李友彬，朱柏松，唐曉玲，何濤洪，喬志超，吳弦謙，楊 林

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563002；3.北京華石納固科技有限公司，北京 100085)

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡稱RFC)技術(shù)是由清華大學(xué)水利系團隊發(fā)明并獲得國家發(fā)明專利授權(quán)的新型大體積混凝土施工技術(shù)。貴州遵義綠塘拱壩是國內(nèi)首座不分橫縫和應(yīng)用混凝土預(yù)制塊模板的RFC單曲拱壩，水庫總庫容2040萬m3Ⅲ等中型工程，壩頂高829.50m，壩頂寬6.0m，最大壩底厚16.0m，最大壩高53.5m。為復(fù)核驗證前期設(shè)計成果，研究RFC力學(xué)性能，對壩體材料RFC作相關(guān)試驗研究，使理論計算分析參數(shù)取值更加合理、計算成果更加可靠，為RFC拱壩應(yīng)用推廣提供借鑒作用。

1 理論基礎(chǔ)

朱柏松教授首先建議對RFC應(yīng)視為復(fù)合材料來研究，抗拉強度對RFC拱壩結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性起主要作用，材料力學(xué)性能決定結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，決定大壩的強度安全和承載能力。本研究針對RFC大試件考慮堆石、SCC、堆石體與SCC硬化水泥膠體粘結(jié)面隨機組成復(fù)合材料三相介質(zhì)，獲取基本性能參數(shù)；分析RFC在荷載作用下應(yīng)力發(fā)展和最終破壞全過程。分別進行堆石、SCC、堆石與SCC粘結(jié)界面力學(xué)性能試驗，推導(dǎo)RFC復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型，為RFC拱壩及其他類型壩提供安全分析評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

理論上，復(fù)合材料在受力時，高彈性、高模量介質(zhì)承受大部分荷載，低彈性、低模量介質(zhì)主要作為媒介，傳遞和分散荷載。各相的性能關(guān)系如下[4]：

σc=k1[σfφf+σm(1-φf)]=k1[σfφf+σmφm)]

(1)

Ec=k2[Efφf+Em(1-φf)]=k2[Efφf+Emφm]

(2)

式中，σf、Ef—高彈性、高模量的介質(zhì)的強度和彈性模量；σm、Em—低彈性、低模量介質(zhì)的強度和彈性模量；φf—高彈性、高模量的介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；φm—低彈性、低模量介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)，堆石混凝土一般φf為55%，則(1-φf)=45%；k1、k2—常數(shù)，與界面強度有關(guān)，與堆石和自密實混凝土的粘結(jié)界面的粘結(jié)強度、排列分布方式、斷裂形式有關(guān)。

為達到復(fù)合強化目的要求，應(yīng)滿足以下條件：

(1)高彈性、高模量的介質(zhì)的強度、彈模應(yīng)該遠遠高于低彈性、低模量介質(zhì)，保證復(fù)合材料受力時主要由高彈性、高模量的介質(zhì)承受荷載。

(2)高彈性、高模量的介質(zhì)與低彈性、低模量介質(zhì)之間應(yīng)有足夠的結(jié)合強度，保證低彈性、低模量介質(zhì)所承受的荷載能通過界面?zhèn)鬟f給高彈性、高模量的介質(zhì)，并且防止脆性破壞。

2 試驗概況

本試驗研究基于貴州遵義綠塘水庫實體工程澆筑的RFC試驗倉、對其切割、加工大試件，試驗研究RFC抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等指標(biāo)。

2.1 堆石混凝土材料指標(biāo)

試驗采用C9015W6F50等級SCC進行RFC澆筑。RFC原材料：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；II級粉煤灰；粒徑5～20mm連續(xù)級配碎石；細度模數(shù)為2.9，級配較差石粉含量14%機制山砂；華石納固生產(chǎn)聚羧酸高效減水劑HSNG-T，減水率28%；施工現(xiàn)場用水；粒徑大于300mm石灰?guī)r塊石隨機堆放，表觀密度2.63g/cm3。SCC填充率45%，堆石率55%，詳見表1—3。

表1 自密實性能混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 自密實混凝土SCC力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

表3 巖石(堆石體)力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

2.2 試件的制備

按照同材料、同環(huán)境、同工藝在綠塘水庫施工現(xiàn)場澆筑2200mm×2200mm×2200mm的試驗倉，如圖2所示，與壩體同環(huán)境養(yǎng)護，到90d齡期用繩式切割機對試驗倉切割，運輸?shù)郊庸S按照要求的幾何尺寸，如圖1所示，并按表4精度進行切割和加工，成型大試件進行抗壓強度、劈裂抗拉、靜力彈性模量等試驗研究如圖3所示。

2.3 試驗設(shè)備及試驗過程

RFC抗壓強度、劈裂抗拉強度、靜力彈性模量試驗根據(jù)SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》和NB/T10077—2018《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則》附錄D開展試驗。

圖1 試驗倉加工立方體及棱柱體大試件設(shè)計圖

表4 堆石混凝土大試件試驗內(nèi)容及尺寸

圖2 現(xiàn)場試驗倉

采用繩式切割機現(xiàn)場加工成型，工廠細加工大試件，運至在貴州大學(xué)土木工程學(xué)院實驗中心10000KN(1000t)的壓力機上進行試驗。

3 試驗數(shù)據(jù)和分析

3.1 堆石混凝土大試件表面特征及缺陷照片

通過試驗倉切割加工成型隨機檢查的大試件RFC復(fù)合材料斷面發(fā)現(xiàn)均存在缺陷，如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場切割試驗倉

圖4 表面特征及存在的缺陷

觀察統(tǒng)計切割后大試件存在缺陷：第1種現(xiàn)象，加工廠精細加工過程中發(fā)現(xiàn)容易造成試件中SCC與被包裹的堆石體的剝離。第2種現(xiàn)象，堆石和SCC之間的界面膠結(jié)粘結(jié)不緊密，在堆石密集部位以及存在堆石粒徑過小的局部地方，SCC不能完全填充堆石間的空隙，形成外部缺陷明縫或內(nèi)部缺陷的“隱縫”。第3種現(xiàn)象，SCC中有肉眼可見數(shù)量可觀的氣泡。

3.2 抗壓強度試驗及試驗數(shù)據(jù)

本試驗研究抗壓強度試驗照片如圖5所示。

圖5 抗壓強度試驗

3.2.1試驗數(shù)據(jù)及分析

本研究開展大量試驗，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表5—7、圖6所示。說明：表5的抗壓強度值是立方體大試件試驗數(shù)值。

表5 RFC大試件抗壓強度力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

圖6 RFC大試件抗壓強度值所占比例

表6 RFC大試件力學(xué)指標(biāo)

表7 RFC大試件抗壓強度值所占比例 單位：MPa

SL352—2006規(guī)定，“以3個試件測值的平均值作為該組試件的抗壓強度試驗結(jié)果?！庇捎诙咽炷岭x散性較大，無法用3個試件的平均值作代表，用數(shù)理統(tǒng)計的辦法來計算抗壓強度。

3.2.2試驗現(xiàn)象分析

試驗開始大試件表面無明顯裂縫，加載后試件表面沿高度出現(xiàn)可見豎向裂縫，隨荷載增加裂縫不斷加寬，試件其他部位出現(xiàn)局部短斜裂縫，臨近破壞時縫寬度加大并貫穿試件表面，部分大試件出現(xiàn)較多豎向裂縫及少量斜裂縫，可見部分塊石被剪斷，部分塊石掉出，但破壞主要是塊石和SCC粘結(jié)界面薄弱處裂縫發(fā)展所致。

抗壓強度試件大部分破壞屬于縱向破壞，裂縫沿石塊與SCC粘接面周邊斜向發(fā)展或穿過RFC中的石塊，堆石體與SCC粘結(jié)處裂縫最寬。RFC抗壓大試件堆石有節(jié)理處首先堆石體被剪切破壞。有一個抗壓大試件試驗中達到極限發(fā)生突然碎裂破壞。

依據(jù)姜福田所著《水工混凝土性能及檢測》結(jié)合本研究試驗結(jié)果分析統(tǒng)計，推測RFC立方體大試件會按承載力為極限強度值的大概百分比例形成試件內(nèi)部破壞裂紋主要沿堆石與自密實混凝土SCC粘結(jié)界面發(fā)展，當(dāng)承載力增加試件裂紋發(fā)育更多，且堆石與自密實粘結(jié)界面和自密實混凝土裂紋相互連通，當(dāng)承載力增大一個值時，RFC大試件內(nèi)部裂紋把試件分成若干部分，繼續(xù)加載到極限強度值的100%大試件破壞。

大試件受壓破壞后，觀察斷裂面試件的局部破壞，可見部分?jǐn)嗔衙嫫秸糠挚梢妷K石裂縫，大部分裂縫處于SCC和塊石的粘接界面處。分析斷裂面現(xiàn)象，被剪斷塊石分布較分散，沒有規(guī)律可尋。大部分由于產(chǎn)生剪切滑移斷裂存在于堆石體和SCC粘結(jié)界面，說明RFC受壓破壞時起主導(dǎo)作用的是SCC和堆石體兩種材料粘接界面的粘結(jié)能力。

堆石體的堆放隨機性使得堆石體與SCC粘結(jié)界面處于受力最不利位置，受拉應(yīng)力大于堆石體與SCC的粘接抗拉應(yīng)力，推測堆石體在彎剪作用下出現(xiàn)斷裂和掉落，裂縫快速發(fā)展。由于堆石混凝土是SCC和堆石體的復(fù)合材料，從微觀上試件內(nèi)部存在原始微裂縫，由于堆石粒徑比較大，考慮微裂縫的界面大部分位于SCC和堆石體的交接面上，可能使得堆石混凝土RFC初始及破壞裂縫多為豎向主因。

RFC是非均質(zhì)復(fù)合材料，堆石在RFC中嵌擠狀態(tài)(或稱咬合狀態(tài))隨機分布，切割時不同部位的堆石體留存在試件中不同部位起加強和嵌擠(咬合)作用，在受力作用下荷載分布也是不均勻的。RFC內(nèi)堆石體、SCC以及堆石體與SCC的粘結(jié)界面形成的三相組合導(dǎo)致試件內(nèi)部應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)上試件內(nèi)部為強嵌擠(咬合)弱粘結(jié)，強抗壓弱抗拉，對試件整體力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

3.2.3系數(shù)k1的計算

k1定義為堆石混凝土大試件抗壓強度調(diào)整系數(shù)。經(jīng)過式(1)進行方程回歸得到k1，數(shù)值在0.40-0.76之間，本研究樣本有限，建議取平均值為0.58。

用建議的k1=0.58計算的立方體抗壓強度為30.2MPa與幾何尺寸為450mm的立方體大試件實際強度平均值31.7MPa相差1.5MPa，理論計算與RFC大試件實際強度比值誤差為4.7%。

3.2.4抗壓強度試驗小結(jié)：

3.2.5.1試驗結(jié)果大試件立方體抗壓強度值分布在20.7～51.1MPa之間。

3.2.5.2試件存在各種缺陷，堆石料分布不均勻或存在層間裂隙、堆石體面面接觸等，測試抗壓強度值要小于實際強度。

3.2.5.3 NB/T10077—2018第4.3.1條規(guī)定“堆石混凝土強度等級應(yīng)采用高自密實性能混凝土強度等級為代表。”現(xiàn)該工程設(shè)計標(biāo)號為C9015W6F50等級，RFC大試件試驗結(jié)果是31.7MPa，試驗結(jié)果是設(shè)計抗壓強度的31.7/15=2.11倍。

3.3 劈裂抗拉試驗

劈裂抗拉強度相關(guān)試驗照片如圖7所示。

圖7 劈裂抗拉強度試驗

3.3.1試驗數(shù)據(jù)及分析

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表8—10，如圖8所示。

表8 RFC大試件劈裂抗拉試驗結(jié)果 單位：MPa

表9 RFC大試件抗拉強度值所占比例 單位：MPa

表10 RFC大試件劈裂抗拉強度力學(xué)指標(biāo) 單位：MPa

圖8 RFC大試件抗拉強度值所占比例

3.3.2試驗現(xiàn)象分析

劈裂抗拉試驗類似常規(guī)混凝土情況，試件大部分破壞屬于縱向破壞。大試件在受到線性劈裂荷載作用下，首先觀察到RFC大試件側(cè)面產(chǎn)生裂縫，裂縫沿堆石體與SCC粘接面周邊發(fā)展或斜向穿過RFC中的堆石體。大試件劈裂試驗破壞存在局部應(yīng)力集中斜向45°；堆石體被剪切及碎裂的局部破壞；堆石體和SCC脫離破壞；大試件堆石體中部剪切破壞，及沿堆石體節(jié)理進行破壞。由于堆石體的隨機性堆放使得堆石在荷載作用時處于受力最不利位置有偏心受力出現(xiàn)。

試驗結(jié)果顯示堆石混凝土大試件劈裂破壞后，堆石和SCC粘接界面觀察到斷裂面；部分?jǐn)嗔衙嫫秸?，部分可見堆石裂縫；大部分裂縫處于堆石和SCC的粘接界面處。裂紋開展比較充分的地方，推測堆石和SCC的粘結(jié)界面充分密實粘接力抗拉強度較大。

3.3.3試驗小結(jié)

3.3.4.1試驗結(jié)果大試件立方體劈裂抗拉強度值分布在1.76-4.87MPa之間，均值3.09MPa。

3.3.4.2RFC大試件劈裂抗拉強度是現(xiàn)場取樣的專用SCC立方體標(biāo)準(zhǔn)試件劈裂抗拉強度的1.29倍。該值需要進一步驗證，需要考慮大尺寸試驗的尺寸效應(yīng)。

3.3.4.3堆石體分布不均勻，大試件多數(shù)存在缺陷，總體上堆石混凝土大試件RFC劈裂抗拉強度評定值從試驗數(shù)據(jù)及破壞機理與常規(guī)混凝土相當(dāng)。

3.4 靜力彈性模量

靜力彈性模量相關(guān)試驗照片如圖9所示。

圖9 靜力彈性模量試驗

3.4.1試驗數(shù)據(jù)及分析

彈性模量試驗參數(shù)見表11—13，如圖10所示。

表11 RFC大試件彈性模量試驗參數(shù) 單位：GPa

表12 RFC大試件彈性模量值所占比例 單位：GPa

表13 RFC大試件彈性模量綜合參數(shù) 單位：GPa

圖10 RFC大試件彈性模量值所占比例

3.4.2系數(shù)k2的計算

k2定義為堆石混凝土彈性模量調(diào)整系數(shù)。首先采用復(fù)合材料理論，RFC彈性模量則有上限和下限理論估算。上限單向復(fù)合材料并聯(lián)模型的混合律：

Ec=EfVf+EmVm

Ec=53.8×0.55+22.1×0.45=39.54GPa

下限單向復(fù)合材料串聯(lián)模型的混合律：

1/Ec=Vf/Ef+Vm/Em

Ec=EfEm/(EmVf+EfVm)

Ec=53.8×22.1/(22.1×0.55+53.8×0.45)

=1188.98/36.365=32.70GPa

堆石混凝土RFC作為復(fù)合材料的彈性模量在上下限之間，取其平均值為36.12GPa。

經(jīng)過式(2)進行方程回歸得到k2，數(shù)值在0.72～0.97之間，本研究樣本有限，建議取平均值為0.85。

用建議的k2=0.85計算的彈性模量33.6GPa需和上下限值的平均值比較，復(fù)合律計算的上下限所取平均值36.12GPa。取大值36.12GPa作為堆石混凝土RFC的理論彈性模量。實測堆石混凝土彈性模量為平均值為34.01GPa。實測值、k2計算值與上下限的均值非常接近，理論取值36.12GPa與實際強度比值誤差為6%，。

實測堆石混凝土彈性模量為28.65-38.52GPa范圍，平均值為34.01GPa，數(shù)值較高。實測值與復(fù)合材料理論中的上下限值非常接近。SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中C15對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值為22.0GPa，是標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗值并考慮了保證率系數(shù)的取值。

3.4.3試驗小結(jié)

通過對比堆石混凝土大試件抗壓彈性模量為34.01GPa，約為SL191—2008中標(biāo)準(zhǔn)值 22.0GPa 的1.55倍。 試驗得到的是瞬時彈性模量，拱壩計算時要考慮徐變影響。

試驗得到的是瞬時彈性模量，拱壩計算時要考慮徐變影響。常規(guī)混凝土(包括全級配混凝土)，根據(jù)SL282—2018《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》7.3.3條：考慮混凝土徐變等影響，拱壩應(yīng)力分析應(yīng)采用壩體混凝土持續(xù)彈性模量進行計算，壩體混凝土持續(xù)彈性模量可采用混凝土試件瞬時彈性模量的0.6-0.7倍。計算彈性模量取0.6-0.7倍瞬時模量，即0.6-0.7×34.01GPa=20.4-23.8GPa，通常計算彈性模量取為20.00GPa。

本次試驗RFC大試件抗壓彈性模量低于專用自密實混凝土，試件中堆石含量較低和堆積骨架狀態(tài)有一定的關(guān)系，有必要進行深入研究。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)試驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)RFC具備較高的抗壓強度、劈裂抗拉強度。RFC中SCC和塊石之間粘結(jié)強度、界面的性能還不清楚，建議進一步研究。

(2)RFC強度、彈性模量數(shù)值具有離散性。還應(yīng)做軸心抗拉強度和彎曲抗拉強度試驗。

(3)RFC施工及質(zhì)量評定過程中，可以按照規(guī)定頻率對SCC和堆石取樣試驗得到相關(guān)參數(shù)，建議取k1值按式(1)計算堆石混凝土RFC的抗壓強度。

(4)RFC施工及質(zhì)量評定過程中，按照規(guī)定頻率對SCC和堆石取樣試驗得到相關(guān)參數(shù)，建議取k2值按式(2)計算得RFC彈性模量值。

建議：對于RFC工程項目，項目開工即采用同材料、同工藝、同條件澆筑試驗倉，采用切割技術(shù)成型大試件按相關(guān)規(guī)定進行試驗，獲得每一個項目的k1和k2值作為指導(dǎo)設(shè)計、施工、質(zhì)量控制、竣工驗收的重要參數(shù)。在項目實施進行中，對自密實混凝土SCC和堆石體按頻率取樣，結(jié)合k1和k2值計算強度和彈性模量，作為常規(guī)質(zhì)量檢測和控制的依據(jù)。