热力耦合下水工混凝土三轴破坏力学试验研究

陈平妹

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

混凝土材料具有优良的力学稳定性，在水利工程中应用较广[1-2]。但受多种因素如配合比、工程环境等[3-4]的影响，特别是在一些多物理场耦合条件下，其力学特征具有显著差异。因此，研究混凝土材料力学特征影响变化对推动工程设计水平具有重要作用。

王亮等[5]、孙秋荣[6]、李刘红等[7]采用颗粒流等离散元仿真计算方法，通过建立颗粒离散元模型，施加相应的计算荷载，研究模拟试验环境下混凝土模型的力学特征变化，并分析不同配合比参数对其力学水平的影响特性。曾志伟等[8]、周双双等[9]、李俊生等[10]从宏、细观特征考虑，采用声发射、CT扫描及颗粒细观损伤特征等研究手段，探讨混凝土材料力学破坏的内在机理，分析配合比或其他物理损伤作用对其颗粒结构的影响，从而评价混凝土力学特征差异性。基于室内试验研究方法，李琦等[11]、罗英等[12]、陈宇良等[13]通过类比岩石材料试验力学研究，对混凝土开展了室内单轴、三轴及渗透等试验，研究不同试验下混凝土压缩、拉伸及剪切力学影响变化，为工程建设提供试验依据。

本文基于北江扩建水利枢纽工程中混凝土材料力学特性，设计开展掺加剂配合比设计因素与热荷载因素影响下的三轴破坏力学试验，探讨混凝土力学特征影响规律，为工程设计使用混凝土材料提供参考。

2 试验概况

2.1 工程背景

粤北地区水资源分布不均，导致农业生产、居民用水等出现时空离散状态，不利于地区经济发展，提升用水效率离不开水利设施的安全可靠运营。因此，水利部门考虑在粤北北江多级水利设施的基础上扩建该水利设施。设计该水利枢纽工程年最大可供水量达1 200×104m3，按照百年一遇洪水标准设计，采用重力式混凝土坝为主坝，设计坝高为35.5～42.5 m，最大坝高位于溢洪道所在坝段。扩建后，泄洪闸结构主材采用C25特种混凝土，其闸顶高程较主坝最大坝高差幅为12.5%，闸室底板厚度为1.2 m，闸室轴线全长为8 m，采用多孔式入流闸口设计形态，单孔净宽为3.5 m，以弧形钢闸门为挡水设施。根据设计部门的设计优化，其设计模型见图1。

图1 闸门模型图

闸门全面板上最大压强为1.5 MPa，闸身结构最大张拉应力为15 MPa，最大位移变形为50 mm，采用两压杆支臂系统为面板的支撑结构，每根压杆均采用型钢结构，静力结构稳定性较佳。泄洪水闸整体支撑结构为8根预应力混凝土闸墩，墩径为1.2 m，墩身长度为7.5～8 m。采用钢混结构的预应力锚杆作为支护体系，闸基标准承载力为250 kPa，确保闸墩自身沉降变形不超过闸室顶高的1‰，基于工程设计建立的泄洪闸整体有限元模型见图2。

图2 泄洪水闸有限元模型

模拟计算表明，泄洪闸的变形主要集中在闸室底板处，且计算模型中若主材参数改变，其变形特征也有所差异，即泄洪闸受力状态与主材参数密切相关。北江扩建水利枢纽的溢洪道剖面见图3，多段式泄流，可降低水力势能对水工建筑的冲击影响，包括有引渠区段与消能设施，采用与泄洪闸同样的主材建设消能池，坎高为0.5～0.8 m，设计该消能池在运营期消能率需达到45.5%～52.8%。

图3 溢洪道剖面图

根据设计调查发现，不论是泄洪闸、消能池还是溢洪道等水工设施，其主材均采用同类型混凝土。而该扩建水利枢纽工程所在地区工程地质复杂，特别是在引水渠中埋深较大的前提下，其力学特征会受到多场耦合影响，而闸室等水工建筑的抗震设计与耦合场下混凝土主材力学水平密切相关。因而，不仅是讨论混凝土多场耦合下力学特征影响，更是为工程建设材料设计提供依据。

2.2 试验介绍

作为热力耦合试验研究的基础设备，TMC2000试验设备是解决多场耦合试验研究的重要手段。该试验设备采用液压程序控制，可实时控制加载精度与进程，包括有热荷载加温装置、力学加载控制程序、数据监测采集及处理模块等，可针对研究目的完成单轴、三轴及拉伸等耦合场试验，见图4。

图4 TMC2000试验设备

试验设备最大力学荷载为1 200 kN，热荷载加载采用电传热方式，仪器最大识别温度为300℃，加热箱内可满足不同尺寸试样试验，包括径高比1/2的圆柱体试样，也可满足标准立方体试样等。本试验中所用试样参照岩石力学试验规范[14]，选用径高尺寸为50、100 mm的圆柱体试样，所有混凝土试样均取自工程现场现浇材料，在室内经过精加工且满足试验要求后，完成养护才可进行相应的热力耦合试验。试验数据采集装置包括LVDT变形传感器、轴/环向变形传感器等，其中轴向传感器可实现最大位移-20～20 mm，环向变形最大可实现-15～15 mm，所有采集数据会在中控系统得到初步处理，可供试验过程中观测及调整试验进程。

从北江扩建水利枢纽工程使用主材考虑，各类水工设施虽使用同类型特种混凝土，但泄洪闸、溢洪道等水工建筑的混凝土主材的特种掺加剂含量有所差异。据工程调查得知，掺加剂含量分布在1%～10%，故本试验中混凝土试样的掺加剂相应设定为1%、3%、5%、7%、9%共5种。热力耦合下在保证不超过试验设备最大温度的前提下，模拟温度分别设定为25℃(常温)、75℃、125℃、175℃、225℃、275℃，加热速率均为5℃/min，加载至目标温度后，恒温3h确保试样受热均匀后，再进行三轴加载。试验围压设定为5、10、15、20 MPa，每个目标试样均保证3个及以上试块，加载中采用变形控制荷载递增状态，速率为0.06 mm/min。各组具体试验方案见表1。

表1 试验方案

3 热力耦合下力学特征

3.1 温度热效应

根据对不同温度下热力试验结果分析，获得了不同温度下混凝土试样应力应变特征，见图5。从图5可知，温度热荷载对混凝土试样应力影响具有阶段性特征。当温度低于225℃时，温度愈高，则试样加载应力水平愈大；当温度超过225℃后，则加载应力水平与温度参数关系与前阶段相反。以围压10 MPa下为例，当试样应变为2%时，常温下试样的加载偏应力为17.85 MPa；温度为125℃、225℃下，试样的偏应力较前者分别增大56.4%、2.87倍；而温度为275℃下，试样的偏应力与175℃、225℃时相比，分别减少34.5%、10.8%。从三轴抗压强度参数对比可知，常温试验环境下，混凝土试样的强度为41.9 MPa；而在热荷载未超过节点温度时，随温度梯次50℃，其强度平均可提高14.8%；而在温度275℃下，其强度较225℃下减少16.5%。

图5 温度热效应下三轴应力应变特征

分析认为，温度热荷载对混凝土试样承载应力影响具有门槛值。当环境温度未超过节点门槛温度值时，温度愈大，对混凝土内部晶体颗粒的影响局限在膨胀变形，而晶体颗粒的膨胀过程会逐步挤压内部孔隙的生存空间，使整体颗粒骨架趋于密实，故表现在承载强度较高的现象；当温度超过晶体颗粒可承受热荷载区间时，此时颗粒膨胀后破裂变形，导致试样内部出现较多松散性碎颗粒，更严重的会导致膨胀裂隙贯通、扩展，形成宏观大裂纹，进而承载强度降低[15-16]。

当围压增大至20 MPa后，其温度对承载应力影响趋势仍保持一致，且围压增大，可导致试样整体承载应力水平升高，图5中5个代表试样的三轴强度较之围压10 MPa下的增幅分布为80%～106.9%。但不可忽视，各温度下试样承载强度的差异性有所减少，该围压下常温试样的三轴强度为79.9 MPa，在温度对强度促进区间内，随温度梯次50℃的增长，试样强度的平均增幅仅为11.2%，且温度275℃试样的强度与温度225℃下的降幅为9.1%。由此可知，围压增大，试样间受温度热荷载影响的承载强度差异减小，围压效应可削弱热损伤作用。

分析变形特征受热损伤效应影响可知，围压在10 MPa下各温度试样峰值应力后均出现应力下降的现象，变形破坏以脆性为显著特征，而围压20 MPa下试样应力应变曲线在峰值应力后趋延性塑性变形破坏。另一方面，不同温度试验参数下试样的应力应变在弹性压密阶段即已产生差异性，其变形模量受温度影响趋势与承载强度保持一致。

3.2 设计因素影响

根据对不同特种掺加剂含量的试样试验结果处理，获得掺加剂含量设计因素影响下的混凝土试样应力应变特征，见图6。

图6 掺加剂含量影响下三轴应力应变特征

掺加剂含量对混凝土试样加载应力水平影响具有一致性特征，两者具有正相关关系。当在围压5 MPa下，掺加剂含量1%试样在应变2%时偏应力为37.7 MPa，而含量5%、9%试样在该应变下偏应力较前者分别增大17.8%、45.8%；从三轴强度对比来看，当掺加剂含量每增大2%，试样强度可提升10.6%。同样，在围压15 MPa下，其三轴强度随掺加剂含量梯次增长而引起的增幅为18.8%。对比可知，围压愈大，混凝土试样三轴强度受掺加剂含量影响差异性愈大。而对比两围压下试样承载强度可知，围压愈大，同掺加剂含量下试样强度增大，以掺加剂9%试样增幅最大，达97.1%，而其他含量试样承载强度在两围压下增幅分布为73%～86.3%。

在围压5 MPa下，试样整体均为脆性变形破坏，峰值应力后下降段较大，且掺加剂含量愈大，试样峰值应变愈大，该围压下4个代表试样的峰值应变分别为2.02%、2.3%、2.53%、2.8%。同时，围压15 MPa下，试样脆性变形特征弱于围压5 MPa，峰值应力后下降段降幅弱于围压5 MPa，围压增大，脆性变形趋势有所减弱。不论是围压5 MPa还是15 MPa下，试样应力应变特征分别在30.3、58.9 MPa后出现差异性，即掺加剂含量对混凝土试样应力应变影响集中于混凝土屈服变形段。

4 热力耦合下抗剪特征

根据对各组围压下试验数据处理分析，可得到混凝土试样抗剪特征参数受温度热效应及设计参数影响特性，见图7。

图7 抗剪特征参数影响特性

从图7中可知，在同一掺加剂含量下，黏聚力参数随温度为先增后减变化，以温度225℃下黏聚力参数最大，在低于该节点温度时，掺加剂含量1%、9%试验组中，其黏聚力参数随梯次温度分别具有增幅8.5%、6.5%；而超过该节点门槛值时，其黏聚力参数分别具有平均降幅18.2%、12.5%。掺加剂含量愈大，则黏聚力参数愈大，表明混凝土试样承载强度的提高内在为颗粒间黏结性提升；在各试验温度下，含量9%较之含量1%、5%下试验组黏聚力分别具有48.8%～60.2%、28.7%～39%增幅。整体上比较，随内摩擦角受影响变化趋势与黏聚力参数基本一致，但不论是温度热效应还是设计参数的影响，内摩擦角参数影响变幅均弱于黏聚力。如在低于温度225℃时，含量9%试验组中内摩擦角的最大增幅仅为1.4%，平均增幅为1%。由此说明，热力耦合与配合比设计因素影响下，主要其颗粒结构的黏结性发生较大影响，而颗粒摩擦、咬合等特性受影响较小。

5 结 论

1) 混凝土承载强度受温度影响具有节点门槛值，未超过该温度时，承载强度随温度为递增，而超过该值后，温度热作用产生损伤效应；围压10 MPa下，随温度50℃梯次，强度平均提高14.8%；而温度275℃较225℃下强度减少16.5%；围压增高，强度提升，且温度热影响作用有所削弱；温度热作用对混凝土的弹性压密阶段即产生显著影响。

2) 特种掺加剂含量与混凝土承载强度具有正相关关系，围压5、15 MPa下掺加剂含量每增大2%，试样强度分别可提升10.6%、18.8%；围压增大，脆性变形特征减弱；掺加剂含量对混凝土应力应变影响在屈服变形阶段较显著，围压5、15 MPa下分别在30.3、58.9 MPa后产生差异。

3) 两抗剪特征参数受温度热效应及配合比参数影响均为一致，随温度为先增后减变化，以温度225℃下为最高；掺加剂含量愈大，则抗剪特征参数增大，含量9%较含量1%、5%下黏聚力分别具有48.8%～60.2%、28.7%～39%增幅；内摩擦角参数受热效应及配合比影响的变幅均弱于黏聚力。