中抗硅酸盐水泥混凝土弯曲疲劳力学特性影响试验研究

向 英

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

混凝土材料是水利枢纽工程中常见的承重、防渗性材料[1]，要保证水工结构运营可靠性，前提是主材性能使用过程中长期以往的稳定、安全[2]，故探讨混凝土的疲劳力学特性，对提高水工建筑运营水平有所价值。吴建福等[3]、王长青等[4]为研究混凝土材料的疲劳力学特征，设计开展了单轴加卸载力学试验，检验了混凝土循环受荷力学水平，获得了混凝土循环受荷疲劳力学影响变化趋势，有助于工程设计参照。华吴超等[5]、蔡祥磊等[6]为研究混凝土材料的弯曲力学特征，设计开展了三点弯、四点弯等力学试验，分析了混凝土的弯曲力学水平，并探讨了混凝土弯曲应力、应变受工程环境等因素影响变化特征，丰富了混凝土材料的应用场景。中抗硅酸盐水泥混凝土是一种应用较广的多用途类型材料，任玉杰[7]、林志远[8]针对此类型混凝土，设计开展了单轴压缩、劈裂拉伸力学特征变化，探讨了强度、变形的宏观影响，有助于丰富此类型混凝土设计参照成果。本文为研究中抗硅酸盐水泥混凝土在水利枢纽工程中应用，设计开展了弯曲力学疲劳试验，探讨了该类型混凝土疲劳特性与掺加料、初始损伤关联性，为工程建设提供理论依据。

1 研究方法

1.1 工程介绍

额尔齐斯河具有丰富的水资源，对北疆农牧业生产具有重要作用，合理有效开发额尔齐斯河流域水资源，有助于改变北疆地区水资源分布不均、调度阻塞、输水耗散的现状。同时，受气候变暖影响，北疆部分冰川带融化，常导致进入额尔齐斯河流域的水量暴涨，对流域沿线水土流失、河道护坡均是严重危害，对河道防洪、水工建筑运营均有不利影响。为此，河道管理部门考虑在中游拟建一水利枢纽工程，承担额尔齐斯河中游乃至下游地区的输水灌溉、水力发电、梯级调度等水利职责，计划建设蓄水库最大库容量为5800万m3，控制额尔齐斯河流域中游面积800km2，规划有溢洪道、下游输水干渠、地下引水工程、拦河主坝以及导流洞等附属水工建筑。根据初步设计可知，所建设的拦河主坝采用混凝土重力坝结构型式，设计最大高度为32.6m，过境洪峰下最大水位为32m，全坝主轴长为362.5m，所使用的水工建筑材料以中抗硅酸盐水泥混凝土为主，确保满足主坝防渗性要求。溢洪道闸室、闸身等重要部位均采用中抗硅酸盐水泥混凝土主材，特别在溢洪道进水口处，为提高进水口处抗水力冲蚀能力，采用了多圈层、多厚度、多类型的布置方式，确保即使是在溢洪道最大泄流量520m3/s的工况下，进水口仍能保障结构安全稳定，同时三维渗流场运动平静，不出现非稳定活跃渗流。除此之外，在该水利枢纽工程的地下引水工程中，为保障开挖围岩稳定性，采用了中抗硅酸盐水泥混凝土材料为衬砌结构主材，引水工程开挖面为拱形结构，设计最大通流量为125m3/s，地下开挖断面衬砌结构不同部位处最大主应力变化如图1所示，最大主应力为拱顶，可达1.65MPa，但据FLAC 3D围岩仿真分析表明，采用中抗硅酸盐水泥混凝土衬砌结构后，其主应力可降低45.5%～65.5%，减少围岩应力扰动影响。基于上述工程分析可知，中抗硅酸盐水泥混凝土材料在该水利枢纽工程中具有举足轻重的作用，不可忽视该水工材料的长期使用寿命，特别是其力学稳定性，为此，工程设计部门讨论针对该类型混凝土开展弯曲疲劳力学试验，以期对工程建设提供参考。

图1 衬砌结构不同部位处最大主应力变化

1.2 试验介绍

混凝土材料的拉、压力学特征在很多学者研究成果中均有体现，但混凝土的弯曲力学特性，目前触及还较少，特别是针对中抗硅酸盐水泥混凝土此类型。因而，本文采用MS-1000混凝土力学试验设备开展弯曲疲劳试验，该试验设备可通过改装加载平台，适配三点弯曲、弯曲拉伸等不同方式的力学试验。试验加载系统包括了一个最大量程为1000kN的力学传感去，精度可至0.01%，数据测试系统包括了LVDT传感器、机器位移测量装置等，分别对试样变形、加载平台位移展开精密测量，以获得混凝土试样最真实的力学特征，本试验中LVDT传感器量程为-10～10mm，机器位移限位值为10mm。所有数据采集通道依赖于八通道MS设备，并与中控平台相连，可实时处理并呈现试样力学数据变化，为试验进程转换、停止试验等提供参照。

为确保试验结果与工程实际相贴合，在工程现场采样后，在室内实验室完成中抗硅酸盐水泥混凝土的基础物理特性测试，获得了其水胶比为0.33，砂率为0.236，同时掺有稻壳灰等外加剂，含量分布为0%～10%，部分混凝土掺加稻壳灰批次各异，故稻壳灰粒径有所差异，分布为8～20μm，且部分混凝土由于钻孔影响，含有初始裂隙分布带。在研究对象后，经室内加工打磨后，所制备的混凝土典型试样如图2所示。针对混凝土的弯曲疲劳力学特性，采用四点式弯曲力学测试方法[9]，开展弯曲力学破坏试验，加载平台上一块混凝土试样的弯曲力学测试形态，如图3所示，实验室实物如图3(b)所示。在前期获得了混凝土单轴抗压强度的基础上，按照单轴强度一定比例的方式下，依次开展循环弯曲加卸载试验，直至试样发生弯曲力学破坏，力学加载示意如图4所示，每一次加载均需达到目标应力值后，才可卸荷开始下一次加载。

图2 四点弯曲混凝土试样

图3 四点弯曲试验

图4 四点弯曲加卸载示意

从该水利枢纽工程中抗硅酸盐水泥混凝土特点考虑，分别有其稻壳灰掺量、稻壳灰粒径等差异，也有初始裂隙带分布的差异，故弯曲疲劳力学试验也是围绕此三者因素开展设计。根据实际钻孔抽样测试，本试验中稻壳灰掺量设置为0%、2%、4%、6%、8%、10%共6组，而稻壳灰粒径分别设置为8、10、12、14、16、18、20μm共7组方案，针对初始裂隙带分布影响，试验前采用人工预制裂纹方法，统一在试样表层制作深度为5mm、长度为20mm的裂纹带，并按照裂纹带数量模拟初始裂隙损伤影响，分别设置初始裂隙带有0、1、2、3、4、5、6、7条。弯曲加荷目标应力会影响试样疲劳力学特征，因而设置弯曲目标应力分别为单轴强度的0.9、0.8、0.7、0.6共4种方案。各组试验参数见表1。基于弯曲疲劳力学试验数据，探讨中抗硅酸盐水泥混凝土的疲劳寿命影响特性。

表1 试验参数表

2 混凝土疲劳寿命与初始损伤关系

基于弯曲疲劳力学试验，获得了不同弯曲应力水平下疲劳寿命与初始裂隙带数量变化关系，如图5所示，由于疲劳寿命次数在不同试样间量值差异较大，故采用对数指标lgN表征疲劳寿命。分析图5可看出，初始裂隙带的存在，会极大改变混凝土试样疲劳寿命，在弯曲应力水平倍值0.6时，当试样表面无裂隙带时，疲劳寿命lgN可达6.78，而相应含初始裂隙带的试样疲劳寿命lgN分别降低至2.3～6.4，初始裂隙带的存在，不利于试样抗疲劳。进一步观察疲劳寿命lg变化可看出，在初始裂隙带1～4条时，疲劳寿命随初始裂隙带变化还处于较低变幅，弯曲应力水平0.6下，相应疲劳寿命lgN平均降幅为4.9%，但在初始裂隙带4～7条时，疲劳寿命的变化出现快速增幅，各方案试样间疲劳寿命lgN最大降幅可达31.3%，疲劳寿命lgN分布于2.3～4.5。分析可知，试样弯曲疲劳寿命受初始裂隙带损伤影响，但影响效应在初始裂隙发展到一定程度上才更显著。

图5 试样弯曲疲劳寿命与初始损伤裂隙带关系

对比弯曲应力水平影响可知，同样初始裂隙带下，弯曲应力水平愈高，则疲劳寿命lgN愈低，当初始裂隙带同为2条时，弯曲应力水平为0.6时，相应疲劳寿命lgN为6，而弯曲应力水平0.7、0.8、0.9下三者方案试样疲劳寿命较之前者分别减小了18.5%、33.6%、45.9%；特别的，当初始裂隙带增大至3条、5条乃至7条时，疲劳寿命lgN受弯曲应力水平影响愈敏感。由此可知，初始损伤会改变疲劳寿命与弯曲应力水平关系，同时初始损伤进展更大[10-11]，则混凝土弯曲疲劳寿命受限性更大。

3 中抗硅酸盐混凝土疲劳寿命与稻壳灰特征关系

3.1 稻壳灰粒径影响

针对中抗硅酸盐水泥混凝土试样掺有稻壳灰时疲劳寿命特征，获得了稻壳灰粒径与疲劳寿命变化关系，如图6所示。从图6可看出，稻壳灰粒径与疲劳寿命总体呈正相关关系，但在粒径16μm后，疲劳寿命lgN增幅放缓，甚至出现迟滞现象。从具体疲劳寿命数据对比可知，当弯曲应力水平为0.7时，稻壳灰粒径为8、10μm下，相应疲劳寿命lgN分别为2.64、3.3，粒径12、14、16μm下试样弯曲疲劳寿命较之粒径8μm下分别增长了47.6%、72.2%、91.9%，而粒径为18μm、20μm两者试样疲劳寿命lgN分别为5.2、5.26，较之粒径16μm下分别仅有1.8%、3.6%增幅。当弯曲应力水平为0.8、0.9时，在粒径为16～20μm后，弯曲疲劳寿命增幅更低，基本上呈稳定状态，两者应力水平方案内，该粒径范围内疲劳寿命分别为3.19、2.3。分析表明，稻壳灰粒径对提升混凝土弯曲疲劳寿命有正向作用，但粒径超过一定“门槛”后，弯曲疲劳寿命受之影响较弱，控制稻壳灰粒径在合理区间即可[12]。另一方面，当弯曲应力水平变化，疲劳寿命lgN随稻壳灰粒径变化幅度减弱，总体疲劳寿命lgN会减小，且受稻壳灰粒径影响平稳性更大。

图6 试样弯曲疲劳寿命与稻壳灰粒径关系

3.2 稻壳灰掺量影响

同理，获得了稻壳灰掺量与混凝土试样弯曲疲劳寿命关系曲线，如图7所示。由图7弯曲疲劳寿命lgN变化可知，疲劳寿命与掺量具有二次函数关系，在稻壳灰掺量为2%～6%时，试样弯曲疲劳寿命lgN随掺量呈正相关提高作用，反之，在掺量6%～10%时，相应疲劳寿命lgN递减变化。在弯曲应力水平0.6时，稻壳灰掺量2%～6%下，试样弯曲疲劳寿命lgN分别为5.85、6.47、6.99，试样梯次间弯曲疲劳寿命lgN具有平均增幅11%，而在掺量6%～10%下，弯曲疲劳寿命lgN分布为5.38～6.99，平均降幅为12.6%，递减区间受稻壳灰掺量影响敏感性高于递增区间。另外，在无稻壳灰掺量的试样中，弯曲应力水平0.6～0.9在4个方案下弯曲疲劳寿命lgN分布为1.92～5.11，相比之下，有稻壳灰掺量的试样总体疲劳寿命均高于前者，但稻壳灰掺量达10%后，部分弯曲应力水平方案内试样弯曲疲劳寿命不及前者，如在弯曲应力水平0.8方案内，掺量10%试样与掺量0%的疲劳寿命lgN分别为2.3、2.9。分析认为，中抗硅酸盐水泥混凝土掺加一定量稻壳灰，有助于增强其抗弯曲疲劳特性，但掺量控制在合理区间更为有效，若施加过量稻壳灰，反而会不利于试样抗弯曲疲劳能力[13-14]，水利枢纽工程建设时应考虑掺量的综合影响。

图7 试样弯曲疲劳寿命与稻壳灰掺量关系

4 结语

(1)初始裂隙带愈多，试样弯曲疲劳寿命愈低，尤以初始裂隙带4条后，弯曲疲劳寿命受削弱更明显；弯曲应力水平愈高，弯曲疲劳寿命愈低，同时，初始裂隙带愈多，弯曲疲劳寿命受弯曲应力水平影响愈显著。

(2)稻壳灰粒径与疲劳寿命总体呈正相关变化，但粒径16μm后增幅减缓。

(3)弯曲疲劳寿命lgN与掺量具有二次函数关系，在掺量2%～6%与6%～10%时，疲劳寿命分别呈递增、递减变化，且递减区间变幅高于前者区间，掺量不应过多。

(4)中抗硅酸盐水泥混凝土增加稻壳灰有助于提升抗弯曲疲劳特性，但应控制稻壳灰粒径、掺量，同时减少初始损伤作用。