水工混凝土開(kāi)列試驗(yàn)系統(tǒng)、動(dòng)強(qiáng)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(kāi)裂以及受到地震作用下的動(dòng)態(tài)彎拉破壞是其面臨的關(guān)鍵問(wèn)題?；炷恋目沽研阅茉u(píng)價(jià)一直是混凝土研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，一直未能得到很好解決。針對(duì)混凝土材料的抗裂性評(píng)價(jià)難題，作者發(fā)明了一種新型混凝土開(kāi)裂試驗(yàn)裝置，該裝置通過(guò)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(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)敏感性，可以定量評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性

2、。針對(duì)混凝土材料在地震作用下的動(dòng)強(qiáng)度提高問(wèn)題，本文通過(guò)理論分析提出了混凝土動(dòng)強(qiáng)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(diǎn)，并釆用特殊設(shè)計(jì)三點(diǎn)彎試驗(yàn)證明了本觀點(diǎn)的正確性。最后針對(duì)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(rùn)土與水泥摻比和圍壓等因素對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律。
　　主要成果如下：
　　（1）根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)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(dá)式，為試驗(yàn)裝置的改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)，并釆用ABAQUS有限元軟件驗(yàn)證了解析計(jì)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(duì)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(duì)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(yàn)裝置改進(jìn)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(shí)的情況進(jìn)行混凝土開(kāi)裂對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明

4、，鋼環(huán)厚度對(duì)鋼環(huán)應(yīng)變測(cè)值有顯著影響，在相同溫降條件下鋼環(huán)厚度為6mm時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變測(cè)值更大，更容易準(zhǔn)確測(cè)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(hù)溫度和溫降速率的混凝土開(kāi)裂對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)溫度為30℃，溫降速率為1℃/h時(shí)，混凝土圓環(huán)在試驗(yàn)中未發(fā)生開(kāi)裂，即混凝土環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力未達(dá)到混凝土的極限拉應(yīng)力。養(yǎng)護(hù)溫度為60℃和80℃，溫降速率為15℃/h時(shí)，混凝土環(huán)均產(chǎn)生了開(kāi)裂破壞。養(yǎng)護(hù)溫度為60℃和80℃的試驗(yàn)結(jié)果表

5、明，養(yǎng)護(hù)為80℃，溫降速率為15℃/h時(shí)試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性更優(yōu)，據(jù)此確定了新型混凝土開(kāi)裂試驗(yàn)裝置的尺寸和試驗(yàn)方法。
　?。?）采用新型混凝土開(kāi)裂試驗(yàn)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(duì)混凝土抗裂性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在立方體抗壓強(qiáng)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(duì)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(dá)61.2%。抗裂劑對(duì)混凝土早期抗裂性影響不大。不同坍落度混凝土的開(kāi)裂對(duì)比試驗(yàn)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(guò)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(kāi)裂對(duì)比試驗(yàn)表明，以人工花崗巖骨料為基準(zhǔn)，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(kāi)裂對(duì)比試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維對(duì)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(guò)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(duì)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(píng)價(jià)要求。同一配合比不同養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度時(shí)混凝土的開(kāi)裂對(duì)比試驗(yàn)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(hù)齡期的增加，抗拉強(qiáng)度逐漸增加，其抗裂性又有增高趨勢(shì)，但增幅較小。
　　新型混凝土開(kāi)裂試驗(yàn)法采用開(kāi)裂溫差作為抗裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)，能綜合反映混凝土材料在溫降條件下的開(kāi)裂特性，并可以定量對(duì)混凝土材料的抗裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　?。?）針對(duì)混凝土在動(dòng)態(tài)彎拉條件下的動(dòng)強(qiáng)度提高問(wèn)題，提出混凝土材料的靜、動(dòng)強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度與其

9、破壞后裂紋的發(fā)展路徑有關(guān)。靜態(tài)破壞時(shí)裂紋沿著材料的薄弱面向前發(fā)展，即靜態(tài)裂紋開(kāi)裂遵循最小耗能原理；而動(dòng)態(tài)破壞時(shí)，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(shí)的裂紋穿過(guò)了材料的部分高強(qiáng)度區(qū)（如混凝土中的骨料），使得材料的動(dòng)強(qiáng)度高于靜強(qiáng)度，即動(dòng)態(tài)裂紋開(kāi)裂遵循能量釋放率相關(guān)原理。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)三點(diǎn)彎試驗(yàn)，成型菱形試件模擬彎曲時(shí)的骨料，采用微機(jī)伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和自由落體沖擊試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)的正確性，并給出了混凝土動(dòng)態(tài)彎拉條件下的動(dòng)強(qiáng)度表達(dá)式。
　?。?）針對(duì)塑性混凝土在三軸應(yīng)力作用下的抗剪切特性，通過(guò)改變塑性混凝土配合比中膨潤(rùn)土與水泥摻比，配制出28天立方體抗壓強(qiáng)度為2MPa、4MPa、6MPa、8MPa左右的塑性混凝土進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了膨潤(rùn)土與水泥

11、摻比以及圍壓等對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度和變形特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，塑性混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度σc和粘聚力c具有相同的變化規(guī)律，即加入膨潤(rùn)土后混凝土單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度比α變化不大，即膨潤(rùn)土摻量對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度的靜水應(yīng)力敏感性及拉壓強(qiáng)度的差異性影響不大。最后建立了膨潤(rùn)土與水泥摻比與軸向應(yīng)變值為0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的割線模量E0.5、峰值應(yīng)變?chǔ)?f、體積應(yīng)變?chǔ)舦、以及模強(qiáng)比的完整函數(shù)關(guān)