全级配混凝土的动态特性和其湿筛混凝土强度关系的比较

周 婷

（郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450001）

1 全级配混凝土动态特性研究

1.1 全级配混凝土动态特性试验方法

全级配混凝土大试件尺寸大混凝土抗拉强度小、破坏脆性大，全级配动态性能试验尤其是抗拉试验难度非常大，很大程度上依赖于高性能的材料试验设备和良好的试验方法。因此，研究全级配混凝土动态特性试验方法就具有重要意义，同时多种测量方法相结合可从不同层次、不同阶段对全级配混凝土动态特性进行研究并相互验证必将成为全级配混凝土动态特性研究的一个重要发展方向。中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心依托MTS15MN 大型动态材料试验机采用32 通道应变反馈信号控制试验进程利用32个350Ω 长度为150mm 的应变片测量试件应变并利用MTSFlexTest 采集和控制系统将其中最大的应变作为控制信号，以期获得平滑的应力应变曲线，同时设计了精良的夹具系统，特别是弯拉系统能模拟地震波反复周期加载的特点。测量方法采用应力应变测量并结合激光测距高速摄影等手段以期深入研究全级配混凝土动态特性。

1.2 全级配混凝土动态特性的影响因素

在实际工程中材料的配比绝大多数经优化试验确定，因此静态强度粗骨料水灰比养护条件等因素影响较小，影响全级配混凝土动态力学特性的主要因素可简化为如下几种：①加载方式地震荷载的特点是历时短频率成分多样循环幅值随时程发生变化，混凝土在不同性质的动态载荷作用下表现出不同的强度与刚度等特性，模拟高拱坝工作状态时强震条件下全级配混凝土动态特性试验是最为迫切的需要。②初始静载大坝的地震荷载是在坝体承受一定的静态荷载的情况下叠加的，尤其高拱坝的静态应力水平较高，不同初始静载时的大坝混凝土动强度的试验研究对高拱坝抗震设计尤为重要。③湿度由于高坝混凝土长期与水接触研究湿度条件对全级配混凝土静动态力学特性的影响有重要意义。④龄期高拱坝全级配混凝土常采用高掺量粉煤灰粉煤灰的使用导致混凝土强度形成时间较长与普通混凝土相比龄期对全级配混凝土静动态强度弹模的影响将更大。开展龄期对全级配混凝土动态性能影响研究对混凝土高拱坝结构最大可信地震评估设计特别重要。关键影响因素对全级配混凝土动态特性的综合影响及各关键影响因素的权重确定需继续深入研究。

1.3 全级配混凝土动态特性试验内容

混凝土动态特性试验内容包括：单轴动态拉压强度试验和多轴动态拉压强度试验。混凝土的抗压强度远大于其抗拉强度，强震作用下的混凝土大坝通常表现为拉坏破坏，因此全级配混凝土动态抗拉强度应为研究的重点。大坝混凝土实际是在多轴应力作用下，因此研究多轴状态下混凝土的动态性能更符合工程实际情况，研究多轴应力组合作用下的全级配混凝土动态强度应成为今后研究的重点内容。但由于受试验设备等多方面制约目前这方面的研究较少，现有研究资料表明多轴应力状态下混凝土动强度有增加趋势，但增幅小于单轴应力状态下的幅度，15MN 大型动态材料试验机预留了多轴试验的空间和硬件接口，为今后进行升级改造满足全级配混凝土多轴动态试验提供了必要的条件。

2 全级配混凝土与其湿筛混凝土的强度关系的比较

水工混凝土通常采用最大骨料粒径为80mm 或150mm 的三、四级配混凝土，由于全级配混凝土试件尺寸大，试验工作量大、难度高。因此常采用湿筛法剔除拌合物中超过40mm 的大骨料，成型150mm大小的试件进行强度试验，并以此结果进行大坝的设计和安全评价。由于全级配和湿筛混凝土实际配合比并不相同两者的力学特性差异较大，能否用湿筛后小试件的强度试验结果来推测大坝全级配混凝土的强度，一直是工程界和学术界所普遍关心的问题。国内外有关研究人员进行了大量的试验研究，并取得了一定的研究成果，但由于试验条件的差异且各自的试验数据有限，二者强度之间的关系问题仍然未得到较好的解决。因此，有必要研究全级配与湿筛混凝土强度差异的物理机理，更为准确地分析大坝混凝土的强度，为高坝等大型混凝土结构设计和安全性评价提供参考。

根据现有的实验材料来看，随着最大骨料粒径的增加，混凝土强度随之降低，四级配和三级配混凝土强度均小于湿筛混凝土的强度；同时可以看出轴拉强度降低最大，劈拉强度次之，抗压强度降低最小。从研究成果来看，混凝土材料尺寸效应产生的根本原因是裂纹附近产生了应力集中，使得裂纹前沿的微裂纹发生开裂，从而在裂纹尖端形成非奇异的应力分布，使得线弹性断裂力学不能直接应用于混凝土的断裂分析，在宏观上即表现为测量得到的混凝土强度具有尺寸效应。由于Weibull 的尺寸律假设单元破坏及对应于材料破坏，因此更适用于完全脆性材料，Bazant 的尺寸律是从混凝土非线性断裂过程出发，物理意义清楚，与具有初始预置

裂纹长度的三点弯曲或四点弯曲梁试验结果吻合较好，但与无预置裂纹的拉压试验结果相比误差较大，需进行修正，Carpinteri 尺寸律和试验结果吻合较好，但由于分形理论发展时间较短，其中的很多参数物理意义并不明确，较难应用推广。由于现有尺寸律并未考虑混凝土骨料级配的影响，不能直接应用于分析全级配与湿筛混凝土强度比值，研究人员采用其它方法针对这一问题开展了研究。采用统计分析的方法，研究了骨料粒径、级配和试件尺寸对混凝土强度的影响规律。通过内时损伤模型建立了全级配和湿筛混凝土的本构关系，分析了二者之间力学特性的差异。虽然已经进行了很多全级配混凝土的试验和理论研究，但全级配和湿筛混凝土的力学特性尤其是强度差异的物理机理并不清楚。现有研究多数是对试验结果的简单拟合，从而得出强度比值的经验公式，缺乏理论依据。因此，本文从混凝土的细观破坏机理出发，分析了全级配和湿筛混凝土强度的关系。

3 总结

从本文的研究中可以得出：水工混凝土强度主要由骨料和砂浆界面的断裂韧度以及控制性裂纹的长度确定，全级配与湿筛混凝土强度的差异主要是因为发生破坏时控制性裂纹大小不同。同时，全级配和湿筛混凝土强度比值以轴拉最小，劈拉次之，轴压最大。这是由于混凝土受直接拉伸荷载时，控制性裂纹大小与最大骨料粒径相同；而在劈拉破坏时，混凝土的破坏发生在劈拉力轴线附近的拉应力区，因此控制性裂纹尺寸较小；混凝土受压破坏时存在裂纹稳定扩展的过程，因此控制性裂纹的大小不仅仅与骨料粒径有关，同时也和骨料间距有关。

［1］马怀发，陈厚群，黎保琨.混凝土试件细观结构的数值模拟[J].水利学报，2004，35(10)：27-35.

［2］陈厚群，吴胜兴，马怀发，等.全级配大坝混凝土动态性能研究[D].中国水利水电科学研究院，2004.