不同水灰比和粗糙度的岩石-混凝土界面Ⅰ型断裂性能研究

薛子熹，罗丹旎,2,3，程寿山，李国桢

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004；2.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁530004；3.广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530004；4.桥梁结构安全技术国家工程实验室，陕西西安710000)

1 引言

对于浇筑于岩基上的混凝土坝，混凝土与岩石之间的界面由于容易存在初始微裂纹这一缺陷，往往是结构的薄弱环节，在荷载、温度变化和渗流作用等复杂因素的影响下极易产生裂缝并发生沿建基面的扩展[1]。混凝土与岩石界面的薄弱区域一直是水工界需要深入探讨和研究的方向。

近年来，由于考虑到界面在受载前容易存在初始微裂缝这一特点，不少学者开始尝试基于断裂力学理论对岩石-混凝土界面的断裂性能进行研究。

近几十年来，已有不少国内外学者开展了岩石-混凝土界面力学性能的试验研究。Maji[2]在1992年对岩石-混凝土复合试件开展了紧凑拉伸试验，指出岩石-混凝土界面与岩石、混凝土类似，呈现出准脆性行为，该试验中界面的断裂能约为混凝土部分的1/4。Kishen等[3]对石灰岩-混凝土复合试件进行楔入劈拉试验，发现相较于混凝土本体，岩石-混凝土界面断裂能比强度折减严重，界面断裂能仅为混凝土部分的21%。陆超等[4]对自然界面条件下岩石-混凝土复合试件开展了三点弯曲断裂试验，研究了初始缝高比对起裂荷载和抗折强度的影响。以上研究表明，岩石混凝土界面的断裂性能与很多因素有关，其界面断裂特性较为复杂。基于此，本文主要利用三点弯曲试验，研究界面粗糙度和混凝土配合比对岩石-混凝土Ⅰ型界面断裂性能的影响。

2 试验方案及试验过程

2.1 实验方案

目前常采用的三点弯曲试验法对于沿界面开裂破坏的Ⅰ型断裂特性进行研究。试验中采用的岩石-混凝土复合试件的尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，预制裂缝长度分别30 mm和15 mm。图1为三点弯曲断裂试验的加载示意图。

图1 岩石-混凝土加载方式示意图

为研究界面粗糙度和混凝土配合比岩石-混凝土试件的断裂性能的影响，设计了一系列岩石-混凝土复合试件的三点弯曲断裂试验。试验具体分组见表1。

表1 三点弯曲断裂试验分组设计

2.2 试验材料

岩石-混凝土复合试件中的混凝土的配合比主要参考向家坝重力坝混凝土的配合比进行设计，最终采用了强度等级为C25的一级配混凝土。制备混凝土时，水泥采用P42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，粗骨料采用石灰岩人工碎石(5 mm～20 mm)，细骨料采用普通河沙，减水剂采用江苏苏博特公司生产的JM-ⅡC缓凝高效减水剂。试验中使用的3种混凝土配合比具体见表2。

表2 混凝土配合比设计 单位：kg/m3

2.3 试件制备

首先，从一块完整岩样中切割、打磨出100 mm×100 mm×500 mm的长方体岩石试样。然后，使用数控切割机床在长方体试样中间截面位置进行切割获得预制裂缝。

之后，利用高压伺服动真三轴试验机开展岩石试件的三点弯曲试验，将岩石试件加载至断裂，从而得到自然断面。自然断面效果见图2。

图2 岩石的自然断面

在获得的自然岩石界面上的预制裂缝位置粘贴厚度为3 mm的塑料薄板，以预制岩石与混凝土间的裂缝。

最后，将制作好的岩石放置于图3所示的定制的木模具内，然后完成另一侧混凝土的浇筑。混凝土振捣密实后，浇水养护24 h，然后拆模放入标准养护室，28 d后取出用于开展有关试验。

图3 复合试件浇筑

对于有刻槽处理的试件，主要对一块完整的100 mm×100 mm×250 mm的长方体花岗岩试样，在光滑的岩石界面，按设计的切槽方案精确地切割出所要求的槽数及槽深，获得不同形貌的界面，并使用灌砂法[5]测量不同界面的粗糙度Ra。本试验设计的三种岩石切槽方案见图4。

(a)刻3道9 mm深方槽

2.4 试验过程

本文利用MTS809液压伺服疲劳试验机开展三点弯曲断裂试验，试验仪器布置见图1。试验加载采用位移控制模式，加载速度为0.036 mm/min。试验中，荷载利用试验机自带荷载传感器采集，加载点位移利用LVDT位移传感器采集，裂缝尖端区的变形利用应变片采集，裂缝嘴张开和滑移位移利用引伸计采集。

3 试验结果分析与讨论

对于界面断裂性能的评价，起裂韧度KIini和抗折强度ffb可做为影响参数对界面断裂性能进行评价。在三点弯曲梁复合试件中，计算起裂断裂韧度的关键参数是试件的起裂荷载Pini，本文采用电阻应变片法测定。试验中，在裂缝尖端两侧粘贴电阻应变片，采集数据绘制荷载-裂尖应变曲线图，曲线回弹点对应的荷载即为起裂荷载。典型荷载-裂尖应变曲线见图5。

图5 荷载-裂尖应变曲线

在测定起裂荷载后，本文使用ABAQUS有限元软件计并通过结合围线积分法计算各个试件起裂时刻应力强度因子，作为起裂断裂韧度。通过在裂尖附近区域构建奇异网格划分，将测得的起裂荷载代入模型之中，计算出裂尖起裂韧度。网格划分模型见图6。

图6 模型网格划分

抗折强度指试件承受弯矩时加载至折断单位面积上承受的极限应力，是评价试件抵抗弯曲能力的重要参数。三点弯曲加载条件下岩石-混凝土复合试件的抗折强度采用式(1)计算。

(1)

式中：Pmax为试验过程中的峰值荷载；m为试件的质量；l、b、d分别为试件的长、宽、高；a0为预制裂缝的长度。

3.1 断裂破坏形态分析

在三点弯曲加载条件下，各个试件的破坏形态都大致相同，皆为沿界面开裂的Ⅰ型破坏模式。即预制裂缝自尖端起裂后，一直沿界面扩展，直至贯穿整个试件。而从界面破坏图(图7)中我们可以看出，自然界面的花岗岩试件其界面破坏位置都比较平整，岩石界面上虽然粘黏有少量砂浆，混凝土断面也粘黏有少量岩屑，但总体还是较为光滑。断面整体呈现出岩石与混凝土直接剥离的破坏特征。

(a)花岗岩自然界面断裂形态

对于低糙度的岩石自然界面和高粗糙度的岩石切槽界面，由于界面高低起伏形貌的差异巨大，断面破坏形态有一定的不同。对于高粗糙度的岩石切槽界面，岩石未刻槽部位仅粘黏有微量砂浆，仍较为光滑，而刻槽部位大部分混凝土粘结在岩石凹槽内，但由于一些骨料影响了裂缝扩展轨迹，也存在少量混凝土从槽内拔出的现象。

3.2 混凝土水灰比的影响

为探究混凝土水灰比对岩石-混凝土界面断裂性能的影响，对3种不同水灰比的岩石-混凝土试件开展三点弯曲断裂试验。表3和图8分别给出了不同混凝土水灰比下试件的起裂韧度和抗折强度的均值变化。

图8 水灰比对起裂韧度和抗折强度的影响

表3 起裂韧度和抗折强度计算结果

花岗岩-混凝土复合试件的试验结果显示，水灰比的调整对界面的断裂性能都影响明显，随着混凝土水灰比的增加，起裂韧度KIini呈现明显下降趋势。由于混凝土水灰比的增加，一方面，混凝土拌合物中水分越多，水分蒸发也越多，产生的塑性收缩也越大，降低了岩石-混凝土界面的胶结能力；另一方面，水灰比的增大会使混凝土拌合物凝结时间相对延长，使混凝土抵抗塑性收缩的力产生时间延长，抵抗塑性收缩的力减弱，混凝土容易产生裂缝，在荷载作用下，试件更容易发生破坏，影响岩石-混凝土界面的断裂性能。

大体而言，在其他条件相同的情况下，在本次试验中选取的水灰比范围内(约50%～60%)，混凝土水灰比相对较低时与岩石的粘结性能更优，界面断裂韧度与抗折强度更高。水灰比的大小很大程度上影响着岩石-混凝土界面断裂性能，在实际工程中应该合理地选用水灰比方案。

3.3 界面粗糙度的影响

为探究界面粗糙度对岩石-混凝土界面断裂性能的影响，对自然界面和两种不同灌砂粗糙度的岩石-混凝土试件开展三点弯曲断裂试验，结果见表4、图9。

表4 起裂韧度和抗折强度计算结果

图9 粗糙度对起裂韧度和抗折强度的影响

通过表4与图9分析可知，在相同水灰比情况下，当对界面进行刻槽处理后，试件在浇筑成型时由于多起伏、小高差形貌的界面增加了混凝土与界面的接触面积，在振捣过程中混凝土能够侵入岩石凹槽位置从而在界面位置形成相互之间的咬合作用，较高程度的胶结能力使得在界面发生破坏时，需要更大的外部应力才能破坏整体试件的稳定性，从而提高复合试件的界面强度。

灌砂粗糙度Ra为2.7 mm试件的断裂韧度与抗折强度皆明显高于粗糙度Ra为0 mm的试件。从数值上看，前者较后者起裂断裂韧度KIini提高了64.7%，抗折强度提高了39%。而随着粗糙度的增大，混凝土与岩石界面的接触面积更大，使得两者之间的胶结能力进一步提高，使得界面的起裂韧度和抗折强度更高。从表4中可以看到，粗糙度Ra为3.6 mm的试件起裂韧度和抗折强度较粗糙度Ra为2.7 mm分别提高了31.9%和29.9%。

而对于相同刻槽数的情况下，通过加深刻槽的深度从9 mm加深到12 mm，其界面起裂韧度和抗折强度也分别提高了11.6%和11.5%，说明在这一范围内，加深刻槽深度依然能够为界面带来增强增韧的效果。

总体而言，通过对界面进行刻槽等处理进而提高界面的粗糙度，可以使得岩石-混凝土界面的断裂性能显著增强。刻槽处理是一种有效的界面增强增韧手段。

4 结论

(1)对比不同混凝土水灰比的岩石-混凝土复合试件的三点弯曲试验结果发现，即使小幅度调整混凝土水灰比，岩石-混凝土界面断裂性能也会发生明显变化。在本文选取的水灰比范围内(约50%～60%)，混凝土水灰比相对较低时与岩石的粘结性能更优，界面断裂韧度与抗折强度更高。在实际工程需要更为合理地选用水灰比方案。

(2)对比不同界面粗糙度的岩石-混凝土复合试件的三点弯曲试验结果发现，岩石-混凝土界面断裂韧度随界面粗糙度的增大而显著提高，并且同一灌砂粗糙度下多起伏、小高差形貌的界面比少起伏、大高差形貌的界面具有明显更高的断裂韧度。岩石-混凝土界面断裂性能随界面粗糙度的增大而显著提高。以界面刻槽处理的方式增强界面的粗糙度，可以达到增强界面断裂性能的效果，从而提高结构稳定性。