高强度大体积混凝土材料特性研究

混凝土是一种由多相介质组成的复合材料，具有不连续性、非均质性的特点，在荷载作用下，其力学性质、变形和破坏机理有很大离散性，并存在试件的尺寸效应，这也正是大体积混凝土材料特性研究的困难所在。就高拱坝而言，对混凝土材料特性的准确评价和合理利用，将极大地关系到工程的安全性和经济性。全面深入地开展大体积混凝土的力学、变形、抗裂性能等特性研究，对高拱坝坝踵的开裂机制和损伤断裂机理进行探讨，可为高拱坝的设计和施工提供可靠的科学依据，并将对拱坝设计方法的完善和改进、保证工程质量、提高大坝安全度、节约混凝土原材料，节约工程投资都具有重大意义。

 

1　高强度大体积混凝土研究课题

拱坝强度安全的正确评价，必须从材料（混凝土、坝基岩体）的抗力特性与荷载作用效应的仿真性研究着手。从目前大坝建设发展趋势分析，下述一些问题，还需进一步研究。

 

1.1　裂缝防治

近代高拱坝建设发展趋势表明：坝越来越高，拱圈弧度越来越平，坝体断面越来越薄，混凝土浇筑强度日益加大，浇筑仓面面积也不断增加。所有这些变化都使坝体和混凝土浇筑块的应力增高，混凝土产生裂缝的可能性及裂缝扩展的危险性亦加大。为了减少和防止大体积混凝土裂缝产生的可能性，通常从两方面着手，一是提高混凝土材料本身的抗力特性，二是减小外力、温度、约束等作用在结构内部产生的效应。改善混凝土材料本身抗力特性首先应研究混凝土各组分对抗力特性的影响，通过混凝土各组分的品种与质量选择、最佳掺量、最佳组合、最佳配合比等项目的确定，达到提高混凝土材料自身抗裂能力和变形性能的目的。即改变目前混凝土配合比主要以强度、抗渗及耐久性为目标的设计方法，提出以抗裂为核心，全面改善混凝土各种物理力学性能的配合比优化设计方法，以适应高拱坝建设的各种特殊要求。

 

1.2　在地震作用下的力学与变形特性参数的确定

　　现代计算技术的发展，已完全有可能对地震作用下的坝－地基－库水共同作用的地震响应作出精确求解，但精度与仿真性却受到两方面的制约：一是当远场地基深部产生地震后，震波通过介质的传播，受到反射、折射及不均匀介质与不规则地形的影响，坝址河谷地区地震地面运动呈非均匀分布，因此应选用正确的计算模型来合理地反映地震地面运动的非均匀变化；另一个制约因素是对大体积混凝土在地震作用下的强度和应力应变关系还不十分了解，以往设计只能沿用国外依据少量试验所确定的资料（如动强度可提高30％，动弹性模量可提高50％等），并基于经验安全系数设计法来评价大坝抗震安全度。国内对混凝土材料强度与变形的动参数研究不多，且处于起始阶段，动载作用下混凝土材料的本构关系与断裂特性研究尚属空白，通常用于高拱坝的一些材料动参数的合理性也难以通过工程实践来验证。

我国高拱坝大多拟建于西南、西北地区，而这两个地区均属我国强震多发区，因此开展对混凝土材料在地震作用下的应力应变特性研究，制定切合实际的高拱坝抗震安全度评价准则，是高拱坝建设所急待解决的一项关键技术。

 

1.3　力学与变形的仿真

　　目前，拱坝结构设计采用的经验安全系数设计法，要求坝体最大应力小于某一容许应力值，容许应力等于某一标准混凝土试件在预定龄期的极限强度（拉、压）除以一个经验安全系数。经验安全系数K是随标准试件的尺寸和形状不同而异，亦随科技水平及施工水平的变化而变化。因此，采用容许应力法进行拱坝设计，用经验安全系数评价大坝的强度安全，并不需要开展对全级配混凝土大试件的强度特性研究，因为安全系数中已包含了试件尺寸效应和粒径效应的影响。这种单一的、粗略的经验安全系数，并不能反映大坝混凝土真实的抗力安全度，只能是一种数值上的安全感，它束缚了拱坝设计水平的提高。

　　当前，对大坝安全度的评价的趋势是向半经验、半理论的设计方法过渡，用正常使用极限状态的平稳条件来评价大坝的安全。大坝强度破坏准则是控制在使大坝产生大变形或坝体裂缝开始扩展时，即大坝失效定义于材料（混凝土、岩基）产生塑性开裂、裂缝扩展，或是材料处于累积损伤状态。材料的极限容许使用强度，只能是其极限强度（峰值强度）的某一分数限值。因此，仿真的破坏全过程研究，材料的本构关系以及定义于大体积混凝土正常工作状态失效的极限容许使用强度的确定，就成为大坝安全评价必不可少的基本参数。

高拱坝设计的另一个趋势是，既然高拱坝开裂较难避免，关键是要严格控制坝体裂缝的扩展。拱坝局部拉应力超过控制标准并不会导致大坝立即失效，只要裂缝是稳定的，大坝仍能安全运行。三维非线性有限单元法提供了开裂分析的手段，但分析成果的可靠性又依赖于对材料所假定的本构模型，以往用通过湿筛处理后的混凝土小试件试验资料推出的混凝土材料的本构关系，难以仿真大体积混凝土受载的性态。因此，开展对全级配混凝土试件强度和变形特性的宏观研究，建立大小试件之间在破坏过程中各种特征点，如线弹性点、屈服点、峰值点的函数对比关系也就显得特别重要。

 

1.4　开裂机制与裂缝扩张稳定性判别准则

　　从细观分析，混凝土是一种多相复合介质，由于各种内外原因，内部总是存在一些细微裂隙和缺陷。这些细微裂隙本质上是不连续的，是随机偶然发生的，在外界环境改变（如温度、湿度、荷载、动力等）及基础沉降等作用下，就会发展、扩大、贯通，直到产生宏观断裂失稳。混凝土的破坏过程，实际上就是这些内部裂隙的萌生、发展、扩张、贯通直至失稳的过程，是一种局部应力现象。对设计而言，重要的是需要判断裂缝扩展的可能性、扩展条件、扩展后果以及如何防止扩展等。而损伤－断裂力学正是研究混凝土裂缝扩展行为及其发展过程的有力分析手段。

如何在实际工程设计中引入损伤－断裂因素进行应用分析，这在国内外都只是处于起步阶段。大坝开裂可以代表一种局部破坏，它预示将来可能导致大坝工作的失效，因此，开展大体积混凝土损伤－断裂特性的研究，是正确评价大坝的安全和耐久性所必须的。

 

2　高强度大体积混凝土研究内容与方法

2.1　配合比优化研究

(1)结合二滩工程，开展大体积混凝土原材料（水泥、骨料、掺合料及外加剂）的品质因素、掺量及组合对大体积混凝土的抗压、抗裂性能的分析，确定大体积混凝土抗裂性指标评估的数学模型，建立混凝土配合比设计与抗裂指标的关系。

(2)总结以往的资料，在试验研究的基础上，以混凝土的强度、变形和抗裂等性能为综合指标，建立配合比设计资料数据库，并编制混凝土抗裂优化配合比设计程序。

(3)结合二滩工程施工，选择最优配合比，用编制的程序验证其抗裂性能，并通过浇筑块温度应力的核算，验证所推荐配合成分的合理性，使其符合大体积混凝土应具有高强、中弹、低热的要求。

2.2　动态强度特性研究

(1)进行混凝土在动力(地震)荷载作用下的破坏机制研究。通过改变应变速率、低周反复加载、在振动台上模拟加载过程等试验方法的研究，确定混凝土材料动参数的仿真试验方法。

(2)在试验基础上，提出大体积混凝土在地震荷载作用下，材料的极限强度（拉、压）、动弹性模量与泊松比、比例极限与屈服极限及动态断裂参数。

(3)初步提出拱坝抗震设计有关参数及抗震强度设计准则。

 

2.3　全级配混凝土试件特性的试验研究

(1)进行全级配混凝土试件的标准试验方法研究，包括试件形状、尺寸、成型工艺、养护条件、加载方式等。通过试验研究，提出全级配混凝土试验标准的建议。

(2)开展全级配混凝土试件的系列性试验。确定混凝土应力应变曲线上升段范围内的各种特征点，以及它们与湿筛小试件之间对应的函数关系。

(3)开展对全级配试件试验资料的小子样统计技术研究，以便从小子样或极小子样资料推断大体积混凝土的本构关系。

(4)采用细观力学的分析方法，对混凝土宏观力学特性进行计算机模拟。此研究可作为扩大样本的另一手段，也可作为推断大小试件之间函数关系的一种辅助方法，以及作为多轴全级配试验的替代手段。

(5)根据试验成果，提出大体积混凝土容许使用强度和强度设计准则。

 

2.4　损伤—断裂特性研究

(1)系统开展混凝土损伤—断裂特性的试验研究。根据实验成果，探求混凝土的损伤、断裂机理，确定复合型裂缝扩展的宏观判据和开裂评估标准，建立能反映大体积混凝土损伤断裂特性的本构关系。

(2)用细观力学理论模型分析损伤的扩展，建立裂缝扩展模型。用分数维理论建立裂缝尖端过程区的损伤特性、过程区与断裂能、断裂韧度的关系，以及用分数维方法建立非线性断裂能的尺寸效应。

(3)通过对概率模型和分布模型的分析，推断大体积混凝土的断裂参数，以解决单一型和复合型断裂韧度的尺寸效应。

(4)用损伤断裂理论探讨大坝浇筑块温控标准。

(5)研究三维非线性损伤－断裂有限元分析程序；核算二滩大坝坝踵开裂可能性及开裂后的稳定性，并进一步探讨高拱坝坝踵开裂机理。

 

3　主要成果

3.1　在我国首次建立了高拱坝混凝土抗裂优化配合比设计系统

　　该配合比的设计系统主要有两大特点：一是以提高坝体混凝土抗裂性能为主要目标，通过配合比的调整，提高混凝土的综合性能，改变了过去以强度指标和耐久性为目标的传统配合比设计方法；二是通过计算机的分析计算来代替大量的试验室拌和工作，初步寻求较合理的混凝土各组分的配合比例，以满足高拱坝的特殊需要。该优化设计系统主要包括三个部分：

(1)在研究了坝体混凝土合理的抗裂性能评估指标的基础上，建立起混凝土各组分的品质、含量与抗裂评估指标之间影响关系的数学模型。该模型反映了混凝土抗裂有利的和不利的各种因素，综合体现了在不计入环境条件（气温、基础约束等）下，混凝土自身抵抗水化热温度应力的能力。

(2)通过对以往工程资料的分析与总结，建立了混凝土配合比设计的资料数据库，供配合比设计时调用。

(3)以数学模型为基础，在丰富的数据资料库支持下，研制了我国第一个大体积混凝土抗裂配合比设计程序。该程序采用菜单结构和功能选择方式，模块化拼装，通过人机对话干预分析计算，具有混凝土配合比优化设计专家系统的雏形。该设计系统可在有资料或缺资料（借用资料库资料）情况下，用计算机选择符合高拱坝设计要求的混凝土最优配合比，可对已知配合比成分进行优劣评价。这在国内外均属开创性的研究。该程序还针对二滩工程施工与监理的需要，推荐了优化的混凝土配合比，通过对坝块温度应力的核算，验证了推荐配合比的合理性。

 

3.2　在国内首次对地震作用下坝体混凝土特性参数进行了试验研究

(1)在总结国内外资料和大量摸索试验的基础上，提出了改变应变速率、低周循环加载和在振动台上模拟结构地震反应等探求材料动力参数的试验方法。本次试验研究的关键是为了获得动态应力～应变全过程曲线，以及真实模拟动应力。此应力是由于结构物因地震反应激发的自身惯性力效应，这种效应有别于冲击荷载，也不同于疲劳荷载。

(2)通过试验研究，探讨了在地震作用下，混凝土动态强度、弹性模量、泊松比、阻尼等特性参数的变化规律，以及动力破坏机理和试件尺寸效应等。

(3)在试验研究基础上，提出混凝土动参数取值建议。研究表明，大体积混凝土动强度提高幅度与加载速率、建筑物结构形状、结构地震响应特性有关。当大坝自振频率在1Hz左右时，目前规范建议的混凝土动强度可比静强度提高30％的指标是偏于不安全的。

 

3.3　完成了全级配混凝土破坏全过程的仿真性研究

(1)首次制定了全级配混凝土试件的标准试验方法，为统一我国大坝全级配混凝土试验、建立我国全级配混凝土试验规程奠定了基础。

(2)首次全面、系统地进行了全级配混凝土试件的应力～应变全过程（主要是硬化上升段过程）的试验研究，提出了大体积混凝土容许使用强度的建议，为深入开展按正常使用极限平衡条件评价大坝强度设计法提供了可靠的依据。

(3)全级配混凝土试验资料的小子样统计分析方法研究，从理论上解决了大试件的最小样本容量问题，同时也解决了借助小试件资料推断大试件特性的置信限问题，为今后继续开展全级配混凝土研究提供了科学的统计分析手段。

(4)探索了混凝土力学特性的计算机模拟技术，研制了模拟混凝土宏观力学特性的计算模型和计算程序，开辟了混凝土试验与计算机模拟相结合的研究途径，在较少试验基础上，即可获得可信的试验成果，有助于对混凝土材料特性的研究和认识。

(5)建立了考虑试件尺寸影响的主应力空间与八面体应力空间的双轴拉压状态破坏准则，对高拱坝按双轴强度设计和制定拱坝宏观容许拉应力有重要的参考价值。

 

3.4　丰富了混凝土损伤断裂理论

坝踵开裂可能性及开裂后裂缝演化和稳定性的追踪判断分析，是本项研究的关键技术。研究成果主要反映在：

(1)从理论上（包括细观力学理论模型）分析探讨了混凝土损伤－复合断裂的裂缝尖端过程区的损伤特性、演化模型、本构方程、失效模型和强度理论，为大坝坝踵开裂分析计算提供了理论依据。

(2)通过系列试验、概率模型与分布模型的统计推断、复合型断裂能分离、分形几何理论运用等不同的途径与方法，解决了断裂能与断裂韧度的尺寸效应问题，得出了能反映大体积混凝土各种损伤—复合断裂的参数与本构关系，解决了将断裂力学实际运用于水工建筑物进行损伤—断裂—裂缝扩展的追踪分析。

(3)研制了大坝开裂分析的损伤—断裂三维非线性有限元程序（位移协调开裂元子结构有限元分析程序）和藕合损伤—断裂有限元分析程序。这批程序与通常的三维非线性有限元程序的根本区别就在于，充分考虑了材料软化特性的影响，即在微裂纹区反映传递应力效应，因此更能反映混凝土受力特性。

(4)结合二滩工程运用损伤—断裂力学理论，探讨了混凝土浇筑块温度控制标准问题，并开发了不稳定温度场、温度徐变应力、非线性断裂力学及损伤力学的有限元分析程序。分析表明，采用损伤—断裂力学分析时，容许温差可适当放宽。

(5)结合二滩工程，对二滩拱坝坝踵稳定性进行了核算。计算表明：二滩拱坝上游坝踵局部开裂是难以避免的；坝踵开裂最大深度约为坝底宽的1／6，不会危及防渗设施；上游坝踵局部开裂对大坝强度安全和整体稳定没有任何影响。上述计算结果比过去非线性有限元分析更可靠，对最终评定二滩拱坝强度与稳定安全都有极大的指导作用。

 

3.5　发展和提高了混凝土材料的试验技术

本研究以宏观与细观的试验为基础，而试验又以全级配混凝土试件为主、以应力－应变全过程为主，因此试验技术与量测技术的难度较大。如65cm立方体试件的单轴受压全过程试验与量测、45cm×45cm×250cm试件的轴拉全过程试验、90cm×45cm×420cm试件的三点弯曲断裂试验、压汞测孔技术量测混凝土的细观孔隙、断裂微裂缝区长度的实测等，在国内均是首次或少见的。

 

4　结　语

　　本研究是针对二滩工程的一些关键技术问题而开展的，一些材料试验主要也是结合二滩施工进行的，例如骨料品质因素影响、混凝土优化配合比、坝踵开裂稳定性复核等，因此，部分中间研究成果已经在施工中得到应用。

　　混凝土骨料品质因素影响分析试验表明，粗骨料采用基础开挖弃料（采用合格弃渣料为二滩招标文件所肯定），每立方米混凝土需多用约20kg胶凝材料。

　　在配合比优化设计中，推荐配合比对确定二滩混凝土配合比有指导与参考作用。目前，二滩工程采用的混凝土配合比，接近于所推荐的优化配合比，与二滩招标文件推荐的配合比相比，每立方米混凝土水泥用量减少了约35kg，且混凝土综合性能得到改善。

　　坝踵开裂断裂分析核算表明，二滩大坝设计合理，大坝强度安全得到保证，整体稳定基本不受坝踵局部开裂影响。