大坝混凝土峰后循环加载断裂特性研究

陈辉忠

(广东城华工程咨询有限公司,广州 510710)

0 引 言

混凝土大坝容易受到地震、台风和爆炸等动态加载攻击,导致大坝混凝土处于循环加载状态。在循环载荷的作用下,大坝混凝土会产生裂纹,破坏混凝土大坝的完整性,危及大坝的正常运行,影响混凝土结构的耐久性。同时,还会给人们的生命财产带来安全风险。因此,对大坝混凝土进行循环加载试验,研究大坝混凝土的力学性能和失效机理,有助于大坝工程的建设和提高混凝土大坝的安全性能。

目前,许多学者对大坝的断裂性能开展了相关研究。徐世烺等[1]采用楔入式紧凑拉伸法,设计了最大尺寸为1 250mm×1 200mm×200mm不同高度的6组共36个试件,试验研究双K断裂参数,并验证了该方法是一种操作简单且稳定的断裂试验方法,可作为预测混凝土结构裂缝发展状态的控制阀值。胡少伟等[2]设计了不同截面高度的20个楔入劈拉试件进行混凝土断裂试验,结果表明,起裂断裂韧度基本不受试件高度变化的影响,失稳断裂韧度在试件截面高度低于500mm时表现出一定的尺寸效应,当试件截面高度大于500mm时其值趋于稳定。范向前等[3]通过非标准混凝土三点弯曲梁试验,采用双K断裂理论计算方法,研究了不同初始裂缝长度和截面高度试件的有效裂缝长度和断裂韧度,结果表明,有效裂缝长度和起裂荷载随着跨高比减小而增大,而裂缝扩展量和断裂韧度与跨高比无关。吴智敏等[4]利用虚拟裂缝模型和线弹性断裂力学,通过楔入劈拉试件的最大荷载和裂缝口张开位移,求解混凝土裂缝亚临界扩展量的解析解,计算出楔入劈拉混凝土试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和临界裂缝尖端张开位移,并发现当试件高度大于400mm时,这些断裂参数与试件高度无关。赵艳兵等[5]对含有预制切口的混凝土试件梁进行三点弯曲试验,测量试件梁跨中挠度,通过荷载-挠度曲线计算混凝土断裂能,结果表明,试件尺寸越大,断裂能越高,P-δ曲线峰值也越高。

本文对某大坝施工现场混凝土在峰后循环加载下进行不同加载速率的楔形劈裂试验,研究大坝混凝土的断裂行为,使用AE实时监测大坝混凝土的断裂过程,分析不同循环载荷下大坝混凝土的力学性能和AE特征。

1 材料及试验方法

1.1 试验材料

准备大坝混凝土样品。混凝土混合料中,使用42.5级普通硅酸盐水泥、一些二级粉煤灰、均匀级配的河沙、5～20mm的小碎石、20～40mm的中碎石和40～80mm的大碎石,并添加聚羧酸减水剂,以获得良好的流动性。大坝混凝土的配合比见表1。混凝土混合料倒入边长为300mm的立方模具中,成型试件在24h后取出,在温度为20℃、相对湿度高于95%的恒温箱中养护28天。试验前,预制一条宽2mm、长为试件高度0.4倍的预裂缝。

表1 大坝混凝土配合比

混凝土的制备模具采用钢模,在钢模中完成浇筑后进行持续28天的天然养护后即可开始试验。通过试验测量,得到同样养护时长的湿筛二级配混凝土伴随试样的轴压强度、劈拉强度、抗压强度以及弹性模量分别为28.0、2.6、39.1以及39.9GPa。

1.2 楔劈试验方法

通过MTS322试验机,对大坝混凝土试件进行楔形劈裂试验。施加的垂直载荷通过楔形加载框架和力传递板上的滚子,转换为试件上的水平载荷P。根据平衡条件,水平载荷P与垂直载荷Pv之间的关系如下:

式中:θ为楔角,取15°。

本文使用裂缝口张开位移(CMOD)来控制加载过程。为了研究加载速率对大坝混凝土后峰循环断裂性能的影响,对大坝混凝土试件进行加载速率为0.001和0.01mm/s的楔形劈裂试验。试验中,使用恒定的CMOD步长来实现后峰循环加载和卸载过程。当大坝混凝土试件的CMOD达到0.2mm时,以0.2kN/s的速率开始卸载;然后进行第二次循环加载,当CMOD达到0.3mm时开始卸载。以CMOD为0.1mm的间隔进行循环加载和卸载。经过9个循环后,试件单调加载,直至完全破坏。

1.3 声发射试验方法

本文声发射参数使用美国物理声学公司生产的Sensor Highway II 8通道采集系统收集。设定的阈值为35dB,前置放大器增益35dB,滤波频率1～60kHz。4个声发射传感器固定在大坝混凝土试件的前后面,试件和传感器表面涂抹适量凡士林,用胶带固定。

2 试验结果及分析

2.1 P-CMOD曲线

图1为大坝混凝土在不同加载速率下循环加载的P-CMOD曲线。

图1 后峰循环加载下的P-CMOD曲线

图1中,峰值载荷随着加载速率的增加而增加,表明大坝混凝土对断裂行为具有显著的速率效应。后峰循环加载下,P-CMOD曲线外轮廓线的斜率随着加载速率的增加而逐渐减小,表明材料的脆性随着加载速率的增加而变得更加明显。同时,随着循环次数的增加,P-CMOD曲线卸载曲线的斜率逐渐减小,呈现出刚度退化现象。此外,大坝混凝土的刚度退化随着加载速率的增加而变得更加严重,见图2。

图2 大坝混凝土在循环加载下的刚度退化

图3为CMOD-时间曲线。从图3可以看出,随着循环次数的增加,每个循环中卸载后CMOD的减小量逐渐减小。而且随着加载速率的增加,在同一循环中CMOD的减小量更少,即随着加载速率的增加,大坝混凝土的断裂破坏更加严重。加载速率为0.001mm/s时,每个循环闭合后的CMOD都小于前一个循环的最大CMOD;加载速率为0.01mm/s时,第八个循环载荷作用下,循环闭合后的CMOD开始大于前一个循环的最大CMOD,这是因为不可逆形变随着加载速率的增加而增加[6-7]。

图3 不同循环加载速率下的CMOD-时间曲线

2.2 AE特征

累积AE计数通常用于评估声发射活动。图4为不同循环加载速率下的载荷和累积AE计数-时间曲线。两种不同加载速率下,大坝混凝土的累积AE计数曲线的趋势基本相同,呈阶梯式增长趋势。AE计数主要集中在加载阶段。每个循环中,累积AE计数在峰值载荷附近开始增加,并在卸载点附近保持恒定。这是因为在初始加载阶段,大坝混凝土中只出现少量微裂纹,AE信号较弱。随着加载过程,微裂纹数量增加,AE信号增加,累积AE计数增加。在卸载阶段,随着载荷的减小,一些裂纹关闭,AE信号较弱,累积AE计数基本保持不变。直到下一个循环加载阶段,随着载荷的增加,裂纹开始再次扩展,微裂纹继续出现并转化为宏观裂纹,AE信号增强,累积AE计数继续增加。

图4 不同循环加载速率下的载荷和累积AE计数-时间曲线

此外,两种加载速率下,每个循环载荷中累积AE计数的起始增长点和最大点对应的载荷不同。当加载速率为0.001 mm/s时,累积AE计数的初始增长点出现在本周期峰值载荷之前。随着循环次数的增加,累积AE计数的初始增长点更接近峰值载荷点。每个循环的累积AE计数的最大值点对应于最低卸载点。加载速率为0.01mm/s时,累积AE计数的初始增长点基本在峰值载荷点处,每个循环中累积AE计数的最大点基本在卸载点处。

AE信号主要在循环加载阶段的裂纹闭合和新裂纹的形成过程中产生。加载速率越快,大坝混凝土内部微裂纹的形成和扩展时间越短,AE计数越少,损伤累积越小。因此,当加载速率较低时,在达到峰值载荷之前,微裂纹和损伤已经开始萌芽,累积AE计数开始上升。在卸载阶段,裂纹关闭,导致AE信号较少。同时,在卸载阶段累积AE计数的数量基本稳定。根据累积AE计数的增长过程曲线,可以反映大坝混凝土中的损伤和破坏。水平线段表示AE信号数量较少,裂纹处于闭合状态。增长阶段表示裂纹重新扩展,并发展新裂纹。在峰后循环加载下,以0.001mm/s的加载速率,每个循环载荷达到峰后约90%时,有大量裂纹扩展。与0.01mm/s的加载速率相比,0.001mm/s的加载速率下裂纹的发展更早。

3 结 论

本文对大坝混凝土在峰后循环加载下进行了不同加载速率的楔形劈裂试验,以研究大坝混凝土的断裂行为,并分析了不同循环载荷下大坝混凝土的力学性能和AE特征。结论如下:

1)大坝混凝土的断裂具有显著的速率效应。随着加载速率的增加,峰值载荷增加,峰后P-CMOD曲线的斜率逐渐减小,大坝混凝土的刚度退化严重。

2)当加载速率为0.001mm/s时,累积AE计数的初始增长点出现在本周期峰值载荷之前;随着循环次数的增加,累积AE计数的初始增长点更接近峰值载荷点;每个循环的累积AE计数的最大值点对应于最低卸载点。

3)当加载速率为0.01mm/s时,累积AE计数的初始增长点基本在峰值载荷点处;每个循环中累积AE计数的最大点基本在卸载点处。