升,一直到40mm粒徑時的1.826MPa·m1/2,增幅為34%。即隨著粗骨料粒徑的增大,混凝土的抗裂能力變得越來越強,抵抗裂縫失穩破壞的能力得到顯著提升。

圖2 雙K斷裂參數與最大骨料粒徑之間的關系曲線

由圖3可知,混凝土的斷裂能力與粗骨料的粒徑有關。當粗骨料粒徑開始增大時,混凝土試樣斷裂能力由267.58N/m增至291.63N/m,提高約9%。當粗骨料粒徑超過20mm時,斷裂能力由291.63N/m減少至268.47N/m,下降約8%。因此,當粗骨料粒徑達到20mm時,混凝土的抗裂能力表現得更好,可以更好地承受外界壓力,抵抗裂紋擴展的能力也更強。這可能是因為隨著粗骨料粒徑的增大,其斷裂路徑變得更加曲折,需要更多的能量來推動裂紋的擴展,表明粗骨料的尺寸對混凝土性能的影響非常重要。但是,若粗礫粒徑進一步增大,會導致水泥石漿離析,在粗骨料周圍形成厚厚的水膜,從而降低黏結強度,導致混凝土的斷裂能力下降。

圖3 斷裂能與最大骨料粒徑之間的關系曲線

由圖4可知,粗骨料粒徑由10mm增至20mm后,試件組的特征長度由420.89mm升高至1 083.01mm。但當最大骨料粒徑進一步增大至40mm時,試件組的特征長度回落至808.29mm。因此,粗骨料粒徑為20mm時,混凝土的韌性更高。這是因為粗骨料粒徑增大導致斷裂路徑更為曲折,從而使粗骨料可以更好地橋接主裂紋,并克服其拔出的摩擦作用。因此,混凝土表現出更好的延性。然而隨著骨料粒徑的擴大,骨料與水泥基質的結合面中原有的瑕疵也會上升,使骨料和水泥基質之間附著強度減弱,進一步影響骨料的內鎖和橋接效應,導致混凝土脆性增強。

圖4 特征長度與最大骨料粒徑之間的關系曲線

由圖5可知,水膠比增大會導致雙K斷裂參數(即起裂韌度和失穩韌度)下降。以水膠比由0.35增至0.5為例,起裂韌度從1.122MPa·m1/2降至0.96MPa·m1/2,下降幅度為14%;失穩韌度由1.923MPa·m1/2降至1.703MPa·m1/2,下降幅度為11%,表明水膠比的增大降低了混凝土抵抗裂紋擴展和失穩破壞的能力。

圖5 水膠比與雙K斷裂參數之間的關系曲線

由圖6可知,當水膠比由0.35升高至0.5時,混凝土的抵抗性下降12%,即斷裂強度由332.24N/m降至291.63N/m。表明隨著水膠比的增加,混凝土的抗裂能力會降低,其原因是水膠比的升高導致混凝土基體松散,孔隙率隨之增加。粗骨料與水泥漿體之間的連接變得更松,導致混凝土結構更為脆弱,從而降低斷裂強度。

圖6 水膠比與斷裂能之間的關系曲線

由圖7可知,當水膠比由0.35升至0.5時,特征長度也隨之由328.98mm增至1 083.01mm。由此可見,水膠比的提高能夠減弱混凝土的脆性,進而明顯提高其延性。這種情況的發生是由于水膠比的增加導致混凝土中的粗骨料與水泥漿體之間的連接更加脆弱,同時界面過渡區也變得更加脆弱,表明水膠比的高低對混凝土性能具有重要影響。高水膠比使混凝土基體孔隙率增加,粗骨料容易脫落,導致斷裂面凹凸不平,進而增加混凝土延性;反之,低水膠比使混凝土基體更加致密,孔隙率降低,與粗骨料的連接更加緊密,粗骨料更容易被內鎖和橋接,但也會導致混凝土變得較脆。因此,水膠比的選擇對混凝土性能至關重要。

圖7 水膠比與特征長度之間的關系曲線

4 結 論

本文以某大壩混凝土為試驗對象,通過試驗法,研究了大壩混凝土材料的斷裂特性。結論如下:

1)粗骨料粒徑和水膠比都會對混凝土斷裂參數造成影響。具體來說,隨著粗骨料粒徑的增加,混凝土的起裂韌度呈先增加再減小的趨勢。當粗骨料粒徑為20mm時,起裂韌度最大,表明混凝土具有更好的抵抗開裂能力。因此,混凝土制備過程中需要注意粗骨料粒徑的控制,以獲得更佳的抵抗開裂能力。

2)隨著粗骨料粒徑增大,混凝土失穩韌度增加,表明粗骨料粒徑提高了混凝土的裂縫失穩破壞抵抗能力,驗證了粗骨料粒徑對混凝土性能的顯著影響。研究顯示,隨著粗骨料粒徑的增加,混凝土的斷裂能和特征長度先增大后減小。當粗骨料粒徑為20mm時,混凝土的延性和抵抗裂縫擴展的能力達到最優狀態。因此,在混凝土制備過程中需合理控制粗骨料粒徑,以獲得更好的延性。

3)水膠比增大會導致混凝土的起裂韌度、失穩韌度和斷裂能力下降,表明其防止開裂、裂縫擴展及失穩破壞能力隨之減弱?；炷恋闹苽溥^程中應注意控制水膠比,以提高其抵抗這些破壞的能力。隨著水膠比的升高,混凝土特征長度呈上升趨勢,表明混凝土的韌性隨之增強,脆性則減弱。因此,加大水膠比可有效提高混凝土的延性,制備過程中應注意控制水膠比,以便獲得更佳的性能。同時,調節粗骨料粒徑和水膠比,以保證混凝土具備更高抗裂擴能力和穩定性,進而改善延性。