高強度大體積混凝土材料特性研究

　　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(dāng)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(dāng)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。

　　1.4　開裂機制與裂縫擴張穩(wěn)定性判別準則

　　從細觀分析，混凝土是一種多相復(fù)合介質(zhì)，由于各種內(nèi)外原因，內(nèi)部總是存在一些細微裂隙和缺陷。這些細微裂隙本質(zhì)上是不連續(xù)的，是隨機偶然發(fā)生的，在外界環(huán)境改變（如溫度、濕度、荷載、動力等）及基礎(chǔ)沉降等作用下，就會發(fā)展、擴大、貫通，直到產(chǎn)生宏觀斷裂失穩(wěn)。混凝土的破壞過程，實際上就是這些內(nèi)部裂隙的萌生、發(fā)展、擴張、貫通直至失穩(wěn)的過程，是一種局部應(yīng)力現(xiàn)象。對設(shè)計而言，重要的是需要判斷裂縫擴展的可能性、擴展條件、擴展后果以及如何防止擴展等。而損傷－斷裂力學(xué)正是研究混凝土裂縫擴展行為及其發(fā)展過程的有力分析手段。

　　如何在實際工程設(shè)計中引入損傷－斷裂因素進行應(yīng)用分析，這在國內(nèi)外都只是處于起步階段。大壩開裂可以代表一種局部破壞，它預(yù)示將來可能導(dǎo)致大壩工作的失效，因此，開展大體積混凝土損傷－斷裂特性的研究，是正確評價大壩的安全和耐久性所必須的。

　　2　高強度大體積混凝土研究內(nèi)容與方法

　　2.1　配合比優(yōu)化研究

　　(1)結(jié)合二灘工程，開展大體積混凝土原材料（水泥、骨料、摻合料及外加劑）的品質(zhì)因素、摻量及組合對大體積混凝土的抗壓、抗裂性能的分析，確定大體積混凝土抗裂性指標評估的數(shù)學(xué)模型，建立混凝土配合比設(shè)計與抗裂指標的關(guān)系。

　　(2)總結(jié)以往的資料，在試驗研究的基礎(chǔ)上，以混凝土的強度、變形和抗裂等性能為綜合指標，建立配合比設(shè)計資料數(shù)據(jù)庫，并編制混凝土抗裂優(yōu)化配合比設(shè)計程序。

　　(3)結(jié)合二灘工程施工，選擇最優(yōu)配合比，用編制的程序驗證其抗裂性能，并通過澆筑塊溫度應(yīng)力的核算，驗證所推薦配合成分的合理性，使其符合大體積混凝土應(yīng)具有高強、中彈、低熱的要求。

　　2.2　動態(tài)強度特性研究

　　(1)進行混凝土在動力(地震)荷載作用下的破壞機制研究。通過改變應(yīng)變速率、低周反復(fù)加載、在振動臺上模擬加載過程等試驗方法的研究，確定混凝土材料動參數(shù)的仿真試驗方法。

　　(2)在試驗基礎(chǔ)上，提出大體積混凝土在地震荷載作用下，材料的極限強度（拉、壓）、動彈性模量與泊松比、比例極限與屈服極限及動態(tài)斷裂參數(shù)。

　　(3)初步提出拱壩抗震設(shè)計有關(guān)參數(shù)及抗震強度設(shè)計準則。

　　2.3　全級配混凝土試件特性的試驗研究

　　(1)進行全級配混凝土試件的標準試驗方法研究，包括試件形狀、尺寸、成型工藝、養(yǎng)護條件、加載方式等。通過試驗研究，提出全級配混凝土試驗標準的建議。

　　(2)開展全級配混凝土試件的系列性試驗。確定混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段范圍內(nèi)的各種特征點，以及它們與濕篩小試件之間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

　　(3)開展對全級配試件試驗資料的小子樣統(tǒng)計技術(shù)研究，以便從小子樣或極小子樣資料推斷大體積混凝土的本構(gòu)關(guān)系。

　　(4)采用細觀力學(xué)的分析方法，對混凝土宏觀力學(xué)特性進行計算機模擬。此研究可作為擴大樣本的另一手段，也可作為推斷大小試件之間函數(shù)關(guān)系的一種輔助方法，以及作為多軸全級配試驗的替代手段。

　　(5)根據(jù)試驗成果，提出大體積混凝土容許使用強度和強度設(shè)計準則。

　　2.4　損傷—斷裂特性研究

　　(1)系統(tǒng)開展混凝土損傷—斷裂特性的試驗研究。根據(jù)實驗成果，探求混凝土的損傷、斷裂機理，確定復(fù)合型裂縫擴展的宏觀判據(jù)和開裂評估標準，建立能反映大體積混凝土損傷斷裂特性的本構(gòu)關(guān)系。

　　(2)用細觀力學(xué)理論模型分析損傷的擴展，建立裂縫擴展模型。用分數(shù)維理論建立裂縫尖端過程區(qū)的損傷特性、過程區(qū)與斷裂能、斷裂韌度的關(guān)系，以及用分數(shù)維方法建立非線性斷裂能的尺寸效應(yīng)。

　　(3)通過對概率模型和分布模型的分析，推斷大體積混凝土的斷裂參數(shù)，以解決單一型和復(fù)合型斷裂韌度的尺寸效應(yīng)。

　　(4)用損傷斷裂理論探討大壩澆筑塊溫控標準。

　　(5)研究三維非線性損傷－斷裂有限元分析程序；核算二灘大壩壩踵開裂可能性及開裂后的穩(wěn)定性，并進一步探討高拱壩壩踵開裂機理。

　　3　主要成果

　　3.1　在我國首次建立了高拱壩混凝土抗裂優(yōu)化配合比設(shè)計系統(tǒng)

　　該配合比的設(shè)計系統(tǒng)主要有兩大特點：一是以提高壩體混凝土抗裂性能為主要目標，通過配合比的調(diào)整，提高混凝土的綜合性能，改變了過去以強度指標和耐久性為目標的傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法；二是通過計算機的分析計算來代替大量的試驗室拌和工作，初步尋求較合理的混凝土各組分的配合比例，以滿足高拱壩的特殊需要。該優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)主要包括三個部分：

　　(1)在研究了壩體混凝土合理的抗裂性能評估指標的基礎(chǔ)上，建立起混凝土各組分的品質(zhì)、含量與抗裂評估指標之間影響關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。該模型反映了混凝土抗裂有利的和不利的各種因素，綜合體現(xiàn)了在不計入環(huán)境條件（氣溫、基礎(chǔ)約束等）下，混凝土自身抵抗水化熱溫度應(yīng)力的能力。

　　(2)通過對以往工程資料的分析與總結(jié)，建立了混凝土配合比設(shè)計的資料數(shù)據(jù)庫，供配合比設(shè)計時調(diào)用。

　　(3)以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在豐富的數(shù)據(jù)資料庫支持下，研制了我國第一個大體積混凝土抗裂配合比設(shè)計程序。該程序采用菜單結(jié)構(gòu)和功能選擇方式，模塊化拼裝，通過人機對話干預(yù)分析計算，具有混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)的雛形。該設(shè)計系統(tǒng)可在有資料或缺資料（借用資料庫資料）情況下，用計算機選擇符合高拱壩設(shè)計要求的混凝土最優(yōu)配合比，可對已知配合比成分進行優(yōu)劣評價。這在國內(nèi)外均屬開創(chuàng)性的研究。該程序還針對二灘工程施工與監(jiān)理的需要，推薦了優(yōu)化的混凝土配合比，通過對壩塊溫度應(yīng)力的核算，驗證了推薦配合比的合理性。

　　3.2　在國內(nèi)首次對地震作用下壩體混凝土特性參數(shù)進行了試驗研究

　　(1)在總結(jié)國內(nèi)外資料和大量摸索試驗的基礎(chǔ)上，提出了改變應(yīng)變速率、低周循環(huán)加載和在振動臺上模擬結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)等探求材料動力參數(shù)的試驗方法。本次試驗研究的關(guān)鍵是為了獲得動態(tài)應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程曲線，以及真實模擬動應(yīng)力。此應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)物因地震反應(yīng)激發(fā)的自身慣性力效應(yīng)，這種效應(yīng)有別于沖擊荷載，也不同于疲勞荷載。

　　(2)通過試驗研究，探討了在地震作用下，混凝土動態(tài)強度、彈性模量、泊松比、阻尼等特性參數(shù)的變化規(guī)律，以及動力破壞機理和試件尺寸效應(yīng)等。

　　(3)在試驗研究基礎(chǔ)上，提出混凝土動參數(shù)取值建議。研究表明，大體積混凝土動強度提高幅度與加載速率、建筑物結(jié)構(gòu)形狀、結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特性有關(guān)。當(dāng)大壩自振頻率在1Hz左右時，目前規(guī)范建議的混凝土動強度可比靜強度提高30％的指標是偏于不安全的。

　　3.3　完成了全級配混凝土破壞全過程的仿真性研究

　　(1)首次制定了全級配混凝土試件的標準試驗方法，為統(tǒng)一我國大壩全級配混凝土試驗、建立我國全級配混凝土試驗規(guī)程奠定了基礎(chǔ)。

　　(2)首次全面、系統(tǒng)地進行了全級配混凝土試件的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)^程（主要是硬化上升段過程）的試驗研究，提出了大體積混凝土容許使用強度的建議，為深入開展按正常使用極限平衡條件評價大壩強度設(shè)計法提供了可靠的依據(jù)。

　　(3)全級配混凝土試驗資料的小子樣統(tǒng)計分析方法研究，從理論上解決了大試件的最小樣本容量問題，同時也解決了借助小試件資料推斷大試件特性的置信限問題，為今后繼續(xù)開展全級配混凝土研究提供了科學(xué)的統(tǒng)計分析手段。

　　(4)探索了混凝土力學(xué)特性的計算機模擬技術(shù)，研制了模擬混凝土宏觀力學(xué)特性的計算模型和計算程序，開辟了混凝土試驗與計算機模擬相結(jié)合的研究途徑，在較少試驗基礎(chǔ)上，即可獲得可信的試驗成果，有助于對混凝土材料特性的研究和認識。

　　(5)建立了考慮試件尺寸影響的主應(yīng)力空間與八面體應(yīng)力空間的雙軸拉壓狀態(tài)破壞準則，對高拱壩按雙軸強度設(shè)計和制定拱壩宏觀容許拉應(yīng)力有重要的參考價值。

　　3.4　豐富了混凝土損傷斷裂理論

　　壩踵開裂可能性及開裂后裂縫演化和穩(wěn)定性的追蹤判斷分析，是本項研究的關(guān)鍵技術(shù)。研究成果主要反映在：

　　(1)從理論上（包括細觀力學(xué)理論模型）分析探討了混凝土損傷－復(fù)合斷裂的裂縫尖端過程區(qū)的損傷特性、演化模型、本構(gòu)方程、失效模型和強度理論，為大壩壩踵開裂分析計算提供了理論依據(jù)。

　　(2)通過系列試驗、概率模型與分布模型的統(tǒng)計推斷、復(fù)合型斷裂能分離、分形幾何理論運用等不同的途徑與方法，解決了斷裂能與斷裂韌度的尺寸效應(yīng)問題，得出了能反映大體積混凝土各種損傷—復(fù)合斷裂的參數(shù)與本構(gòu)關(guān)系，解決了將斷裂力學(xué)實際運用于水工建筑物進行損傷—斷裂—裂縫擴展的追蹤分析。

　　(3)研制了大壩開裂分析的損傷—斷裂三維非線性有限元程序（位移協(xié)調(diào)開裂元子結(jié)構(gòu)有限元分析程序）和藕合損傷—斷裂有限元分析程序。這批程序與通常的三維非線性有限元程序的根本區(qū)別就在于，充分考慮了材料軟化特性的影響，即在微裂紋區(qū)反映傳遞應(yīng)力效應(yīng)，因此更能反映混凝土受力特性。

　　(4)結(jié)合二灘工程運用損傷—斷裂力學(xué)理論，探討了混凝土澆筑塊溫度控制標準問題，并開發(fā)了不穩(wěn)定溫度場、溫度徐變應(yīng)力、非線性斷裂力學(xué)及損傷力學(xué)的有限元分析程序。分析表明，采用損傷—斷裂力學(xué)分析時，容許溫差可適當(dāng)放寬。

　　(5)結(jié)合二灘工程，對二灘拱壩壩踵穩(wěn)定性進行了核算。計算表明：二灘拱壩上游壩踵局部開裂是難以避免的；壩踵開裂最大深度約為壩底寬的1／6，不會危及防滲設(shè)施；上游壩踵局部開裂對大壩強度安全和整體穩(wěn)定沒有任何影響。上述計算結(jié)果比過去非線性有限元分析更可靠，對最終評定二灘拱壩強度與穩(wěn)定安全都有極大的指導(dǎo)作用。

　　3.5　發(fā)展和提高了混凝土材料的試驗技術(shù)

　　本研究以宏觀與細觀的試驗為基礎(chǔ)，而試驗又以全級配混凝土試件為主、以應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程為主，因此試驗技術(shù)與量測技術(shù)的難度較大。如65cm立方體試件的單軸受壓全過程試驗與量測、45cm×45cm×250cm試件的軸拉全過程試驗、90cm×45cm×420cm試件的三點彎曲斷裂試驗、壓汞測孔技術(shù)量測混凝土的細觀孔隙、斷裂微裂縫區(qū)長度的實測等，在國內(nèi)均是首次或少見的。

　　4　結(jié)　語

　　本研究是針對二灘工程的一些關(guān)鍵技術(shù)問題而開展的，一些材料試驗主要也是結(jié)合二灘施工進行的，例如骨料品質(zhì)因素影響、混凝土優(yōu)化配合比、壩踵開裂穩(wěn)定性復(fù)核等，因此，部分中間研究成果已經(jīng)在施工中得到應(yīng)用。

　　混凝土骨料品質(zhì)因素影響分析試驗表明，粗骨料采用基礎(chǔ)開挖棄料（采用合格棄渣料為二灘招標文件所肯定），每立方米混凝土需多用約20kg膠凝材料。

　　在配合比優(yōu)化設(shè)計中，推薦配合比對確定二灘混凝土配合比有指導(dǎo)與參考作用。目前，二灘工程采用的混凝土配合比，接近于所推薦的優(yōu)化配合比，與二灘招標文件推薦的配合比相比，每立方米混凝土水泥用量減少了約35kg，且混凝土綜合性能得到改善。

　　壩踵開裂斷裂分析核算表明，二灘大壩設(shè)計合理，大壩強度安全得到保證，整體穩(wěn)定基本不受壩踵局部開裂影響。