姚海濤

(楊凌新華水務(wù)有限公司，陜西 楊凌 712100)

大壩混凝土的斷裂特性對(duì)于大壩的設(shè)計(jì)、施工以及安全監(jiān)測(cè)具有重要的意義[1]。大壩混凝土多采用三級(jí)配或四級(jí)配混凝土，由于大壩混凝土中粗骨料粒徑較大，所以運(yùn)用試驗(yàn)的方法測(cè)定大壩混凝土拉伸斷裂性能所需要的物理試件較大，使得物理試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備與方法的要求較高。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的規(guī)范規(guī)定采用濕篩混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn)，將此指標(biāo)視為水工大骨料混凝土的力學(xué)指標(biāo)。由于原級(jí)配混凝土與濕篩混凝土骨料含量的不同，導(dǎo)致了兩者之間的力學(xué)性能存在著明顯的差異。

為了獲取水工全級(jí)配混凝土力學(xué)性能指標(biāo)與全級(jí)配混凝土和濕篩混凝土的力學(xué)性能差異，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了一些研究。鄭丹[2]從抗壓軸拉劈拉等角度研究了最大骨料粒徑對(duì)全級(jí)配混凝土與濕篩混凝土抗拉、抗壓差異的原因。朱敏敏等[3- 8]利用物理實(shí)驗(yàn)的方法研究了原級(jí)配與濕篩混凝土的斷裂力學(xué)參數(shù)。Elices M及Meddah M S等[9- 10]一些學(xué)者研究了粗骨料的顆粒級(jí)配和最大粒徑對(duì)混凝土性能的影響。朱萬(wàn)成、劉廣延等[11- 12]運(yùn)用數(shù)值模型的方式模擬了混凝土拉伸斷裂過(guò)程及尺寸效應(yīng)對(duì)特定混凝土斷裂參數(shù)的影響。目前針對(duì)大壩混凝土與濕篩混凝土的研究大多集中在利用物理方法對(duì)兩者的斷裂性能與其差異進(jìn)行評(píng)價(jià)[13- 15]，且大多集中在對(duì)于某一特定配合比下的情況。由于物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的較高要求，所以試件數(shù)量通常較少，難以獲取具有普遍規(guī)律的分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1 混凝土細(xì)觀有限元計(jì)算模型

本文采用基于“取和放”的隨機(jī)骨料模型[16]進(jìn)行水工全級(jí)配與濕篩混凝土細(xì)觀隨機(jī)結(jié)構(gòu)的生成。本文針對(duì)C20三級(jí)配的全級(jí)配混凝土及其對(duì)應(yīng)的濕篩混凝土試件，骨料含量分別為40%、45%、50%，分析不同骨料含量下的全級(jí)配混凝土與濕篩混凝土的斷裂性能的差異。對(duì)于每種混凝土試件，平面尺寸定為300mm×300mm，骨料級(jí)配取為小骨料：中骨料：大骨料=30∶30∶40，由此，可推求與原級(jí)配所對(duì)應(yīng)的濕篩混凝土試件(平面尺寸為150mm×150mm)的骨料含量與級(jí)配。由于水工全級(jí)配混凝土的粗骨料多為碎石，本文在生成混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的過(guò)程中將骨料視為多邊形進(jìn)行模擬，并將砂漿看作均勻連續(xù)材料，每個(gè)骨料的尺寸增加一個(gè)固定的值作為界面過(guò)渡區(qū)。圖1所示為生成的典型三級(jí)配C20-40%試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)，圖中多邊形代表骨料。

圖1 全級(jí)配和濕篩混凝土試件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)

在混凝土的模擬過(guò)程中，假定骨料為彈性材料，力學(xué)行為用各向同性的線彈性模型進(jìn)行刻畫(huà)，且在破壞過(guò)程中認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生損傷破壞。砂漿假定為均勻連續(xù)材料，界面過(guò)渡區(qū)位于骨料與砂漿之間，且性能弱于骨料與砂漿。我們利用ABAQUS中的塑形損傷模型(CDP)[17]來(lái)模擬砂漿和界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能。由于界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能弱于砂漿，其力學(xué)參數(shù)取為砂漿參數(shù)的75%[18]。由于尺寸效應(yīng)，大骨料(粒徑≥40mm)周圍的界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度相對(duì)于小骨料(5mm≤粒徑<40mm)周圍的界面過(guò)渡區(qū)更低，所以在生成過(guò)程中取大骨料周圍界面過(guò)渡區(qū)為小骨料周圍的0.8倍[19]。為了更為準(zhǔn)確的得到砂漿與界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)參數(shù)，我們運(yùn)用參數(shù)反演的方式進(jìn)行確定。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]中給出的C20混凝土單軸受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用異步粒子群優(yōu)化算法[21]將砂漿與界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)參數(shù)確定見(jiàn)如表1。

表1 細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

2 MonteCarlo模擬

由于混凝土結(jié)構(gòu)存在隨機(jī)性，所以不同混凝土試件所呈現(xiàn)出來(lái)的斷裂參數(shù)也存在隨機(jī)性，這就導(dǎo)致了少量的數(shù)據(jù)不能揭示出原級(jí)配試件與濕篩試件斷裂性能的差異。本文采用MonteCarlo模擬的方式進(jìn)行大量數(shù)值試驗(yàn)，用均值代表一類試件的斷裂參數(shù)。本文對(duì)每一種類型的原級(jí)配與濕篩試件進(jìn)行30次模擬試驗(yàn)，對(duì)C20骨料含量為50%的試件進(jìn)行30次試驗(yàn)?zāi)M之后可知，當(dāng)樣本數(shù)量超過(guò)30時(shí)，混凝土拉伸斷裂性能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)均值基本上保持不變，如圖2所示。

圖2 試件平均參數(shù)隨試驗(yàn)組數(shù)變化情況

3 成果分析

通過(guò)大量數(shù)值模擬得到了不同骨料含量下的原級(jí)配試件與濕篩試件在單軸拉伸下的應(yīng)力—應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表2。

3.1 骨料含量對(duì)原級(jí)配與濕篩試件彈性模量的影響

由表2可知，隨著C20混凝土骨料含量的增加，原級(jí)配試件與濕篩試件的彈性模量都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。原級(jí)配試件的彈性模量明顯大于濕篩試

表2 宏觀拉伸斷裂參數(shù)指標(biāo)量值及比值

件，而且骨料含量的增大對(duì)原級(jí)配試件彈性模量影響更大，所以原級(jí)配試件與濕篩試件彈性模量的比值隨之增大。這是由于原級(jí)配試件中的骨料含量大于濕篩，所以骨料含量的增大對(duì)于原級(jí)配試件彈性模量的影響更大，即原級(jí)配試件與濕篩試件彈性模量的比值增大。

3.2 骨料含量對(duì)原級(jí)配與濕篩試件峰值應(yīng)力的影響

隨著骨料含量的增大，原級(jí)配試件與濕篩試件的峰值應(yīng)力都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但是減小的幅度較小?？刂苹炷猎嚰逯祽?yīng)力的主要因素是薄弱面的強(qiáng)度，而隨著骨料的增多，薄弱層相互之間形成協(xié)同受力的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了試件整體呈現(xiàn)出的峰值應(yīng)力降低。由于大骨料周圍的薄弱層的強(qiáng)度相對(duì)于小骨料周圍的薄弱層低，而濕篩中不存在大骨料，所以相同骨料含量的原級(jí)配試件的峰值應(yīng)力小于濕篩試件的峰值應(yīng)力，即二者比值均小于零。但是對(duì)于一定骨料含量的試件，濕篩試件相對(duì)于原級(jí)配試件所篩除的骨料含量占比是相同的，所以篩除大骨料以后，試件所增大的峰值應(yīng)力百分比相同，也就是原級(jí)配試件與濕篩試件峰值應(yīng)力的比值不變。

3.3 骨料含量對(duì)原級(jí)配與濕篩試件峰值應(yīng)變的影響

隨著C20混凝土骨料含量的增加，原級(jí)配試件與濕篩試件的峰值應(yīng)力都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。這是由于應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為：

式中，εt—峰值拉伸應(yīng)變；ft—峰值抗拉強(qiáng)度；Et—彈性模量。而隨著骨料含量的增加，原級(jí)配試件與濕篩試件的彈性模量均減小，峰值應(yīng)力幾乎不變或變化較小，且原級(jí)配試件與濕篩試件彈性模量比值較小，峰值應(yīng)力比值幾乎不變，所以二者的峰值應(yīng)變比值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

3.4 骨料含量對(duì)原級(jí)配與濕篩試件斷裂能的影響

原級(jí)配試件隨著骨料含量的變化趨勢(shì)比濕篩試件的更大，所以原級(jí)配試件與濕篩試件斷裂能的比值隨著骨料含量的增大而減小?；炷猎嚰臄嗔涯苁窃嚇映惺芾燧d荷發(fā)生斷裂所做功，主要與砂漿與界面過(guò)渡區(qū)有關(guān)。由于砂漿的性質(zhì)比界面過(guò)渡區(qū)的更強(qiáng)，所以斷裂時(shí)所需要的能量更大。而隨著骨料含量的減小，原級(jí)配試件中的界面過(guò)渡區(qū)相對(duì)于濕篩試件更多，而砂漿的含量減小的更多，所以隨著骨料含量的增大，原級(jí)配試件斷裂能降低的更多，原級(jí)配試件與濕篩試件斷裂能的比值減小。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝水工全級(jí)配混凝土與濕篩混凝土力學(xué)參數(shù)的差異對(duì)于大壩的設(shè)計(jì)與安全都相當(dāng)重要。在此過(guò)程中采用了Monte Carlo模擬方法消除了混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨機(jī)性帶來(lái)的影響。結(jié)論如下：

(1)對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單軸拉伸，隨著骨料含量的增加，原級(jí)配試件與濕篩試件彈性模量均增大，且比值也隨著增大。

(2)隨著骨料含量的增大，原級(jí)配試件與濕篩試件的峰值應(yīng)力略有降低，但是二者比值幾乎不變。原級(jí)配與濕篩試件的峰值應(yīng)變之比隨著骨料含量的增加而降低。

(3)隨著骨料含量的增大，原級(jí)配試件與濕篩試件的斷裂能均減小，骨料含量對(duì)于原級(jí)配試件的影響更大，原級(jí)配試件與濕篩試件斷裂能之比減小。