趙麗君，王海波，王少卿，黃海龍

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610095)

0 引 言

金沙江溪洛渡水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.5 m。按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的相關(guān)規(guī)定，其抗震設(shè)防類別為甲類，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度。2014年5月21日大壩混凝土全部澆筑到610 m高程，2014年9月28日水位首次蓄至正常蓄水位600 m。汶川地震后，地震部門對(duì)溪洛渡工程場址的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，確定相應(yīng)于100 a基準(zhǔn)期超越概率0.02的設(shè)計(jì)基巖水平向峰值加速度為0.357g。

在大壩抗震安全性評(píng)價(jià)中，地震動(dòng)輸入、壩體地震響應(yīng)、材料動(dòng)態(tài)抗力是相互配套、不可或缺的重要組成部分。但迄今為止大壩全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)性能一直是其中成為“瓶頸”問題的薄弱環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到水利水電工程建設(shè)抗震安全性的合理評(píng)價(jià)。盡管國內(nèi)外針對(duì)此問題開展了為數(shù)不多的研究，但由于問題的復(fù)雜性以及各工程混凝土配合比、各相組份材料的差異等因素，少量研究成果表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)碾x散性。因此，現(xiàn)行的GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]規(guī)定，對(duì)于抗震設(shè)防類別為甲類的混凝土大壩，混凝土的動(dòng)態(tài)性能應(yīng)依據(jù)專門的材料試驗(yàn)確定。

2013年中國水利水電科學(xué)研究院曾開展溪洛渡大壩全級(jí)配混凝土動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究工作[3]，試驗(yàn)內(nèi)容包括全級(jí)配試件和對(duì)應(yīng)的濕篩試件的抗壓、劈拉、軸拉及彎拉動(dòng)態(tài)測試。試件全部在實(shí)驗(yàn)室采用工程實(shí)際材料及配合比成型養(yǎng)護(hù)制備。本項(xiàng)研究工作結(jié)合溪洛渡大壩的抗震安全復(fù)核，通過直接鉆取大壩壩體混凝土芯樣開展混凝土芯樣動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究，對(duì)全面掌握溪洛渡大壩現(xiàn)狀混凝土的真實(shí)動(dòng)態(tài)性能，構(gòu)筑從濕篩試件、全級(jí)配試件到大壩混凝土芯樣，相對(duì)完整的大壩混凝土動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)資料，具有十分重要的意義，為混凝土高壩抗震研究提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本論文重點(diǎn)介紹溪洛渡芯樣混凝土抗壓和劈拉靜、動(dòng)試驗(yàn)的相關(guān)研究成果。

1917年Abrams[4]提出混凝土的抗壓強(qiáng)度存在率敏感性，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著混凝土類材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究的開始。此后，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)混凝土峰值強(qiáng)度與加載速率的關(guān)系開展研究，研究結(jié)果表明了混凝土的力學(xué)性能存在明顯的尺寸效應(yīng)和速率效應(yīng)[5-10]。Fu等[11]總結(jié)了加載速率對(duì)混凝土抗壓性能影響的主要試驗(yàn)成果。Malvar等[12]將文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)，給出了混凝土的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子DIF(Dynamic Increase Factors)與應(yīng)變速率的關(guān)系圖，但其中全級(jí)配大壩混凝土動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎沒有，而這類數(shù)據(jù)對(duì)混凝土大壩抗震研究十分重要。近年來，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合西南地區(qū)高混凝土壩建設(shè)，開展了全級(jí)配大壩混凝土動(dòng)態(tài)性能的相關(guān)研究。張艷紅等[13]針對(duì)溪洛渡大壩全級(jí)配及濕篩混凝土的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度開展不同動(dòng)態(tài)速率作用下的試驗(yàn)研究，全級(jí)配與濕篩立方體試件的邊長分別為450 mm和150 mm(劈拉試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))，分析混凝土強(qiáng)度的率效應(yīng)、尺寸效應(yīng)。大壩混凝土芯樣試驗(yàn)是獲取混凝土真實(shí)性能狀態(tài)的最直接手段，但這類研究工作費(fèi)工費(fèi)時(shí)。美國墾務(wù)局Harris 等[14]在1998年結(jié)合美國暖泉大壩(Warm Spring Dam)和羅斯福大壩(Roosevelt Dam)開展了不同尺寸、不同加載速率條件下的混凝土大壩芯樣試驗(yàn)研究，并結(jié)合美國墾務(wù)局之前開展的包括胡佛大壩(Hoover Dam)在內(nèi)的美國8座大壩混凝土芯樣靜、動(dòng)試驗(yàn)成果，總結(jié)了混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變、泊松比與加載速率的關(guān)聯(lián)性。王海波[15]開展了沙牌拱壩混凝土芯樣動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究，芯樣直徑200 mm，對(duì)應(yīng)壩體基頻加載速率抗壓及劈拉動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高因子分別為1.33和1.43。

由于大壩混凝土動(dòng)態(tài)性能的復(fù)雜性以及混凝土試件配合比、各相組分材料的差異等，混凝土芯樣的研究成果與混凝土全級(jí)配大試件、濕篩小試件也表現(xiàn)出一定的差異性。因此，本文采用溪洛渡大壩混凝土芯樣開展不同加載速率下的動(dòng)態(tài)性能研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與全級(jí)配大試件、濕篩小試件進(jìn)行分析與對(duì)比，全面分析不同試件尺寸、不同試驗(yàn)類型的混凝土強(qiáng)度指標(biāo)間存在的關(guān)系與差異，為開展溪洛渡大壩運(yùn)行期抗震安全深化研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用中國水利水電科學(xué)研究院建置的15 MN大型材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)采用全數(shù)字化閉環(huán)控制(MTS FlexTest數(shù)字控制系統(tǒng)+32通道應(yīng)變信號(hào)+32通道電壓信號(hào))，集信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集與同步保存于一體，如圖1所示。MTS FlexTest數(shù)字控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的電路補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的優(yōu)化控制，并支持任意測量通道信號(hào)反饋控制。系統(tǒng)全數(shù)字化閉環(huán)控制參數(shù)可選用荷載、系統(tǒng)位移或者其他測量信號(hào)。試驗(yàn)機(jī)最高信號(hào)采樣頻率6 144 Hz。試驗(yàn)機(jī)的載荷測量可根據(jù)試驗(yàn)最大加載范圍選用2.5 MN載荷傳感器或15 MN壓差傳感器。系統(tǒng)位移通過Temposonic(磁滯伸縮)數(shù)字位移傳感器進(jìn)行直接測量，行程600 mm，分辨率0.003 mm。

圖1 15MN大型材料試驗(yàn)機(jī)及主控計(jì)算機(jī)

1.2 試件成型制備

依據(jù)設(shè)計(jì)部門確定的大壩鉆孔取芯位置，在溪洛渡大壩壩體鉆取C18040混凝土芯樣(鉆孔位置包括壩體內(nèi)廊道和壩頂共8個(gè)鉆孔，總鉆孔深度超過80 m)，混凝土芯樣運(yùn)送至中國水利水電水電科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行成樣切割，含長徑比1.0和2.0兩種試件。大壩鉆孔現(xiàn)場及驗(yàn)室切割成樣后芯樣試件均浸水存放。試驗(yàn)前從水中取出晾干，抗壓試件加載端面磨平，劈拉試件沿圓柱體母線加工出對(duì)稱的兩窄平面用作壓條加載面。

芯樣試件的直徑為220 mm。依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[16]，抗壓強(qiáng)度試件和劈拉強(qiáng)度試件長徑比均為1.0，動(dòng)態(tài)軸心抗壓彈性模量試驗(yàn)試件長徑比2.0。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

溪洛渡大壩芯樣混凝土試驗(yàn)內(nèi)容包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、軸心抗壓彈性模量試驗(yàn)及劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)。溪洛渡大壩基頻約1.25 Hz，對(duì)應(yīng)混凝土材料受拉破壞的應(yīng)變速率約為5×10-4/s，受壓破壞的應(yīng)變速率約為5×10-3/s。為研究混凝土動(dòng)態(tài)特性隨加載應(yīng)變速率的變化規(guī)律，三類試驗(yàn)均選取準(zhǔn)靜態(tài)(10-6/s)和3組不同動(dòng)態(tài)單調(diào)加載應(yīng)變速率開展試驗(yàn)。同時(shí)鑒于地震作用的往復(fù)特征，還開展了動(dòng)態(tài)單邊循環(huán)加載試驗(yàn)，循環(huán)頻率為2.5 Hz，逐級(jí)加大荷載直至試件破壞。此外，大壩混凝土在地震前持續(xù)承受水推力等靜態(tài)荷載作用，因此，本研究還針對(duì)性地測試了30%和60%預(yù)靜載條件下動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的變化。抗壓試驗(yàn)與劈拉試驗(yàn)各組加載條件如表1～表3所示。

表1 抗壓試驗(yàn)工況

表2 軸心抗壓彈模試驗(yàn)工況

表3 劈拉試驗(yàn)工況

抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)每組試件數(shù)量均大于5個(gè)，軸心抗壓彈性模量試驗(yàn)每組不少于3個(gè)，均滿足試驗(yàn)規(guī)程對(duì)試件數(shù)量的要求。實(shí)際抗壓強(qiáng)度7組試驗(yàn)共測試36個(gè)試件，劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)7組共測試48個(gè)試件，軸心抗壓彈性模量試驗(yàn)4組共測試13個(gè)試件。

1.4 試件加載與測量

抗壓強(qiáng)度試件(編號(hào)C)側(cè)表面間隔90°沿加載方向均布四列應(yīng)變片，每列一片長150 mm應(yīng)變片(見圖2a)。軸心抗壓彈性模量試件(編號(hào)D)側(cè)表面間隔90°沿軸線方向均布四列應(yīng)變片，每列有3片長150 mm應(yīng)變片，各列相鄰應(yīng)變片沿軸線方向留有3～5 mm重疊測量段，確保應(yīng)變測量連續(xù)覆蓋(見圖2b)。劈拉強(qiáng)度試件(編號(hào)B)的應(yīng)變片粘貼于試件兩端面，應(yīng)變片測量方向與加載方向垂直，每個(gè)端面3片應(yīng)變片沿加載方向均勻布設(shè)，如圖2c所示。

圖2 測點(diǎn)布設(shè)(單位：mm)

3種試驗(yàn)均使用試驗(yàn)機(jī)配置的自對(duì)中壓盤直接施加壓縮荷載。劈拉試驗(yàn)中，圓柱體試件水平放置于壓盤中心位置，在試件磨平上下母線位置加墊截面7.5 mm×5 mm高速鋼墊條，加載面寬7.5 mm，使用激光水平儀垂線調(diào)整上下墊條處于同一垂面上。劈拉試驗(yàn)采用母線加載主要是便于在圓柱試件兩端平面粘貼應(yīng)變片。除循環(huán)加載組試驗(yàn)外，其他各組單調(diào)加載試驗(yàn)均采用系統(tǒng)位移控制，按照設(shè)定加載速率進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，位移速率根據(jù)小應(yīng)變預(yù)加載的實(shí)測速率確定；在峰后荷載降至峰值荷載的50%時(shí)停止試驗(yàn)。循環(huán)加載試驗(yàn)采用荷載控制，每級(jí)荷載水平按給定頻率循環(huán)3次，逐級(jí)增加最大荷載，直至試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[16]，芯樣試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中，fc為芯樣試件抗壓強(qiáng)度，MPa；D為試件直徑，mm；P為破壞荷載，N。

軸心抗壓彈性模量計(jì)算公式為

(2)

式中，Ec為抗壓彈性模量，GPa；Δσ為從0.5 MPa至40%破壞應(yīng)力的應(yīng)力增加值，MPa；Δε為從0.5 MPa對(duì)應(yīng)應(yīng)變到40%破壞應(yīng)力對(duì)應(yīng)應(yīng)變的應(yīng)變增加值。

準(zhǔn)靜態(tài)受壓使得試件產(chǎn)生較多豎向的小裂紋，試件表面混凝土局部剝落，但在停止試驗(yàn)后試件基本保持初始形狀，未發(fā)生爆裂或大的塊體碎裂情況。隨著加載速率的不斷增加，試件破碎程度有所加大，破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 不同加載速率下混凝土芯樣抗壓破壞形態(tài)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)各試件的平均應(yīng)變時(shí)程曲線如圖4所示。從圖4可知，混凝土試件達(dá)到峰值應(yīng)變后混凝土應(yīng)力降低。第1組準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)完成的5個(gè)混凝土芯樣試件中，依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程剔除強(qiáng)度值偏離均值超15%的最大(C01)、最小(C05)各1個(gè)試件，其余3個(gè)試件的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度均值為64.73 MPa(見圖5)。第2組(5×10-4/s)、第3組(5×10-3/s)和第4組(3×10-2/s)單調(diào)動(dòng)態(tài)加載的試件數(shù)量均為5個(gè)，第3組中剔除偏離均值超15%的最大抗壓強(qiáng)度試件1個(gè)(C11，100.03 MPa)，平均動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值分別為72.94、76.29 MPa和81.30 MPa(見圖5)。從圖5還可以看出，混凝土芯樣試件的抗壓強(qiáng)度隨加載速率增大，兩者的變化呈現(xiàn)正相關(guān)。強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子最大值為1.26(對(duì)應(yīng)的加載應(yīng)變速率為3×10-2/s)，對(duì)應(yīng)壩體基頻受壓破壞應(yīng)變速率的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子為1.18(加載應(yīng)變速率5×10-3/s)，略小于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范建議的1.20[2，17]。

圖4 不同應(yīng)變速率下，混凝土芯樣的壓應(yīng)力時(shí)程曲線

圖5 不同加載條件下，混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度變化趨勢

第7組動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載共完成6個(gè)試件試驗(yàn)，去除偏離均值超15%的最小抗壓強(qiáng)度(66.84 MPa)試件1個(gè)，其他5個(gè)混凝土芯樣試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為84.44 MPa，較準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度64.73 MPa提高約30.4%。從結(jié)果上看，在地震動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載條件下，溪洛渡大壩芯樣混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度不低于單調(diào)加載動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。

不同試件長徑比導(dǎo)致試件端部摩擦約束對(duì)測試結(jié)果的不同影響。試件D(長徑比為2)混凝土芯樣第一組準(zhǔn)靜態(tài)試件數(shù)量為4個(gè)，抗壓強(qiáng)度均值為48.5 MPa，約為試件C準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的74.9%，低于《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[16]給出的參考值83%。試件D第2組(5×10-4/s)、第3組(5×10-3/s)和第4組(3×10-2/s)單調(diào)動(dòng)態(tài)加載的試件數(shù)量均為3個(gè)，平均動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度值分別為59.28、67.15 MPa和79.18 MPa。混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度與加載速率呈現(xiàn)正相關(guān)，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子最大值為1.63。2種長徑比試件在相同加載速率下強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子間的差異，隨加載速率的增加而加大(見圖5)。由此可見，由長徑比1.0芯樣試件得到的結(jié)果低估了大壩混凝土材料抗壓強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子。

4組軸心抗壓彈模試驗(yàn)結(jié)果表明，溪洛渡大壩混凝土準(zhǔn)靜態(tài)抗壓彈性模量均值為46.2 GPa，動(dòng)態(tài)抗壓彈性模量均大于準(zhǔn)靜態(tài)抗壓彈性模量，但與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度不同，并未呈現(xiàn)隨加載速率單調(diào)增加的關(guān)系(見圖5)，抗壓彈性模量提高幅度在5.9%～13.2%之間。需要指出，本次試驗(yàn)得到的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓模量是未反映長期荷載下徐變影響的瞬態(tài)模量。抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的靜態(tài)彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值則包含長期徐變影響，故規(guī)定動(dòng)態(tài)模量取靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值的1.5倍。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中查得C40混凝土靜態(tài)彈性模量為32.5 GPa，則抗震設(shè)計(jì)所用動(dòng)態(tài)模量為48.75 GPa，較溪洛渡芯樣試件測得的結(jié)果僅高約5%。

對(duì)比2014年中國水利水電科學(xué)研究院完成的溪洛渡大壩試驗(yàn)室成型養(yǎng)護(hù)試件的全級(jí)配混凝土及濕篩混凝土試驗(yàn)結(jié)果[1]，全級(jí)配立方體試件的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為50.34 MPa，對(duì)應(yīng)大壩基頻加載速率的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子為1.19；濕篩立方體試件的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為51.00 MPa，對(duì)應(yīng)大壩基頻加載速率強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子平均值為1.19，與本次大壩芯樣混凝土長徑比1.0試件得到的對(duì)應(yīng)速率抗壓動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高因子1.18差異不大。

因此，溪洛渡大壩混凝土濕篩與全級(jí)配試件的抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子均差異不大。大壩混凝土芯樣(長徑比1)的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度高于全級(jí)配試件，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子差異不大。試件抗壓強(qiáng)度的差異既有后期大壩混凝土抗壓強(qiáng)度增長的影響，也有大壩混凝土現(xiàn)場拌和、澆筑及養(yǎng)護(hù)等條件與試驗(yàn)室成型養(yǎng)護(hù)條件差異的影響。因此，專門的全級(jí)配混凝土材料性能試驗(yàn)對(duì)于獲取大體積混凝土水工建筑物的真實(shí)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有重要意義。

2.2 劈拉試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[16]，混凝土芯樣劈拉強(qiáng)度按以下公式計(jì)算

(3)

式中，A為劈裂面面積，mm2；fts為芯樣試件劈拉強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N。

準(zhǔn)靜態(tài)劈裂由墊條邊緣產(chǎn)生宏觀裂縫并延伸擴(kuò)展，直至試件喪失承載能力。芯樣試件劈裂面斷面不平整，斷面上骨料被切斷較明顯，大小骨料均有，界面破壞占比不高。隨著加載速率的增大，在高速的沖擊荷載作用下，試件劈裂面周邊損傷的范圍有所增加，一些試件出現(xiàn)多個(gè)破壞面，如圖6所示。從圖6可以看出，加載速率提高時(shí)，界面破壞占比較大的試件，通常劈拉強(qiáng)度較低。

圖6 不同應(yīng)變速率下劈拉試件破壞形態(tài)

6個(gè)劈拉試件中剔除強(qiáng)度偏離均值超15%的最大、最小試件各1個(gè)，其余4個(gè)試件的準(zhǔn)靜態(tài)劈拉均值強(qiáng)度為4.05 MPa，為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度64.73 MPa的6.26%。

第2組(10-4/s)、第3組(5×10-4/s)和第4組(3×10-3/s)單調(diào)動(dòng)態(tài)加載的劈拉試件個(gè)數(shù)分別為5、8和6，各組剔除強(qiáng)度偏離均值超15%的試件個(gè)數(shù)分別為2、2、3個(gè)。所得平均動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度值分別為4.41、5.33、5.36 MPa。混凝土芯樣劈拉強(qiáng)度隨加載速率的變化如圖7所示。從圖7可以看出，動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度隨加載速率增大，強(qiáng)度提高因子最大值為1.32(對(duì)應(yīng)應(yīng)變速率為2×10-3/s)。對(duì)應(yīng)壩體基頻劈拉破壞應(yīng)變速率的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子約1.32(對(duì)應(yīng)應(yīng)變速率為5×10-4/s)。第7組動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載條件下，試件平均動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度4.94 MPa，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子約1.22。表明在地震動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載條件下，溪洛渡大壩芯樣混凝土動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度小于單調(diào)動(dòng)態(tài)加載強(qiáng)度。這點(diǎn)與動(dòng)態(tài)抗壓試驗(yàn)結(jié)果不同。

圖7 不同加載條件下，混凝土芯樣劈拉強(qiáng)度變化趨勢

對(duì)比2014年中國水利水電科學(xué)研究院完成的溪洛渡大壩實(shí)驗(yàn)室成型養(yǎng)護(hù)試件的全級(jí)配混凝土及相應(yīng)的濕篩混凝土試驗(yàn)結(jié)果[3]，全級(jí)配和濕篩立方體試件的準(zhǔn)靜態(tài)劈拉強(qiáng)度分別為2.33、3.42 MPa，對(duì)應(yīng)大壩基頻加載速率強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子分別為1.39、1.14。本次大壩芯樣混凝土準(zhǔn)靜態(tài)劈拉強(qiáng)度4.05 MPa，明顯高于之前試驗(yàn)結(jié)果，這里既有后期混凝土強(qiáng)度增長的影響，也有大壩混凝土現(xiàn)場拌和、澆筑及養(yǎng)護(hù)等條件與試驗(yàn)室成型養(yǎng)護(hù)條件差異的影響。而對(duì)應(yīng)大壩基頻劈拉破壞應(yīng)變速率的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子，全級(jí)配立方體的試驗(yàn)結(jié)果與大壩芯樣混凝土試件結(jié)果基本一致，差異約5%。

2.3 預(yù)靜載對(duì)混凝土峰值強(qiáng)度的影響

在抗壓試驗(yàn)中，第5組和第6組為30%和60%預(yù)靜載+動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，各測試5個(gè)試件。所得平均動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度分別為74.47 MPa和83.77 MPa，與第3組同速率無靜載抗壓強(qiáng)度76.29 MPa相比，分別低2.4%，高9.8%。第6組中剔除了1個(gè)抗壓強(qiáng)度(106.6 MPa)偏離均值超15%的結(jié)果。綜合試驗(yàn)結(jié)果的離散性因素判斷，預(yù)靜載對(duì)溪洛渡芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響需后續(xù)更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

在劈拉試驗(yàn)中，第5組和第6組為30%和60%預(yù)靜載+動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分別測試8個(gè)和7個(gè)試件。所得平均動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度分別為5.25 MPa和5.69 MPa，與第3組同速率無靜載動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度5.33 MPa相比，分別低1.5%，高6.7%。，第5組中剔除了一個(gè)劈拉強(qiáng)度(4.33 MPa)偏離均值超15%的結(jié)果。預(yù)靜載劈拉試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)靜載動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)呈相同趨勢，如圖8所示?；诨炷敛牧系碾x散性，峰值強(qiáng)度與預(yù)靜載百分比的關(guān)系仍需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

圖8 不同預(yù)靜載條件下，混凝土芯樣強(qiáng)度變化趨勢

2.4 吸能能力

混凝土吸能能力是反映混凝土從產(chǎn)生裂縫到破壞過程吸收能量大小的物理量，定義為從加載到達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，如圖9所示，其計(jì)算公式為[18-19]

圖9 混凝土吸能能力

(4)

式中，S為吸能能力，J/m3；V為體積，m3；σ為應(yīng)力，Pa；ε為應(yīng)變；εpk為峰值應(yīng)變。

溪洛渡混凝土芯樣試件的吸能能力隨應(yīng)變速率的變化如圖10所示。從圖10可以看出，試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，總體而言，混凝土吸能能力隨應(yīng)變速率的增加而增加，兩者表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。在應(yīng)變速率較小時(shí)，混凝土的吸能能力隨應(yīng)變速率的增加趨勢清晰；但應(yīng)變速率超過一定值后，混凝土吸能能力增加趨勢出現(xiàn)波動(dòng)。

圖10 不同加載速率下，混凝土芯樣吸能能力的變化趨勢

3 結(jié) 論

本文采用溪洛渡混凝土芯樣開展抗壓、軸心抗壓與劈拉試驗(yàn)，并與試驗(yàn)室制備的溪洛渡大壩全級(jí)配混凝土試件與濕篩混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究成果揭示了當(dāng)前溪洛渡大壩混凝土的靜態(tài)抗拉、抗壓力學(xué)特征及在動(dòng)態(tài)荷載作用下抗拉、抗壓強(qiáng)度和吸能能力等隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律，以及初始持續(xù)靜態(tài)荷載對(duì)動(dòng)態(tài)抗拉、抗壓性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)溪洛渡大壩混凝土芯樣的靜態(tài)軸心抗壓強(qiáng)度為64.73 MPa，動(dòng)態(tài)軸心抗壓強(qiáng)度受加載速率影響顯著，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子最大值為1.26。大壩混凝土芯樣(長徑比為1)的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度高于全級(jí)配試件，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子差異不大。試件抗壓強(qiáng)度的影響因素眾多，因此，專門的全級(jí)配混凝土材料性能試驗(yàn)對(duì)于獲取大體積混凝土水工建筑物的真實(shí)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有重要意義。

(2)混凝土芯樣的動(dòng)態(tài)軸心抗壓彈性模量高于靜態(tài)軸心抗壓彈性模量，但與加載速率的關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系。

(3)大壩混凝土芯樣的靜態(tài)劈拉強(qiáng)度為4.05 MPa，明顯高于實(shí)驗(yàn)室制備的全級(jí)配大試件與濕篩小試件的靜態(tài)劈拉強(qiáng)度。大壩混凝土芯樣的動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度受加載速率影響顯著，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子最大值為1.32。對(duì)應(yīng)大壩基頻劈拉破壞應(yīng)變速率的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)提高因子，全級(jí)配立方體的試驗(yàn)結(jié)果與大壩芯樣混凝土試件結(jié)果基本一致。

(4)預(yù)靜載對(duì)混凝土芯樣試件的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，對(duì)應(yīng)關(guān)系需要后續(xù)更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

(5)總體而言，混凝土吸能能力隨應(yīng)變速率的增加而增加，兩者表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。