胶结面缺陷对堆石混凝土抗压强度影响

刘云柯 乔浩洋 赵应洪 杨韬

摘 要：堆石混凝土（rock-filled concrete， RFC）独特的施工技术导致其缺陷与传统混凝土不一样。通过物理试验与真实破坏过程分析（realistic failure process analysis，RFPA）数值模拟探讨了堆石混凝土中堆石与自密实混凝土（self-compacting concrete， SCC）胶结面缺陷及自密实缺陷对其抗压性能的影响。结果表明：随着缺陷数量的增加，堆石混凝土的无侧限抗压强度下降。同等缺陷数量下，胶结面缺陷试件的抗压强度低于自密实缺陷试件。同时，声发射分析显示，胶结面缺陷试件破坏所需能量更低，表明胶结面缺陷对材料力学性能有更为显著的负面影响。这些发现为理解和改善堆石混凝土结构设计与耐久性提供了重要参考。

关键词：堆石混凝土；胶结面缺陷；自密实缺陷；抗压强度

中图分类号：TU526

文献标志码：A

堆石混凝土（rock-filled concrete， RFC）是一种伴随着自密实混凝土（self-compacting concrete， SCC）技术的发展而出现的一种大体积混凝土［1］。其施工工艺主要涵盖2个关键步骤：首先，将直径超过300 mm的大型岩石填入预先搭建的模具中；其次，向这些岩石之间的间隙注入自密实混凝土，借助混凝土的自重和优良的流动性来填充整个模具空间［2］。与普通混凝土相比，堆石混凝土具有施工效率高、水化热低、节能环保等优点［3］。截至2024年1月，堆石混凝土技术已在251个工程上得到应用［4］。

在RFC施工过程中，由于大块石的加入，在硬化成型后的大体积RFC中存在SCC与堆石间胶结面缺陷。在外部荷载作用下，缺陷处更容易产生裂缝，从而显著降低混凝土的力学性能参数［5-6］。张国辉等［7］通过使用聚苯乙烯泡沫研究了孔隙率对混凝土力学性能影响，结果表明轴心抗压强度随孔隙率的增加呈线性降低。张晓飞等［8］研究了孔隙率对碾压混凝土劈拉强度的影响，结果显示劈拉强度随孔隙率增加逐渐降低。REVILLA-CUESTA等［9］基于回归模型推导了SCC力学性能与孔隙率之间的关系式。董卓等［10］通过真实破坏过程分析（realistic failure process analysis，RFPA）方法研究了岩石与混凝土组合体单轴压缩下力学性能与破坏状态。李翔等［11］使用RFPA研究了单轴压缩条件下堆石混凝土的破坏过程，结果显示破坏更容易出现在堆石体与自密实混凝土之间的胶结面上。这些研究表明，胶结面与SCC中的缺陷对RFC的力学性能有重要影响。

为了深入理解胶结面缺陷与SCC缺陷对RFC抗压力学性能的影响，本文通过浇筑预制缺陷为零的RFC和SCC试件，获取实验数据，调整和确定RFPA数值模拟的参数。然后，构建具有不同数量的胶结面缺陷和SCC缺陷的模型，以模拟不同孔隙率条件下的缺陷对RFC抗压性能的影响。最后，从能量的角度分析所得数据和结果，验证研究结论。同时，通过考虑能量耗散、声发射能量等指标，更全面地理解了材料破坏过程中的能量转化和耗散机制。

1 原材料性能及试件制备

试验中使用的SCC原材料：P.O 42.5普通硅酸盐水泥；Ⅱ级粉煤灰；细度模数为2.5～3.1的中砂；粒径为5～10 mm的碎石；实验用水为当地自来水；外加剂为聚羧酸盐高效减水剂，减水率为27%。SCC的配合比见表 1。为避免天然岩石强度与堆叠时的空间分布的随机性对试件抗压强度的影响，本文采用高强度无收缩灌浆料浇筑半径为60 mm的单个球形体试件来替代RFC中的巖石，其浇筑的标准立方体试件抗压强度为58.61 MPa，满足RFC中岩石强度要求。灌浆料浇筑过程如图 1所示。

考虑到混凝土固有的微孔隙结构不可避免，研究中我们制备了无预制缺陷的RFC与SCC试件，这些试件被用作无缺陷对照试验组，用于确定数值模拟参数。试件均为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件。为了使球形堆石适度沉降后稳定在模具的中心位置，将一定量的SCC倒入模具，高度20 mm，然后加入球形堆石，最后按照RFC的施工方式浇入剩余SCC，实现对模具与球形堆石间的有效填充。RFC试件的浇筑过程如图2所示。

2 试验方案

2.1 物理试验方法

试验使用贵州大学的岩石与混凝土力学试验设备RMT-301进行。该设备具备测量混凝土在加载过程中完整的应力-应变曲线的能力，能够记录峰值强度之后的变形行为和强度的变化规律。在进行单轴抗压试验时，采用了0.01 mm/s的位移加载速率。试验一直持续到位移达到7.5 mm时终止，此时认为抗压试验完成。试验设备和RFC在抗压试验结束后的破坏状态，如图 3所示。

2.2 数值模拟方案

2.2.1 RFPA基本原理与模型建立

在现实浇筑过程中，SCC中固有的微孔隙结构是不可避免的，因此本研究采用RFPA方法来进行数值模拟。RFPA［12］方法考虑了材料内部由微裂纹和微孔隙结构构成的初始损伤场，将其视为一个随机性的场变量。基于细观单元线弹性损伤理论，模型通过调整各单元的力学性能参数反映含不同密度缺陷的单元，采用了带有门槛值的Weibull分布［13-14］，其表达函数如下：

式中：φ（l，m）为细观单元力学性能的统计密度函数；l为细观单元的力学特性参数；m为均质度系数，其值越大表明各个单元力学性能越接近均值，构建的试件越均匀；l0为细观单元力学特性参数均值。

图 4为不同均质度系数下细观单元的强度分布情况。在给定的例子中，所有细观单元的平均强度设定为130 MPa。由图4可知：当m=2时，细观单元强度的最大值达到了342 MPa，而最小值为13 MPa，这表明该样本的细观单元强度分布范围较广，强度离散性较大；当m=20时，细观单元强度的最大值为143 MPa，最小值为92 MPa，这意味着强度分布更为集中，接近平均值。

在对现场RFC缺陷识别时，发现其中胶结面缺陷与SCC中的缺陷通常呈现为球形，为此在数值模拟中用圆形孔隙来模拟缺陷。在制定三相细观RFC模型时，需兼顾堆石、SCC及缺陷单元的各异力学属性。首先使用C#语言生成150×150像素的方形位图图像，这些图像包含直径为120像素的圆形堆石和直径为6像素的随机位置的圆形缺陷。通过控制圆形缺陷的位置与数量，建立了2种缺陷类型和7种孔隙率的RFC试件。其中：缺陷位置在RFC胶结面上的为胶结面缺陷，缺陷位置随机在RFC中SCC的为自密实缺陷；孔隙率分别从无缺陷（0%）递增到7%，即6 mm圆孔数量分别为0、4、8、12、16、20、24、28个。最后根据所选用的细观力学参数，设置不同材料参数。部分建成RFC计算模型如图5所示。

2.2.2 模型参数选取与验证

由于混凝土与灌浆料相对于岩石的均匀性较差，均匀度系数m采用1.2和1.5分别代表SCC和灌浆料浇筑而成的堆石体，其余参数如表 2所示。加载方式采用位移控制加载，加载速率为0.01 mm/步。

通过对预制孔隙率为0的RFC与SCC进行RFPA数值模拟，将其与物理试验对比，可以发现两者的应力-步数曲线均可获得较为接近的结果，如图 6所示。在单轴荷载条件下，无缺陷RFC和SCC的峰值强度，物理试验分别为46.46 MPa和35.01 MPa，数值模拟分别为45.62 MPa和34.72 MPa，其最大误差不超过2%，因此选用的参数可以反映混凝土材料的真实力学性能。

3 结果与分析

3.1 胶结面缺陷对RFC抗压强度影响

通过对试件的无侧限单轴受压模拟，可以得到胶结面上不同孔隙率RFC的应力-步数曲线，如图7所示。从图 7可以看出：随着胶结面缺陷孔隙率增大，抗压强度不断降低；随着初始孔隙率增大，达到峰值应力时的步数也越来越小。根据图 7，试件单轴受压下的应力-步数曲线可以概括为4个阶段：（1） 弹性阶段（OA）。在这个阶段，应力与应变之间表现出近似线性的关系。这表明材料遵循胡克定律，变形是弹性的，并且在卸载后可以完全恢复。（2） 弹塑性阶段（AB）。随着应力水平的增加，应力-步数曲线的斜率开始下降，指示材料的刚度降低。在这个阶段，试件内部开始产生微裂纹。（3） 破坏阶段（BC）。一旦达到峰值应力，试件的承载能力开始下降，即使应变继续增加，应力也开始减小。在这个过程中，试件内部的微裂纹发展、合并，导致材料内部结构的宏观破坏，原有受力链被打破。（4） 残余应力阶段（C点后）。当应变进一步增加时，应力降低到一定水平后，应力-步数曲线趋于平缓。这表明材料已经经历了大部分的破坏过程，即使应变继续增加，应力也不再显著下降。

为了解释胶结面缺陷数量对抗压强度的影响，选取孔隙率为1%、2%和3%的胶结面缺陷RFC进行分析，如图 8所示。图 8展示了在单轴受压条件下，达到峰值应力时不同胶结面缺陷数量的RFC单元应力分布情况和声发射事件的发生情况，以及声发射能量单步统计。声发射是一种物理现象，指的是当试件在变形过程中，外部做功并非完全转化为物体的内能，而是有一部分通过弹性波的形式向外释放。这种现象通常与材料的微观结构变化相关，如裂纹的产生和扩展。图 8中，红色球体代表张拉破坏产生的声发射，而白色球体则代表压破坏产生的声发射。球体的直径大小表示了声发射释放能量的相对大小，即球体越大，表明释放的能量越多，通常意味着更严重的材料损伤或裂纹发展。

图 8（a）显示：在单轴受压条件下，应力优先集中出现在含有初始缺陷的区域周围。这说明，RFC中的初始缺陷是应力集中和潜在裂纹发起的位置。这与肖诗云等 ［15］的观点是一致的。由图 8（b）可知：当试件达到峰值强度时，大量的声发射事件也集中在这些初始圆孔缺陷的周围。因此，在材料接近其承载极限时，这些缺陷区域成为声发射活动的主要源头。此外，随着缺陷数量的增加，观察到声发射的数量和能量都有所减少。这种现象表明，随着孔隙率的增加，试件达到峰值强度所需的能量減少，从而使得试件更易发生破坏。这一发现与图 7中展示的应力-步数曲线的趋势相一致，即随着内部缺陷的增加，材料的抗压强度下降，更容易发生破坏。

由图 8（c）可以看出：在弹性阶段前期，0～10步期间，试件没有出现声发射现象，表明材料处于理想的弹性状态，此时外部施加的能量完全转化为材料的内能，没有发生不可逆的损伤或裂纹扩展。在弹性阶段中后期，10～12步期间，有较低的声发射能量产生，表明虽然开始有微裂纹的产生和能量释放，但整体上试件依然保持较好的弹性行为。然而，具有不同胶结面缺陷数量的试件表现出不同的声发射特征。例如，在此阶段，孔隙率为3%的试件比孔隙率为1%的试件释放更多的声发射能量，表明孔隙率更高的试件在单轴受压试验下更早发生破坏。在弹塑性阶段，12～35步期间，在接近峰值强度之前，声发射的能量急剧上升，单步能量在应力达到峰值强度后也达到最高点。在破坏阶段，35～45步期间，声发射数量开始急剧减少，并在破坏阶段结束时趋于一个恒定值。残余应力阶段，45步之后，单步声发射数量已经稳定，单步声发射能量也趋于一个恒定值。

3.2 胶结面缺陷与自密实缺陷对RFC抗压强度影响

图9展示了不同孔隙率下，胶结面缺陷和自密实缺陷对RFC抗压强度的影响。对于胶结面缺陷，孔隙率分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%时，抗压强度分别为41.49、36.43、33.62、30.57、27.57、24.03、22.99 MPa，相对于无缺陷RFC的占比分别为89.30%、78.41%、72.36%、65.80%、59.34%、51.72%、49.48%。对于自密实缺陷，孔隙率分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%时，抗压强度分别为43.07、39.89、37.42、34.99、33.51、31.69、28.12 MPa，相对于无缺陷RFC的占比分别为92.70%、85.86%、80.54%、75.31%、72.13%、68.21%、60.52%。由图9可以看出：随着孔隙率增大，自密实缺陷呈现线性降低，但胶结面缺陷在孔隙率达到6%之后下降速率减缓；而且在相同的孔隙率下，胶结面缺陷的抗压强度低于自密实缺陷的抗压强度。胶结面作为岩石与SCC的接触界面，两者的弹性模量和强度不同，在交界面处更容易产生应力集中，从而导致试件更易破坏［16］。

为了深入理解胶结面缺陷与自密实缺陷这2种不同缺陷对抗压强度的影响，从能量耗散的角度进行分析。假定在压力机作用下的试件变形系统是封闭的，不存在机械功向热能的转化，即系统与外界没有热量交换。基于这样的假设，根据热力学第一定律，可以得出以下关系［17］：

U=Ud+Ue（2）

式中：U为外部输入总能量；Ud为耗散的能量；Ue为试件储存的弹性应变能。

试件耗散能与弹性能的关系如图 10所示。进一步假设，不同试件的应力波、动能、各种辐射能等在试件变形过程中的占比是一致的。因此，声发射监测得到的能量在一定程度上可以表示试件破坏所需的总能量，而且通过比较不同类型缺陷下试件破坏时所耗散的能量，从而揭示不同缺陷对材料抗压强度影响的内在机制。

本文累计了孔隙率从1%至7%的胶结面缺陷和自密实缺陷试件在抗压开始到峰值强度期间的每步声发射能量，作为声发射总能量，如图11所示。其中，对于胶结面缺陷，孔隙率1%～7%，声发射总能量分别为506.5、451.7、424.5、409.5、355.7、301.7、283.6 J，相对于无缺陷RFC的占比分别为84.64%、75.50%、70.96%、68.44%、59.44%、50.42%、47.39%。对于自密实缺陷，孔隙率1%～7%，声发射总能量分别为556.4、517.5、472.6、460.3、413.6、395.6、362.6 J，相对于无缺陷RFC的占比分别为92.99%、86.50%、78.99%、76.93%、69.12%、66.12%、60.60%。

由图11可知：随着孔隙率的增加，无论是胶结面缺陷还是自密实缺陷，试件在达到峰值强度前所累积的总能量都呈现减少的趋势。这意味着孔隙率的增加导致试件能够储存的弹性应变能减少，从而降低了材料的抗压能力。同时，对比2种缺陷类型，可以发现在相同孔隙率下，胶结面缺陷的声发射总能量普遍低于自密实缺陷，这表明胶结面缺陷对试件抗压强度的削弱效应更为显著。这可能归因于胶结面处的应力集中現象，以及岩石与SCC在弹性模量和强度上的差异。

4 结论

本文通过RFPA方法，研究了SCC与堆石体间的胶结面缺陷对RFC试件抗压性能的影响。通过分析不同孔隙率下胶结面缺陷对抗压强度的影响，得出以下主要结论：

1）随着胶结面缺陷数量的增加，即孔隙率的增大，RFC的抗压强度呈现降低趋势，表明胶结面缺陷对材料的完整性和承载能力有显著影响。

2）在圆孔缺陷数量相同的情况下，自密实缺陷的抗压强度大于胶结面缺陷的抗压强度。

3）从能量的角度分析，缺陷数量的增加意味着破坏需要的能量越少，导致抗压强度降低。

需要指出的是，在实际工程应用中，RFC中的堆石骨料形状是不规则的，且空间分布随机。然而，为了专注于分析胶结面缺陷对RFC抗压力学性能的影响，本文将堆石骨料简化为球形模型。未来的研究将通过图像识别技术对实际试件进行数值模拟，以更精确地模拟实际情况。

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Effect of Cement Surface Defects on Compressive

Strength of Rock-Filled Concrete

Abstract：

The unique construction technique of rock-filled concrete causes its defects to be different from those of conventional concrete. We investigate the effects of defects in the cementing surface of stacked stone and self-compacting concrete and the defects in self-compacting concrete on the compressive properties of rock-filled concrete through physical tests and RFPA （realistic failure process analysis） numerical simulations. The result shows that the unconfined compressive strength of rock-filled concrete decreases with the increase of the number of defects. For the same number of defects， the compressive strength of cementitious surface defect specimens was lower than that of self-compacting defect specimens. Also， acoustic emission analysis reveals that the energy required to destroy specimens with defects in the cement surface is lower， indicating that defects in the cement surface have a more significant negative impact on the mechanical properties of materials. These findings facilitates understanding and improving the design and durability of rock-fill concrete structures.

Key words：

rock-filled concrete; cement surface defects; self-compacting defects; compressive strength