堆石混凝土坝中预制块砌体的抗剪性能试验研究

李继红，赵 青，周述礼，王志杰

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，简称RFC)技术是在自密实混凝土高流动性、不离析基础之上发展起来的新型大体积混凝土技术，具有较好的综合性能，并在水利工程中取得了广泛应用[1- 2]。

随着堆石混凝土筑坝技术的发展，在筑坝材料方面取得了许多突破成果，如低水泥用量高自密实性能混凝土[3]、软岩作堆石材料[4- 5]以及高寒地区混凝土特殊配合比[6]等。为了发挥堆石混凝土技术快速施工的优势，在堆石混凝土拱坝施工中，使用整体浇筑拱坝技术[7]，在防渗层使用一体化浇筑技术[8- 9]，同时根据堆石混凝土坝的筑坝过程，为有效防止高流动性的自密实混凝土对模板造成较大的侧压力而产生变形。对此，工程中采用砌筑混凝土预制块来代替其他模板使用，浇筑后并作为坝体的一部分。曾旭等[10]对混凝土预制块砌体模板在堆石混凝土坝中的应用做出了详细的对比阐述，并得出混凝土预制块砌体模板具有可行性和经济性。

由于混凝土预制块砌体模板由砂浆和砌块砌筑而成，在大坝浇筑的过程中高自密实混凝土会对砌体模板产生较大的侧压力，压力过大则会引起砌体之间剪切应力过大，从而造成模板失稳而垮塌。因此混凝土预制块砌体抗剪性能直接关系到堆石混凝土坝施工中的稳定性问题，需要对混凝土预制块砌体的抗剪性能进行深入研究。

本文立足于工程建设需要，从施工现场取得混凝土预制块材料，以砌体的抗剪稳定性为研究对象，对4组共20个不同砌筑砂浆龄期以及不同法向荷载作用下混凝土预制块砌体进行室内剪切试验，通过对混凝土预制块砌体的抗剪强度和破坏机理进行分析，从而得出混凝土预制块砌体在不同龄期中的抗剪强度。

1 试验概况

1.1 试件参数及材料性能

用于剪切试验的混凝土预制块来源于某施工现场，采用C15混凝土浇筑成为500mm×300mm×300mm的长方体试块，每块重量108kg。试件均采用M10砂浆砌筑，砌筑砂浆的配合比见表1。在剪切试验前，依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[11]，分别测出了M10混凝土砌筑砂浆不同龄期的粘结强度及立方体抗压强度试验平均值，试验结果见表2。

表1 砌筑砂浆配合比

表2 砌筑砂浆不同龄期的粘结强度及立方体抗压强度试验平均值

1.2 试件制作

本试验中采用直剪试验，由上、下2个砌块组成，砌块之间砌筑砂浆的厚度均为20mm。试件尺寸为500mm×300mm×620mm。按龄期进行分组，分为1、2、3、7d共4组，每组砌筑5个试件，共10个试块。

1.3 试验装置及荷载施加

试验的反力装置使用的是YJ-ⅢD-W型结构力学组合实验系统，固定装置是由2块300mm×300mm的钢板以及2根直径为10mm的螺纹钢焊接而成，将其用螺栓固定在试件两侧，防止试验过程中试件产生滑移。使用液压千斤顶加载，压力传感系统读取并记录数据，位移计固定在固定钢架上，放置于试件两侧的对称部位用于测量水平方向位移，取其平均值减小位移误差。剪切试验示意简图及现场照片如图1所示。

图1 剪切试验示意简图及现场照片

试验过程中，通过在试件顶部放置铁块(每块约20kg)的方法实现法向荷载的施加，且每一次试验的法向荷载一次性施加完毕，由于试验中上部试块自重较大，将自重考虑为施加的法向应力，共有4组不同龄期工况的直剪试验，每组试验分为5次进行，每次对应的法向应力分别为0.0072、0.0122、0.0152、0.0192、0.0232MPa。水平方向上由千斤顶对试件施加剪切荷载，采用匀速间断加载的方式，严格控制剪切力的增加，每次增加的剪切力为1.5kN(约0.001MPa)，通过压力传感器及配套电子显示器读取水平方向加载数值，并通过位移计读取出每级荷载下相应的位移数据，待数值稳定后，继续加载。当剪切面发生剪切破坏时，即判定试验结束，并读出试件发生剪切破坏时的剪切荷载峰值。

2 试验结果

2.1 试验现象及破坏形态

试件从加载到破坏的过程可分为4个阶段。在水平剪切荷载施加的开始阶段，试件的砌缝位置无明显变化，试件上部砌块水平方向安装的位移计读数出现微小数值；加载继续，位移计读数开始增大，上部砌块与砂浆之间处开始出现微裂纹；随着加载不断增大，微裂纹逐渐扩展，很快开始向右延伸，位移计读数变化速率明显增大；最后砂浆与砌块突然分开，并伴随声响，同时水平剪切荷载急剧下降，试件发生剪切破坏，在4组试验中，所有破坏均发生在上部砌块与砂浆之间的接触面上，为黏结剪切破坏。

2.2 试验数据和破坏机理分析

破坏时水平剪切荷载的最高数值即为砌缝砂浆抗剪的极限承载力，各龄期工况下，砌缝砂浆抗剪的极限承载力随着法向应力的增大而提高，剪切应力-位移曲线如图2所示，试验结果见表3。

图2 剪切应力-位移曲线

表3 抗剪强度试验值及回归计算值

从图2可以看出，在相同的法向应力作用下，龄期越大，曲线的斜率越小，位移增加越缓慢，当施加的剪切应力超过极限应力的40%时，曲线的斜率有明显变化，位移的增加速率明显加快，最终达到破坏状态，试验的表观现象和数据曲线有较好的对应关系。

混凝土预制块砌筑体在直剪试验中所承受的法向荷载远小于其极限强度，因此其剪切破坏形式为剪摩破坏，故本试验中采用库伦理论的表达式来计算砌体的砌筑砂浆抗剪强度[12- 13]，表达式的基本形式为：

τ=c+φσn

(1)

式中，c—黏结强度，MPa；σn—法向压应力，MPa；φ—砌缝与块材间的摩擦系数。

根据表3中的试验结果，在浇筑后的7d内，抗剪强度快速增长。对比表2，在同一法向应力作用下，随着龄期的变化，试件的抗剪强度与砂浆的粘结强度及抗压强度都呈现正相关关系。

在各龄期工况下，由于砌筑试块本身尺寸较大，采用人工凿毛的方式，使得试块砌筑表面粗糙度有差别，当法向应力施加变化较小时，剪切应力随着法向应力的增大出现减小的情况，但总体上来说，试验中的最大剪切应力随着法向应力的增大而增大，与库伦理论相吻合。

试件的砌缝抗剪极限承载力可通过试验获得，c和φ可通过对数据的统计回归得到。例如，1d的回归分析得到的量值为：c=0.083和φ=0.3743。回归所得的c=0.083，与M10砌筑砂浆试验现象相符，回归曲线如图3所示，决定系数为0.799，呈现出一定的离散型。同理可得，各龄期工况下的回归公式及相关系数，见表4。

根据表4中各龄期工况下对试件的砌缝抗剪强度进行计算，对比结果见表3。表中σ为压应力，τ、τ及Δcr分别为砌缝抗剪强度试验值、回归计算值和剪切破坏的最大位移。试验值和计算值吻合度较好，所有试件试验值与计算值的比值统计平均值为1.0001，各试件试验值和计算值的误差在2%之内，且差值均不超过0.003MPa。

图3 在1d工况下各试件的极限剪切应力试验结果和回归曲线

表4 各龄期工况中回归结果及砌筑砂浆试验值

由表4分析得出，库伦理论类型砌缝抗剪强度表达式中的摩擦系数φ随着砌筑龄期的增加而增加，抗剪断黏结力c也与龄期呈现正相关的关系。由于本试验剪切荷载采用非连续加载的方式，会造成混凝土砂浆粘结面造成疲劳损伤，因此试验数据存在一定的离散型，切向荷载与法向荷载的相关性在0.79～0.93之间。

3 抗剪强度影响因素分析

(1)砌筑砂浆龄期。试验中砌体试件的剪切破坏均表现为砂浆与混凝土之间的粘结破坏，随着龄期的增长，砂浆的强度以及砂浆与砌块之间的黏结力也越大，因此，砂浆与砌块之间的黏结抗剪强度也越高。

(2)试块的表面粗糙度。试验由于试块尺寸较大，为了提高黏结面的粗糙度，试块采用人工凿毛的方式，受人为因素的影响，使得粗糙度不均匀，各试块均无同一粗糙度，使得实测数据存在一定的离散性。

(3)剪切荷载施加方式。试验中剪切荷载采用非连续加载的方式，会对砂浆与砌块之间的粘结面造成疲劳损伤，从图5的剪切应力-位移曲线中可以看出，开始加载时位移增加速率较慢，当施加的剪切应力超过极限应力的40%时，位移的增加速率明显加快，使得试验值与计算值之间存在差距。

4 结论

(1)混凝土预制块砌体的水平砌缝破坏机理是砌筑砂浆与上部砌块界面之间的脆性破坏，最终的破坏形态是砌筑砂浆与上部砌块发生分离，形成完全的破坏界面。

(2)预制块砌体的破坏为剪摩破坏形式，通过回归曲线公式计算出的计算值与实验值吻合度较高，各试件试验值和计算值的误差在2%以内，且差值均不超过0.003MPa。砌缝的抗剪断摩擦系数φ及抗剪断黏结力c与砂浆龄期呈现正相关的关系。

(3)通过抗剪强度影响因素分析，试验中砌筑砂浆龄期、试块的表面粗糙度以及荷载施加方式是影响抗剪强度的主要因素。