带裂缝混凝土芯样性能试验研究

刘波 杨立富 武安

1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司科学试验研究院 云南 昆明 650033 2.承德宝通电力有限公司 河北 承德 067000

混凝土拱坝在浇筑完成后经常会存在很多裂缝，有些为贯穿性裂缝。裂缝的存在影响了拱坝的整体性，削弱了拱坝的刚度。为了解决这一世界性难题，采用人工造缝，形成受力薄弱面，诱导芯样试件沿50°角薄弱面破坏，以研究在轴心受压、受弯拉、受剪状态下混凝土芯样的应力-应变关系，了解芯样的裂缝发展趋势和破坏形状[1-3]。

1 试验方法

混凝土芯样力学性能试验工作按有关规程规范执行：《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）、《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）、《工程岩体试验方法》（GB/T50266-99）。

2 试验结果与分析

2.1 轴心抗压试验

2.1.1 试验技术路线

采用坝体混凝土钻芯Φ130mm芯样试件，在其中部布置与受压面成50°角的人造裂缝，人为在混凝土芯样两侧制造裂缝受力薄弱面，缝深沿直径两端分别切进20mm～30mm。在每个芯样沿裂缝缝尖方向前后对应面各贴5～6片应变片，芯样及应变片布置示意图见图1。研究小湾坝体混凝土芯样试件在有裂缝受损条件下，受单向轴压作用时的破坏形态。混凝土应力状态采集采用微机控制电液伺服万能试验机进行，应变采集采用静态应变测试系统进行，采集频率为2次/s。试验时，通过预压对试件进行纠偏后，以0.1MPa/s速度连续、均匀加荷，直至试件破坏。

图1 轴心受压试件人工制缝及应变片布置示意图

2.1.2 应力-应变关系

在轴心受压的条件下，大多数测点最大压应变均在800×10-6以上。从变形规律上看，受损芯样应力-应变变化未呈现沿造缝缝尖应力集中和应变显著增大的现象。说明带缝混凝土未损伤区域在单轴受压的应力作用下，裂缝对其延伸影响甚微。

2.1.3 裂缝发展趋势和破坏形态

试验首先对人造裂缝深度总计达到40mm（两端各20mm）的24#-1和24#-2混凝土芯样进行轴心受压试验，从芯样受力变形发展情况来看，轴心受压芯样未沿预设的50°角人工裂缝薄弱面剪切破坏，而是首先在有效受力部位薄弱点产生竖直向裂缝，并随混凝土塑性变形的增加裂缝逐渐扩展，最终整体破坏。为了进一步了解裂缝延伸对小湾坝体混凝土裂缝开展的影响范围，对24#-3和24#-4芯样人工造缝沿直径方向分别增加了10mm，使人造裂缝沿直径方向总计达到60mm（两端各30mm），受轴心抗压时，芯样仍不按50°角人工裂缝薄弱面剪切破坏，依然是沿有效受力部位薄弱点产生竖直向裂缝，并随混凝土塑性变形的增加裂缝逐渐扩展，最终整体破坏。其中编号24#-4芯样随着轴压力的增加，内部受大骨料偏心作用，极限荷载破坏时，出现了沿混凝土薄弱面偏心溃坏的现象。4块受损芯样轴心抗压极限破坏形态表现为常见的抗压破坏特征，无剪切破坏特征。

2.2 抗弯试验

2.2.1 试验技术路线

在混凝土芯样加工好的长方体试件底面中部进行人工切缝，缝深12mm～13mm，人为制造受力薄弱面，预设在受弯拉状态下试件沿人工造缝缝尖断裂破坏，每个试件对应前后两面沿人工裂缝缝尖顶端依次各贴4片应变片测量应变。压力试验机采用微机控制电液伺服万能试验机，应变仪采用静态应变测试系统，应力与应变采集频率为2次/s。试验采用水工混凝土抗弯强度简支梁三分点加荷法，以50N/s～100N/s速度连续、均匀加荷，直至试件破坏。

2.2.2 应力-应变关系

在抗弯荷载的作用下，带缝混凝土小梁未受损区域拉应变沿受拉区向受压区过度，呈现逐渐减小的趋势，应力-应变变化规律符合小梁弯曲变形的特征。4个试件中仅有1个沿人工造缝处断裂，其机理是人工造缝缝尖正好有1个约70mm的大骨料粘接薄弱界面与其衔接，当试件承受抗弯极限荷载时，粘贴于紧靠裂缝缝尖顶端对应面的两测点中，有1测点应变片已被拉坏，另1测点拉应变值达247×10-6。这一变形形式与未沿人工造缝断裂面破坏的另2个试件，拉应变值及变形规律极其相近。说明裂缝向混凝土小梁未受损区域延伸开展影响甚微。

2.2.3 裂缝发展趋势和破坏形态

从带缝试件抗弯变形和裂缝发展趋势来看，4个带缝小梁受弯曲拉变形时，有3个未从人工造缝处断裂，由试验摄像记录显示，带缝小梁弯拉破坏过程中，裂缝均沿大骨料界面处开始产生，然后扩展最终断裂。1个沿人工造缝面断裂(编号26#-3)，观察断裂破坏面发现，此带缝小梁人工造缝缝尖面正好与混凝土内部一个约70mm的骨料界面衔接，面积占断裂面约30%，从而造成沿人工造缝面断裂状态。

2.3 裂缝对混凝土芯样抗剪强度的影响

2.3.1 混凝土裂缝化灌芯样抗剪试验研究

(1) 抗剪试验成果

劈拉试验后模拟化灌的混凝土抗剪试验共进行了15组（90块试件）。峰值强度大值平均值f´为1.403，C´值为4.851MPa；平均值f´为1.314，C´值为4.019MPa；小值平均值f´为1.292，C´值为2.744MPa；残余强度大值平均值f为0.966，C值为0.668MPa；平均值f为0.867，C值为0.470MPa；小值平均值f为0.762，C值为0.379MPa；成果表明模拟化灌后的混凝土抗剪试验峰值强度较高，尤其表现在C值上。

(2) 剪切破坏特征

15组（90块试件）混凝土裂缝化灌芯样试验试块剪切破坏时均沿混凝土接触面被剪断，部分将骨料剪断或将骨料拔起；剪切破坏表现为较明显脆性破坏特征。剪断时的剪切位移值主要分布于2.0mm～5.8mm之间，平均剪切位移为4.42mm。

(3) 混凝土裂缝化灌芯样抗剪强度可靠性估值成果表

将15组（90块试件）混凝土裂缝化灌芯样抗剪试验的数据分别使用0.2分位值法和t分布概率统计法分别计算出混凝土本体芯样抗剪强度的0.2分位值及不同置信区间的下限值，计算成果见表1。

表1 混凝土裂缝化灌芯样抗剪强度可靠性成果表

2.3.2 大体积混凝土芯样抗剪试验研究

(1) 抗剪试验成果

此次研究试验中采用点群中心法对拱坝22组（109块试件）混凝土芯样抗剪试验的数据进行了回归，峰值强度平均值φ´为53.2°，C´值为4.73MPa；残余强度平均值φ为40.8°，C值为1.69MPa；峰值强度小值平均为φ´为49.8°，C´值为3.952MPa；残余强度小值平均φ为39.3°，C值为1.27MPa。

(2) 剪切破坏特征

22组（109块试件）混凝土芯样抗剪试验试块均在混凝土中破坏，只有极个别试块沿层面剪断。局部将骨料剪断或将骨料拔起；剪切破坏表现为较明显脆性破坏特征，大多数试块剪断时发出脆断响声。剪断时的剪切位移一般为2.5mm～6.5mm，平均剪切位移为4.34mm。

(3) 大体积混凝土芯样抗剪强度可靠性估值成果表

将22组（109块试件）混凝土芯样抗剪试验的数据分别使用0.2分位值法和t分布概率统计法分别计算出大体积混凝土芯样抗剪强度的0.2分位值及不同置信区间的下限值，计算成果见表2：

表2 大体积混凝土芯样抗剪试验成果可靠性成果表

2.3.3 带缝芯样抗剪试验研究

(1) 抗剪试验成果

使用最小二乘法对1组（5块）带缝混凝土芯样抗剪试验的数据进行回归分析，峰值强度φ´值为50.5°，C´值为4.52MPa，残余强度φ为42.6°，C值1.39MPa。

(2)剪切破坏特征

5块带缝混凝土芯样剪切破坏时均沿芯样开缝水平面剪断，剪切面平整，擦痕明显，部分骨料被剪断。剪切破坏表现为较明显脆性破坏特征，大多数试块剪断时发出脆断响声。剪断时的剪切位移为4.2mm～11.2mm，平均剪切位移为6.9mm。

2.3.4 裂缝对芯样抗剪强度影响研究

综合分析混凝土裂缝化灌芯样抗剪试验、大体积混凝土芯样抗剪试验和带缝芯样抗剪试验研究成果表明，带缝混凝土芯样峰值抗剪强度介于大体积混凝土芯样、混凝土裂缝化灌芯样峰值抗剪强度平均值与峰值抗剪强度小值平均值之间，带缝混凝土芯样峰值抗剪强度与混凝土裂缝化灌芯样峰值抗剪强度、大体积混凝土芯样峰值抗剪强度相比较为接近，说明裂缝的存在对周边混凝土抗剪强度并无较大影响；但从三者剪切破坏时的平均剪切变形来看，带缝混凝土芯样剪切破坏时剪切位移明显大于混凝土裂缝化灌芯样和大体积混凝土芯样剪切破坏时剪切位移，说明裂缝对混凝土芯样的变形破坏影响较大。

3 结束语

(1) 带缝(人造)芯样受单向轴心压力荷载时，裂缝均未沿预计50°角断裂面延伸，而是从有效受力薄弱点产生竖直向裂缝，即沿轴向劈力破坏。其机理为承压面约束应力集中，导致试件裂缝逐渐扩展直至整体破坏，表现为常见的混凝土芯样轴心受压破坏形态。在轴心受压的条件下，大多数测点最大压应变均在800×10-6以上。应力－应变变化未出现沿造缝缝尖顶端应力集中和应变显著增大的特征。说明带缝混凝土未损伤区域在单轴受压应力的作用下，裂缝未沿混凝土未损伤区域延伸。

(2) 在抗弯荷载的作用下，带缝混凝土小梁未受损区域拉应变沿受拉区向受压区过度，呈现逐渐减小的趋势，应力—应变变化规律符合小梁弯曲变形的特征。4个试件中仅有1个沿人工造缝处断裂，其机理是人工造缝缝尖正好有1个约70mm的大骨料粘接薄弱界面与其衔接，当试件承受抗弯极限荷载时，粘贴于紧靠裂缝缝尖顶端对应面的两测点中，有1测点应变片已被拉坏，另1测点拉应变值达247×10-6。这一变形形式与未沿人工造缝断裂面破坏的另2个试件，拉应变值及变形规律极其相近。说明裂缝向混凝土小梁未受损区域延伸开展影响甚微。

(3) 带缝混凝土芯样峰值抗剪强度与混凝土裂缝化灌芯样峰值抗剪强度和大体积混凝土芯样峰值抗剪强度相比较为接近，带缝混凝土芯样峰值抗剪强度介于两者峰值抗剪强度平均值与峰值抗剪强度小值平均值之间，说明裂缝的存在对周边混凝土抗剪强度并无较大影响。

带缝混凝土芯样剪切破坏时剪切位移明显大于混凝土裂缝化灌芯样和大体积混凝土芯样剪切破坏时剪切位移，说明裂缝对混凝土芯样的变形破坏影响较大。