王懷亮

（1.大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

碾壓混凝土（RCC）是用振動碾壓實的超干硬性混凝土，其特點是坍落度為零，膠凝材料用量小，并高摻粉煤灰等摻和料以降低水化熱.Li和Chai等［1－2］對RCC結(jié)構(gòu)的斷裂性能和層間滲透問題進行了大量的研究，取得了豐碩的成果.但在實際工程中，大多數(shù)水工RCC 大壩多建在高烈度地震區(qū)，壩體處在復雜的應力狀態(tài)下.在地震作用下，混凝土的應變率可達10－3～10－2s－1，比靜態(tài)應變率高2～3個數(shù)量級，此時混凝土的率敏感效應不可忽視.Yan和Wu等［3－5］對普通混凝土的動態(tài)拉、壓性能及多軸應力條件下的動態(tài)強度指標和破壞特性進行了研究，為常規(guī)混凝土水壩的抗震安全分析提供了試驗依據(jù).對于RCC 動態(tài)性能，只有Zhang 和王懷亮等［6－7］開展了單向應力狀態(tài)下的動態(tài)拉、壓試驗研究，對二維、三維應力狀態(tài)下的RCC 動態(tài)力學特性試驗研究還很少.基于目前的狀況，本文對含層面的RCC進行了有側(cè)向壓力的動態(tài)受壓和動態(tài)劈拉試驗，系統(tǒng)探討了有側(cè)壓應力作用時RCC在不同加載速率下的強度和變形變化規(guī)律，為進一步建立其動態(tài)本構(gòu)關系提供必要的試驗依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗材料與試件成型

RCC的配合比見表1，其中水泥為大連水泥廠生產(chǎn)的32.5R 硅酸鹽水泥，砂子為天然河砂（砂率ws為33%），粗骨料為二級配石灰?guī)r碎石，粉煤灰為Ⅱ級C 類粉煤灰，水為自來水.外加劑采用大連建科院生產(chǎn)的DK－5型低引氣高效復合減水劑，摻量為0.75%（質(zhì)量分數(shù)）.所有試件在鋼模中成型，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護48h后拆模，試驗齡期為90～100d.

表1 RCC的配合比Table 1 Mix proportion of RCC kg／m3

由于實際工程中的RCC結(jié)構(gòu)是由干硬性混凝土拌和料分薄層攤鋪并經(jīng)振動碾壓密實而成，因此其中包含了數(shù)量眾多的碾壓混凝土層面，如果這些層面處理不好，將成為結(jié)構(gòu)的薄弱面.為了研究碾壓混凝土層面對其靜動力學性能的影響，本次試驗成型分本體、分層處理及分層但層面不處理3種工況.層面處理試件是在底層（75 mm 厚）成型后8～10h，用水沖洗層面并進行鑿毛處理，鋪上1層約10mm 厚的粉煤灰水泥砂漿，再澆筑頂層，成型過程如圖1所示.層面未處理試件在底層（75mm 厚）成型后，間隔8～10h，不作沖毛處理即澆筑上層混凝土.由于層面對RCC 抗拉強度的影響較大，因此本文的劈拉試驗采用了以上3種工況試件，而雙軸試驗全部采用了分層并對層面進行處理的試件.

圖1 試件層面鑿毛處理及成型效果Fig.1 Construction method of RCC with interface

1.2 試驗設備與試驗方法

試驗設備采用大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室的大型靜、動三軸電液伺服試驗系統(tǒng)［3－4］.試件側(cè)向受壓面與加載板之間采用塑料薄膜和甘油減摩.考慮到地震作用的應變速率為10－3～10－2s－1，本試驗以加載速率10－5，10－4，10－3，10－2s－1研究RCC 的動態(tài)特性，其中10－5s－1為準靜態(tài)應變率.

雙軸壓試驗采用恒定側(cè)壓的非比例雙軸加載路徑：先加載至預設的側(cè)應力值，并保持恒定，再以設定的加載速率施加豎向荷載，直至試件破壞.側(cè)應力加載量級分別為0，0.25fucs，0.50fucs，0.75fucs，其中fucs為單軸靜態(tài)抗壓強度.

雙軸拉壓試驗采用有側(cè)壓劈拉試驗方法：壓力施加方向垂直于層面，劈拉方向與層面平行.劈拉試驗采用荷載控制，將不同的應變速率分別折算成了對應的劈裂加載速率量級，即5.6，56.0，560.0，5 600.0kN／s.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

含層面RCC試件在不同側(cè)壓應力下劈拉時，大部分試件沿著層面發(fā)生開裂，且劈拉破壞的斷裂界面比較清晰，隨著側(cè)向壓應力的增加，試件開始出現(xiàn)被壓壞的痕跡，如圖2所示.

圖2 不同側(cè)向壓力下含層面RCC試件劈拉試驗破壞形態(tài)Fig.2 Splitting failure modes of RCC specimens with different lateral stresses

圖3 雙軸壓下試件的破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimen under biaxial compression

雙軸受壓時，隨著側(cè)壓應力的增加，破壞形態(tài)從典型的柱狀破壞逐步過渡到明顯的層狀破壞，如圖3所示.加載速率對破壞形態(tài)無太大影響，只是在單軸壓下，試件無側(cè)向約束，隨著應變速率的提高，其破壞時產(chǎn)生的碎片有增多趨勢，如圖4所示.這說明高應變速率下RCC的脆性變大.含層面試件由于對層面進行了處理，因此破壞形態(tài)與本體試件相差不大，并且與常態(tài)混凝土破壞形態(tài)相似［8］.

圖4 不同應變速率下含層面RCC試件的單軸壓破壞形態(tài)Fig.4 Typical failure mode of RCC subjected to different strain rates under uniaxial compression

2.2 極限強度和破壞準則

2.2.1 單軸動態(tài)強度規(guī)律

圖5為含層面RCC 單軸強度隨加載速率的變化規(guī)律.與文獻［9－10］的結(jié)果類似，隨著應變速率的增加，RCC的單軸拉、壓強度均呈增加趨勢，其中抗壓強度的提高幅度比劈裂抗拉強度的提高幅度小.定義動態(tài)強度增長因數(shù)DIF 為動荷載下的強度與靜載下的強度比值.文獻［11］對普通混凝土及鋼纖維混凝土的試驗結(jié)果表明，混凝土的DIF 與應變速率的對數(shù)接近線性關系.通過線性回歸分析，得到RCC動態(tài)拉壓強度增長系數(shù)與應變速率之間的計算式如下：

圖5 加載速率對含層面RCC單軸強度的影響Fig.5 Influence of loading rates on uniaxial strength of RCC

式中：fucd，futd為當前應變率下RCC 的單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度，MPa；fucs，futs為靜態(tài)加載條件下RCC的單軸抗壓強度和劈裂抗拉強度，MPa；˙ε為當前的應變速率，s－1.

2.2.2 雙軸拉壓強度規(guī)律

圖6為不同加載速率下含層面RCC 劈裂抗拉強度隨側(cè)壓的變化趨勢.由圖6可見：雙軸拉壓應力狀態(tài)下，當加載速率相同時，隨側(cè)壓應力的提高，RCC的平均劈裂抗拉強度降低；在相同側(cè)壓力下，隨加載速率數(shù)量級的提高，RCC 的平均劈裂抗拉強度提高.為了便于實際應用，建立了考慮側(cè)壓應力和加載速率的統(tǒng)一破壞準則.即：

式中：α 為側(cè)壓應力比系數(shù)，α＝σ2／fucs，σ2為側(cè)壓應力，MPa；fbtd為雙軸拉壓應力條件下的動態(tài)劈裂抗拉強度，MPa；˙σd，˙σs為當前動態(tài)加載速率和靜態(tài)加載速率，kN／s；q1，q2，q3為回歸系數(shù).

圖6 不同加載速率下側(cè)壓應力對含層面RCC劈裂抗拉強度的影響Fig.6 Change of splitting tensile strength with lateral stress at different loading rates

通過對試驗數(shù)據(jù)回歸，q1，q2，q3分別為1.02，0.05，－0.22，復相關系數(shù)為0.814，變異系數(shù)為0.146.由圖6可見，實測數(shù)據(jù)與擬合直線基本吻合.

2.2.3 雙軸抗壓強度規(guī)律

圖7為不同加載速率下含層面RCC 抗壓強度隨側(cè)壓的變化趨勢.從圖7 可以看出：RCC 雙軸抗壓強度隨著加載速率的提高而增加，并且該強度隨應變率提高的幅度與側(cè)壓應力水平有關.這一結(jié)論與文獻［12］雙軸比例加載條件下動態(tài)抗壓強度試驗結(jié)果類似.從圖7 還可以看出，在同一應變率下，RCC的雙軸抗壓強度較單軸抗壓強度有明顯提高，且在低應變速率下，雙軸抗壓強度的增長更為明顯.在較高加載速率下，側(cè)向恒定壓力對RCC的增強作用有所減弱.

圖7 不同加載速率下側(cè)壓應力對含層面RCC抗壓強度的影響Fig.7 Change of compressive strength with lateral stress at different loading rates

為了便于實際應用，建立了考慮側(cè)壓應力和加載速率的RCC抗壓強度統(tǒng)一破壞準則，即：

式中：fbcd為雙軸壓應力條件下的動態(tài)抗壓強度，為以應變率表示的當前動態(tài)加載速率和靜態(tài)加載速率，s－1；P1，P2，P3，P4為回歸系數(shù).

求解可得P1，P2，P3，P4分別為3.21，0.14，－4.37，－2.13；復相關系數(shù)為0.975，變異系數(shù)為0.006.回歸結(jié)果見圖7.由圖7可見，回歸結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合.

2.3 變形性能

圖8為不同側(cè)向壓力下含層面RCC 的應力－應變?nèi)€.從圖8 可以看出，雙軸應力狀態(tài)下RCC應力－應變曲線的線性段比單軸受壓時有所延長，α越大，線性段延長的幅度越大.通常情況下，RCC 的彈性模量比常態(tài)混凝土?。?］.試驗時，取應力達極限強度40%時的割線模量作為RCC 的彈性模量.從圖8還可以看出，在相同的側(cè)壓應力下，隨著加載速率的提高，RCC 的彈性模量有增加的趨勢，但增幅較小.

圖8 不同側(cè)向壓力下含層面RCC的應力－應變?nèi)€Fig.8 Typical stress－strain curves of concrete with different lateral pressures

3 RCC層面對動態(tài)試驗結(jié)果的影響

在本試驗的加載速率范圍內(nèi)，層面未經(jīng)過處理且間隔時間超過混凝土初凝時間的試件，不僅靜態(tài)強度要低于本體試件，其動態(tài)強度也幾乎沒有增加，而層面經(jīng)過處理的試件，其DIF 略大于本體試件.圖9為3種試件在不同加載速率下的劈裂抗拉強度.試驗現(xiàn)象表明，對本體試件和層面處理試件，隨著加載速率的提高，劈裂面上被拉斷的粗骨料比例增大.這說明快速加載時，沖擊力直接傳至骨料，使破壞面來不及沿著薄弱界面層擴展而直接穿過骨料的概率增加，導致實測劈裂抗拉強度提高.層面未經(jīng)過處理且處理間隔時間超過混凝土初凝時間的試件，層面處的砂漿層拉開，使其靜動態(tài)強度低于本體試件.

圖9 3種試件在不同加載速率下的劈裂抗拉強度Fig.9 Comparison of splitting tensile strength with different joint treatments

在地震作用下，含眾多水平層面的RCC大壩可能會出現(xiàn)碾壓層面的張開、閉合和滑動等不連續(xù)變形，從而影響壩體的連續(xù)性和內(nèi)力的傳遞.因此，對地震區(qū)RCC結(jié)構(gòu)施工時，層面間隔時間應盡量控制在混凝土的初凝時間以內(nèi).當高溫、降雨影響到層面結(jié)合質(zhì)量或處理間隔時間超過混凝土的初凝時間時，應嚴格按照“施工縫”的施工工藝來處理RCC層面，并選擇抗剪強度較高的砂漿，控制砂漿拌制和攤鋪工藝，保證施工質(zhì)量，才能使RCC 層面性能與RCC整體性能相接近.

4 結(jié)論

（1）層面的存在導致含層面RCC試件的抗拉強度比本體試件有所降低，層面未經(jīng)過處理且處理間隔時間超過混凝土初凝時間的試件不僅靜態(tài)強度低于本體試件，而且動態(tài)強度也幾乎未增加.在施工中應盡量避免冷縫，并應對層面進行處理后才能繼續(xù)碾壓下一層混凝土.

（2）層面經(jīng)過處理的RCC試件在雙軸拉壓和雙軸壓作用下，其破壞形態(tài)、強度和變形隨著加載速率的變化規(guī)律與常態(tài)混凝土相類似.

（3）提出了單雙軸應力條件下RCC的動態(tài)強度破壞準則，為不同加載速率壓／拉作用下RCC 結(jié)構(gòu)的準確分析提供了可靠依據(jù).

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