高強度大體積混凝土材料特性研究

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混凝土是一種由多相介質(zhì)組成的復(fù)合材料，具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性的特點，在荷載作用下，其力學(xué)性質(zhì)、變形和破壞機理有很大離散性，并存在試件的尺寸效應(yīng)，這也正是大體積混凝土材料特性研究的困難所在。就高拱壩而言，對混凝土材料特性的準確評價和合理利用，將極大地關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟性。全面深入地開展大體積混凝土的力學(xué)、變形、抗裂性能等特性研究，對高拱壩壩踵的開裂機制和損傷斷裂機理進行探討，可為高拱壩的設(shè)計和施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)，并將對拱壩設(shè)計方法的完善和改進、保證工程質(zhì)量、提高大壩安全度、節(jié)約混凝土原材料，節(jié)約工程投資都具有重大意義。 
    1、高強度大體積混凝土研究課題 
    拱壩強度安全的正確評價，必須從材料（混凝土、壩基巖體）的抗力特性與荷載作用效應(yīng)的仿真性研究著手。從目前大壩建設(shè)發(fā)展趨勢分析，下述一些問題，還需進一步研究。 
    1.1　裂縫防治 
    近代高拱壩建設(shè)發(fā)展趨勢表明：壩越來越高，拱圈弧度越來越平，壩體斷面越來越薄，混凝土澆筑強度日益加大，澆筑倉面面積也不斷增加。所有這些變化都使壩體和混凝土澆筑塊的應(yīng)力增高，混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性及裂縫擴展的危險性亦加大。為了減少和防止大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的可能性，通常從兩方面著手，一是提高混凝土材料本身的抗力特性，二是減小外力、溫度、約束等作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的效應(yīng)。改善混凝土材料本身抗力特性首先應(yīng)研究混凝土各組分對抗力特性的影響，通過混凝土各組分的品種與質(zhì)量選擇、最佳摻量、最佳組合、最佳配合比等項目的確定，達到提高混凝土材料自身抗裂能力和變形性能的目的。即改變目前混凝土配合比主要以強度、抗?jié)B及耐久性為目標的設(shè)計方法，提出以抗裂為核心，全面改善混凝土各種物理力學(xué)性能的配合比優(yōu)化設(shè)計方法，以適應(yīng)高拱壩建設(shè)的各種特殊要求。 
    1.2　在地震作用下的力學(xué)與變形特性參數(shù)的確定 
    現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展，已完全有可能對地震作用下的壩－地基－庫水共同作用的地震響應(yīng)作出精確求解，但精度與仿真性卻受到兩方面的制約：一是當遠場地基深部產(chǎn)生地震后，震波通過介質(zhì)的傳播，受到反射、折射及不均勻介質(zhì)與不規(guī)則地形的影響，壩址河谷地區(qū)地震地面運動呈非均勻分布，因此應(yīng)選用正確的計算模型來合理地反映地震地面運動的非均勻變化；另一個制約因素是對大體積混凝土在地震作用下的強度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系還不十分了解，以往設(shè)計只能沿用國外依據(jù)少量試驗所確定的資料（如動強度可提高30％，動彈性模量可提高50％等），并基于經(jīng)驗安全系數(shù)設(shè)計法來評價大壩抗震安全度。國內(nèi)對混凝土材料強度與變形的動參數(shù)研究不多，且處于起始階段，動載作用下混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系與斷裂特性研究尚屬空白，通常用于高拱壩的一些材料動參數(shù)的合理性也難以通過工程實踐來驗證。 
    我國高拱壩大多擬建于西南、西北地區(qū)，而這兩個地區(qū)均屬我國強震多發(fā)區(qū)，因此開展對混凝土材料在地震作用下的應(yīng)力應(yīng)變特性研究，制定切合實際的高拱壩抗震安全度評價準則，是高拱壩建設(shè)所急待解決的一項關(guān)鍵技術(shù)。 
    1.3　力學(xué)與變形的仿真 
    目前，拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的經(jīng)驗安全系數(shù)設(shè)計法，要求壩體最大應(yīng)力小于某一容許應(yīng)力值，容許應(yīng)力等于某一標準混凝土試件在預(yù)定齡期的極限強度（拉、壓）除以一個經(jīng)驗安全系數(shù)。經(jīng)驗安全系數(shù)K是隨標準試件的尺寸和形狀不同而異，亦隨科技水平及施工水平的變化而變化。因此，采用容許應(yīng)力法進行拱壩設(shè)計，用經(jīng)驗安全系數(shù)評價大壩的強度安全，并不需要開展對全級配混凝土大試件的強度特性研究，因為安全系數(shù)中已包含了試件尺寸效應(yīng)和粒徑效應(yīng)的影響。這種單一的、粗略的經(jīng)驗安全系數(shù)，并不能反映大壩混凝土真實的抗力安全度，只能是一種數(shù)值上的安全感，它束縛了拱壩設(shè)計水平的提高。 
    當前，對大壩安全度的評價的趨勢是向半經(jīng)驗、半理論的設(shè)計方法過渡，用正常使用極限狀態(tài)的平穩(wěn)條件來評價大壩的安全。大壩強度破壞準則是控制在使大壩產(chǎn)生大變形或壩體裂縫開始擴展時，即大壩失效定義于材料（混凝土、巖基）產(chǎn)生塑性開裂、裂縫擴展，或是材料處于累積損傷狀態(tài)。材料的極限容許使用強度，只能是其極限強度（峰值強度）的某一分數(shù)限值。因此，仿真的破壞全過程研究，材料的本構(gòu)關(guān)系以及定義于大體積混凝土正常工作狀態(tài)失效的極限容許使用強度的確定，就成為大壩安全評價必不可少的基本參數(shù)。 
    高拱壩設(shè)計的另一個趨勢是，既然高拱壩開裂較難避免，關(guān)鍵是要嚴格控制壩體裂縫的擴展。拱壩局部拉應(yīng)力超過控制標準并不會導(dǎo)致大壩立即失效，只要裂縫是穩(wěn)定的，大壩仍能安全運行。三維非線性有限單元法提供了開裂分析的手段，但分析成果的可靠性又依賴于對材料所假定的本構(gòu)模型，以往用通過濕篩處理后的混凝土小試件試驗資料推出的混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，難以仿真大體積混凝土受載的性態(tài)。因此，開展對全級配混凝土試件強度和變形特性的宏觀研究，建立大小試件之間在破壞過程中各種特征點，如線彈性點、屈服點、峰值點的函數(shù)對比關(guān)系也就顯得特別重要。