尺寸效应对面板混凝土动态力学性能影响的试验研究

郑 洲 ，刘建鹏 ，徐 帆 ，荆慧斌 ，周 毓

（1.上海泾景水利工程设计有限公司，上海 虹口200000；2.西安大泽工程咨询服务有限公司，陕西 西安712000;3.西安理工大学，陕西 西安 710048）

0 引言

混凝土结构广泛利用在水利工程、交通设施、工业与民用建筑、近海工程等领域，而且目前越来越多的利用在海洋工程、严寒极地以及遭受化学腐蚀的特殊环境中。近年来，我国开展并实施了针对水资源的开发治理、能源结构的优化、能源配置的改善及水利工程生态环境建设等一系列的规划，我国的水电建设目前仍然具有强大的发展潜力，高坝建设和大坝安全仍然是限制坝工技术发展的难题。一旦高坝在地震作用下出现事故，其带来的后果将是破坏力强、影响范围广并将引起难以挽回的重大损失，因此在高坝建设领域中广泛使用的混凝土坝和面板堆石坝的坝体材料在大尺寸下的力学性能有必要进行深入的研究，对高地震烈度区的高坝抗震安全也需给予足够的重视。

近年来，研究学者们对于混凝土的尺寸效应在准静态荷载作用下进行了较为深入的研究，但是由于试验条件的局限性，对于混凝土的尺寸效应在动态荷载作用下的研究较为匮乏，仅有少数研究学者进行了相关的研究。如Elfahal等[1]对不同尺寸的圆柱体试件进行了不同应变速率的SHPB冲击试验，试验结果表明随着试件尺寸的增大，试件的动态强度趋于降低，即混凝土尺寸对混凝土动态性能具有显著的影响。张建等[2]结合实际工程情况中大坝碾压混凝土的一些力学性能通常根据湿筛混凝土试件确定，在进行静动态弯拉强度尺寸效应试验研究中的材料选择为某实际拱坝工程材料及其配合比下的三级配混凝土，研究发现三级配混凝土静态强度均低于动态弯拉强度，并且观察到明显的强度尺寸效应，大尺寸混凝土试件的弯拉强度增长率呈现偏小状态。闫东明等[3]对三种尺寸不同混凝土棱柱体试件分别进行了加载速率为 0.5 mm/min、5 mm/min、50 mm/min 和 500 mm/min 的抗折强度试验，结果表明混凝土试件的抗折强度随着加载速率的提高而增加，对于相同加载速率的试件，试件的抗折强度与尺寸效应成反比。

在已有的国内外学者对于混凝土的动态力学性能研究成果中，对于考虑尺寸效应的面板混凝土的动态力学性能研究较少，因此本文通过一系列的实验设计来研究尺寸效应对于面板混凝土动态力学性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料及混凝土配合比

参照《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228-2013）[4]对面板混凝土的要求，本次试验采用强度等级为42.5R的秦岭牌普通硅酸盐水泥，质量等级为Ⅱ级的粉煤灰，骨料采用河砂及采用粒径为5 mm～30 mm（粒径为5 mm～20 mm、20 mm～30 mm的比例为1∶1）的天然卵石；混凝土外加剂采用三萜皂甙高效引气剂以及聚羧酸高效减水剂；水采用实验室普通自来水。试验参照规范和已有面板坝工程的配合比[5,6]，设计了本试验所用的面板混凝土配合比。面板混凝土28 d抗压强度测定时，取3个试件的平均值。面板混凝土配合比及力学性能见表1，由表可知该配合比下试件的抗压强度标准值满足混凝土面板堆石坝设计规范对面板混凝土强度等级为C25的要求。

表1 面板混凝土配合比及力学性能

1.2 试件制作及试验方法

1.2.1 试件制作与养护

本试验中主要考虑面板混凝土的尺寸效应对动态力学性能的影响，面板混凝土试件尺寸选择为A组（Ф150 mm×150 mm）、B组（Ф150 mm×300 mm）、C组（Ф150 mm×450 mm）、（见图1）的圆柱体试件。由于混凝土试件尺寸较大和标准养护箱空间大小的限制，根据《普通混凝土力学性能试验方法》（GBT 50082-2009）[7]中的规定，将制好的混凝土试件完全浸入不流动的温度控制在20±2℃的饱和Ca（OH）2溶液中养护到28天龄期。

图1 三种尺寸规格的圆柱体试件模具

1.2.2 三轴力学性能试验

将达到养护龄期的每组试件进行1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四种级别不同应变速率的三轴力学试验，研究不同尺寸的面板混凝土试件在不同应变速率下的三轴力学性能。见图2、图3。

图2 DTD-2000KN粗粒土动静三轴试验仪

图3 混凝土试件安装示意图

2 试验结果及其分析

2.1 不同尺寸试件的面板混凝土极限抗压强度与应变速率的关系分析

在围压恒定为5 MPa的状态下，A、B、C三组试件分别在施加 1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四种不同的应变速率下的轴向极限抗压强度值见图4。

分析过程中，以加载应变速率为1×10-4s-1时得到的抗压强度值为基准值，得到各组试件在加载应变速率为2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1时对应的轴向极限抗压强度与轴向动态极限抗压强度增长率，结果见图5。为了研究尺寸效应对试件抗压强度的影响程度，以A组试件的抗压强度值为基准值，得到B、C两组试件的抗压强度损失率，结果见图6。

图4 轴向极限抗压强度和应变速率的关系

图5 轴向极限抗压强度增长率与应变速率之间的关系

图6 轴向抗压强度损失率与应变速率的关系

图7 不同应变速率下的抗压强度增长率

综合分析比较图4～图7可得：当加载的应变速率相同时，随着混凝土试件尺寸高径比的增大，试件的轴向抗压强度减小，轴向抗压强度损失率增大。

综合比较相同尺寸的面板混凝土试件，随着加载时应变速率的提高，试件的极限抗压强度随之增大。以混凝土试件作用有1×10-4s-1应变速率时的抗压强度值作为基准值，对试件的极限抗压强度增长率和应变速率曲线图进行分析可知：随着加载时设置的应变速率的提高，A组试件的抗压强度增长率相对于B、C两组较大，B组和C组试件的抗压强度增长率在应变速率为2×10-4s-1、5×10-4s-1时相差不大，当应变速率为1×10-3s-1时，不同尺寸面板混凝土试件的增长率出现较大的差异。由此可得：面板混凝土的应变速率较低时，混凝土试件尺寸高径比的增大对试件的抗压强度增长率的增幅影响不大。

对于试验结果的数据进行进一步分析可以得出：对于不同尺寸试件的轴向极限抗压强度值，与作用的应变速率的增加呈现正相关趋势，不同尺寸的面板混凝土试件的抗压强度的增幅随着作用的应变速率的增加而相应减缓。因此，对面板混凝土试件的轴向抗压强度和应变速率的关系进行对数回归模型的分析并得到相应的拟合曲线，见图8～图10。

图8 A组试件应力与应变速率拟合曲线

图9 B组试件应力与应变速率拟合曲线

图10 C组试件应力与应变速率拟合曲线

2.2 不同尺寸下混凝土峰值应变与应变速率的关系分析

在围压恒定为5 MPa的状态下，A、B、C三组试件分别在施加 1×10-4s-1、2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1四种不同的应变速率下的轴向峰值应变值见图11。

图11 不同应变速率下的峰值应变

对图11进行分析可得：A、B、C三组试件的峰值应变整体上随着作用的应变速率的提高而相应的降低，以混凝土试件作用有1×10-4s-1的应变速率时的峰值应变值作为基准值，当试件上作用有 2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1三种不同的应变速率时，A组试件对应的峰值应变值分别有2.74%、14.38%、18.49%的减小，B组试件对应的峰值应变值分别有7.9%、26.5%、29.3%的减小，C组试件对应的峰值应变值分别有8.1%、10.8%、19.9%的减小。

当作用于面板混凝土试件上的应变速率相同时，试件的峰值应变值随着试件尺寸高径比的增大呈现相应的减小规律。以作用在A组试件上的应变速率产生的峰值应变值作为基准值，B、C两组试件的峰值应变值在加载的应变速率为1×10-4s-1时，相应的减小了4.1%、24%。当加载的应变速率为 2×10-4s-1、5×10-4s-1、1×10-3s-1时，B、C 两组试件的峰值应变值相应的减少为9.2%、28.2%、17.6%和20.8%、16.8%、25.2%。

3 结论

本文采用混凝土动静三轴仪试验仪对考虑尺寸效应的面板混凝土材料进行了动态力学性能试验研究，重点对面板混凝土轴向抗压强度以及峰值应变的演化规律进行研究，结论如下：

（1）面板混凝土的轴向抗压强度随着应变速率的提高而增大，随着试件尺寸高径比的增大呈现减小趋势。

（2）随着应变速率的提高，不同尺寸的面板混凝土试件的峰值应变值整体上随之呈现降低趋势，随着面板混凝土试件高径比的增大也呈现减小趋势。

（3）利用回归分析的方法对试验中不同尺寸面板混凝土的轴向抗压强度和应变速率的关系进行分析，得到它们之间的相关系数较高、与试验数值吻合较好的拟合关系式。