水工混凝土開列試驗系統(tǒng)、動強度率效應(yīng)及三軸剪切特性研究.pdf

1、水利工程中使用的混凝土較其他行業(yè)具有一定的特殊性，大壩混凝土和塑性混凝土是其典型代表。大壩混凝土作為主要結(jié)構(gòu)材料，其收縮引起的開裂以及受到地震作用下的動態(tài)彎拉破壞是其面臨的關(guān)鍵問題?；炷恋目沽研阅茉u價一直是混凝土研究的熱點和難點，一直未能得到很好解決。針對混凝土材料的抗裂性評價難題，作者發(fā)明了一種新型混凝土開裂試驗裝置，該裝置通過引入溫度應(yīng)力作用，釆用低線膨脹系數(shù)的鋼環(huán)作為約束環(huán)，提高了試驗設(shè)備的試驗敏感性，可以定量評價混凝土的抗裂性

2、。針對混凝土材料在地震作用下的動強度提高問題，本文通過理論分析提出了混凝土動強度的提高是混凝土不均勻性和慣性聯(lián)合作用結(jié)果的觀點，并釆用特殊設(shè)計三點彎試驗證明了本觀點的正確性。最后針對水工混凝土中較特殊的塑性混凝土抗剪切特性，研究了三軸應(yīng)力條件下膨潤土與水泥摻比和圍壓等因素對塑性混凝土強度和變形特性的影響規(guī)律。
　　主要成果如下：
　?。?）根據(jù)熱彈性力學理論，推導出了鋼環(huán)和混凝土環(huán)組合系統(tǒng)在溫降和干燥條件下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移

3、的解析表達式，為試驗裝置的改進提供了理論基礎(chǔ)，并釆用ABAQUS有限元軟件驗證了解析計算結(jié)果的正確性。分析結(jié)果表明，鋼環(huán)線膨脹系數(shù)、鋼環(huán)厚度、溫降大小以及混凝土早期彈性模量均對鋼環(huán)和混凝土環(huán)應(yīng)力、應(yīng)變和位移影響顯著，其中溫降大小和鋼環(huán)線膨脹系數(shù)對混凝土環(huán)環(huán)向拉應(yīng)力影響最為顯著，分析結(jié)果為物理試驗裝置改進確定了方向。
　　（2）根據(jù)理論分析結(jié)果，優(yōu)選了鋼環(huán)厚度分別為6mm、8mm、10mm時的情況進行混凝土開裂對比試驗。試驗結(jié)果表明

4、，鋼環(huán)厚度對鋼環(huán)應(yīng)變測值有顯著影響，在相同溫降條件下鋼環(huán)厚度為6mm時對應(yīng)的應(yīng)變測值更大，更容易準確測量，最后綜合分析確定了鋼環(huán)厚度為6mm更優(yōu)。
　　不同養(yǎng)護溫度和溫降速率的混凝土開裂對比試驗結(jié)果表明，養(yǎng)護溫度為30℃，溫降速率為1℃/h時，混凝土圓環(huán)在試驗中未發(fā)生開裂，即混凝土環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力未達到混凝土的極限拉應(yīng)力。養(yǎng)護溫度為60℃和80℃，溫降速率為15℃/h時，混凝土環(huán)均產(chǎn)生了開裂破壞。養(yǎng)護溫度為60℃和80℃的試驗結(jié)果表

5、明，養(yǎng)護為80℃，溫降速率為15℃/h時試驗結(jié)果的穩(wěn)定性更優(yōu)，據(jù)此確定了新型混凝土開裂試驗裝置的尺寸和試驗方法。
　?。?）采用新型混凝土開裂試驗方法，研究了原材料因素（礦物摻合料、外加劑類型、坍落度、骨料類型、纖維）和齡期對混凝土抗裂性的影響。試驗結(jié)果表明，在立方體抗壓強度相同條件下，粉煤灰和硅灰的加入使得混凝土的抗裂性降低了21％～47.6%。減水劑類型對混凝土抗裂性的影響最為顯著，摻加萘系減水劑的混凝土較聚羧酸減水劑的混凝土

6、抗裂性顯著降低，降幅達61.2%。抗裂劑對混凝土早期抗裂性影響不大。不同坍落度混凝土的開裂對比試驗結(jié)果表明，大流態(tài)混凝土（19cm）較常態(tài)混凝土（6cm）混凝土的抗裂性降低了12%左右，影響較小。通過不同骨料（人工花崗巖骨料、人工灰?guī)r骨料，天然石英石骨料、天然礫石骨料）混凝土的開裂對比試驗表明，以人工花崗巖骨料為基準，灰?guī)r骨料較花崗巖骨料抗裂性提高了12.5%，石英石骨料、礫石骨料較花崗巖骨料抗裂性降低了32%和33.8%，即人工骨料配

7、制的混凝土抗裂性明顯優(yōu)于礫石和石英石骨料，灰?guī)r骨料較花崗巖骨料配制的混凝土抗裂性更優(yōu)。聚丙烯纖維和鋼纖維混凝土的開裂對比試驗表明，聚丙烯纖維對混凝土的抗裂性有不利作用；鋼纖維則顯著提高了混凝土的抗裂性。鋼纖維混凝土在溫降過程中未發(fā)生應(yīng)變突變，其約束鋼環(huán)的峰值應(yīng)變?yōu)?61με，對應(yīng)的混凝土平均拉應(yīng)力為5.13MPa，即設(shè)備所能提供的最大拉應(yīng)力，滿足絕大多數(shù)混凝土的抗裂性評價要求。同一配合比不同養(yǎng)護強度時混凝土的開裂對比試驗結(jié)果表明，同一配

8、比混凝土后期抗裂性較前期有顯著降低，降幅在16.0%～18.1%之間；隨著養(yǎng)護齡期的增加，抗拉強度逐漸增加，其抗裂性又有增高趨勢，但增幅較小。
　　新型混凝土開裂試驗法采用開裂溫差作為抗裂性評價指標，能綜合反映混凝土材料在溫降條件下的開裂特性，并可以定量對混凝土材料的抗裂性進行評價。
　?。?）針對混凝土在動態(tài)彎拉條件下的動強度提高問題，提出混凝土材料的靜、動強度差異主要是由于材料的不均勻性造成的，混凝土材料的靜、動強度與其

9、破壞后裂紋的發(fā)展路徑有關(guān)。靜態(tài)破壞時裂紋沿著材料的薄弱面向前發(fā)展，即靜態(tài)裂紋開裂遵循最小耗能原理；而動態(tài)破壞時，材料內(nèi)部的應(yīng)變能需要在瞬間得到釋放，裂紋沿著能量釋放最短路徑向前發(fā)展，這時的裂紋穿過了材料的部分高強度區(qū)（如混凝土中的骨料），使得材料的動強度高于靜強度，即動態(tài)裂紋開裂遵循能量釋放率相關(guān)原理。通過特殊設(shè)計三點彎試驗，成型菱形試件模擬彎曲時的骨料，采用微機伺服萬能試驗機和自由落體沖擊試驗對試驗梁進行加載，在慢速加載（0.1mm/

10、min）和快速加載（140mm/min）以及不同高度落錘（1m、3m、6m、9m）自由沖擊，分析試件的破壞強度、破壞形態(tài)，以及裂紋的發(fā)展走向規(guī)律，證明了本觀點的正確性，并給出了混凝土動態(tài)彎拉條件下的動強度表達式。
　　（5）針對塑性混凝土在三軸應(yīng)力作用下的抗剪切特性，通過改變塑性混凝土配合比中膨潤土與水泥摻比，配制出28天立方體抗壓強度為2MPa、4MPa、6MPa、8MPa左右的塑性混凝土進行常規(guī)三軸壓縮試驗，研究了膨潤土與水泥

11、摻比以及圍壓等對塑性混凝土強度和變形特性的影響。試驗結(jié)果表明，隨著膨潤土摻量的增加，塑性混凝土的單軸抗壓強度σc和粘聚力c具有相同的變化規(guī)律，即加入膨潤土后混凝土單軸抗壓強度及粘聚力均有顯著降低。而塑性混凝土內(nèi)摩擦角ψ和拉壓強度比α變化不大，即膨潤土摻量對塑性混凝土強度的靜水應(yīng)力敏感性及拉壓強度的差異性影響不大。最后建立了膨潤土與水泥摻比與軸向應(yīng)變值為0.5%時對應(yīng)的割線模量E0.5、峰值應(yīng)變ε1f、體積應(yīng)變εv、以及模強比的完整函數(shù)關(guān)