薛子熹，羅丹旎,2,3，程壽山，李國楨

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；3.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；4.橋梁結(jié)構(gòu)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710000)

1 引言

對(duì)于澆筑于巖基上的混凝土壩，混凝土與巖石之間的界面由于容易存在初始微裂紋這一缺陷，往往是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在荷載、溫度變化和滲流作用等復(fù)雜因素的影響下極易產(chǎn)生裂縫并發(fā)生沿建基面的擴(kuò)展[1]?；炷僚c巖石界面的薄弱區(qū)域一直是水工界需要深入探討和研究的方向。

近年來，由于考慮到界面在受載前容易存在初始微裂縫這一特點(diǎn)，不少學(xué)者開始嘗試基于斷裂力學(xué)理論對(duì)巖石-混凝土界面的斷裂性能進(jìn)行研究。

近幾十年來，已有不少國內(nèi)外學(xué)者開展了巖石-混凝土界面力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。Maji[2]在1992年對(duì)巖石-混凝土復(fù)合試件開展了緊湊拉伸試驗(yàn)，指出巖石-混凝土界面與巖石、混凝土類似，呈現(xiàn)出準(zhǔn)脆性行為，該試驗(yàn)中界面的斷裂能約為混凝土部分的1/4。Kishen等[3]對(duì)石灰?guī)r-混凝土復(fù)合試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相較于混凝土本體，巖石-混凝土界面斷裂能比強(qiáng)度折減嚴(yán)重，界面斷裂能僅為混凝土部分的21%。陸超等[4]對(duì)自然界面條件下巖石-混凝土復(fù)合試件開展了三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，研究了初始縫高比對(duì)起裂荷載和抗折強(qiáng)度的影響。以上研究表明，巖石混凝土界面的斷裂性能與很多因素有關(guān)，其界面斷裂特性較為復(fù)雜?；诖?，本文主要利用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究界面粗糙度和混凝土配合比對(duì)巖石-混凝土Ⅰ型界面斷裂性能的影響。

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

目前常采用的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法對(duì)于沿界面開裂破壞的Ⅰ型斷裂特性進(jìn)行研究。試驗(yàn)中采用的巖石-混凝土復(fù)合試件的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，預(yù)制裂縫長度分別30 mm和15 mm。圖1為三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)的加載示意圖。

圖1 巖石-混凝土加載方式示意圖

為研究界面粗糙度和混凝土配合比巖石-混凝土試件的斷裂性能的影響，設(shè)計(jì)了一系列巖石-混凝土復(fù)合試件的三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)。試驗(yàn)具體分組見表1。

表1 三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)材料

巖石-混凝土復(fù)合試件中的混凝土的配合比主要參考向家壩重力壩混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終采用了強(qiáng)度等級(jí)為C25的一級(jí)配混凝土。制備混凝土?xí)r，水泥采用P42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，粗骨料采用石灰?guī)r人工碎石(5 mm～20 mm)，細(xì)骨料采用普通河沙，減水劑采用江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的JM-ⅡC緩凝高效減水劑。試驗(yàn)中使用的3種混凝土配合比具體見表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì) 單位：kg/m3

2.3 試件制備

首先，從一塊完整巖樣中切割、打磨出100 mm×100 mm×500 mm的長方體巖石試樣。然后，使用數(shù)控切割機(jī)床在長方體試樣中間截面位置進(jìn)行切割獲得預(yù)制裂縫。

之后，利用高壓伺服動(dòng)真三軸試驗(yàn)機(jī)開展巖石試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將巖石試件加載至斷裂，從而得到自然斷面。自然斷面效果見圖2。

圖2 巖石的自然斷面

在獲得的自然巖石界面上的預(yù)制裂縫位置粘貼厚度為3 mm的塑料薄板，以預(yù)制巖石與混凝土間的裂縫。

最后，將制作好的巖石放置于圖3所示的定制的木模具內(nèi)，然后完成另一側(cè)混凝土的澆筑。混凝土振搗密實(shí)后，澆水養(yǎng)護(hù)24 h，然后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，28 d后取出用于開展有關(guān)試驗(yàn)。

圖3 復(fù)合試件澆筑

對(duì)于有刻槽處理的試件，主要對(duì)一塊完整的100 mm×100 mm×250 mm的長方體花崗巖試樣，在光滑的巖石界面，按設(shè)計(jì)的切槽方案精確地切割出所要求的槽數(shù)及槽深，獲得不同形貌的界面，并使用灌砂法[5]測量不同界面的粗糙度Ra。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的三種巖石切槽方案見圖4。

(a)刻3道9 mm深方槽

2.4 試驗(yàn)過程

本文利用MTS809液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)開展三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器布置見圖1。試驗(yàn)加載采用位移控制模式，加載速度為0.036 mm/min。試驗(yàn)中，荷載利用試驗(yàn)機(jī)自帶荷載傳感器采集，加載點(diǎn)位移利用LVDT位移傳感器采集，裂縫尖端區(qū)的變形利用應(yīng)變片采集，裂縫嘴張開和滑移位移利用引伸計(jì)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

對(duì)于界面斷裂性能的評(píng)價(jià)，起裂韌度KIini和抗折強(qiáng)度ffb可做為影響參數(shù)對(duì)界面斷裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在三點(diǎn)彎曲梁復(fù)合試件中，計(jì)算起裂斷裂韌度的關(guān)鍵參數(shù)是試件的起裂荷載Pini，本文采用電阻應(yīng)變片法測定。試驗(yàn)中，在裂縫尖端兩側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片，采集數(shù)據(jù)繪制荷載-裂尖應(yīng)變曲線圖，曲線回彈點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載即為起裂荷載。典型荷載-裂尖應(yīng)變曲線見圖5。

圖5 荷載-裂尖應(yīng)變曲線

在測定起裂荷載后，本文使用ABAQUS有限元軟件計(jì)并通過結(jié)合圍線積分法計(jì)算各個(gè)試件起裂時(shí)刻應(yīng)力強(qiáng)度因子，作為起裂斷裂韌度。通過在裂尖附近區(qū)域構(gòu)建奇異網(wǎng)格劃分，將測得的起裂荷載代入模型之中，計(jì)算出裂尖起裂韌度。網(wǎng)格劃分模型見圖6。

圖6 模型網(wǎng)格劃分

抗折強(qiáng)度指試件承受彎矩時(shí)加載至折斷單位面積上承受的極限應(yīng)力，是評(píng)價(jià)試件抵抗彎曲能力的重要參數(shù)。三點(diǎn)彎曲加載條件下巖石-混凝土復(fù)合試件的抗折強(qiáng)度采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Pmax為試驗(yàn)過程中的峰值荷載；m為試件的質(zhì)量；l、b、d分別為試件的長、寬、高；a0為預(yù)制裂縫的長度。

3.1 斷裂破壞形態(tài)分析

在三點(diǎn)彎曲加載條件下，各個(gè)試件的破壞形態(tài)都大致相同，皆為沿界面開裂的Ⅰ型破壞模式。即預(yù)制裂縫自尖端起裂后，一直沿界面擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)試件。而從界面破壞圖(圖7)中我們可以看出，自然界面的花崗巖試件其界面破壞位置都比較平整，巖石界面上雖然粘黏有少量砂漿，混凝土斷面也粘黏有少量巖屑，但總體還是較為光滑。斷面整體呈現(xiàn)出巖石與混凝土直接剝離的破壞特征。

(a)花崗巖自然界面斷裂形態(tài)

對(duì)于低糙度的巖石自然界面和高粗糙度的巖石切槽界面，由于界面高低起伏形貌的差異巨大，斷面破壞形態(tài)有一定的不同。對(duì)于高粗糙度的巖石切槽界面，巖石未刻槽部位僅粘黏有微量砂漿，仍較為光滑，而刻槽部位大部分混凝土粘結(jié)在巖石凹槽內(nèi)，但由于一些骨料影響了裂縫擴(kuò)展軌跡，也存在少量混凝土從槽內(nèi)拔出的現(xiàn)象。

3.2 混凝土水灰比的影響

為探究混凝土水灰比對(duì)巖石-混凝土界面斷裂性能的影響，對(duì)3種不同水灰比的巖石-混凝土試件開展三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)。表3和圖8分別給出了不同混凝土水灰比下試件的起裂韌度和抗折強(qiáng)度的均值變化。

圖8 水灰比對(duì)起裂韌度和抗折強(qiáng)度的影響

表3 起裂韌度和抗折強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

花崗巖-混凝土復(fù)合試件的試驗(yàn)結(jié)果顯示，水灰比的調(diào)整對(duì)界面的斷裂性能都影響明顯，隨著混凝土水灰比的增加，起裂韌度KIini呈現(xiàn)明顯下降趨勢。由于混凝土水灰比的增加，一方面，混凝土拌合物中水分越多，水分蒸發(fā)也越多，產(chǎn)生的塑性收縮也越大，降低了巖石-混凝土界面的膠結(jié)能力；另一方面，水灰比的增大會(huì)使混凝土拌合物凝結(jié)時(shí)間相對(duì)延長，使混凝土抵抗塑性收縮的力產(chǎn)生時(shí)間延長，抵抗塑性收縮的力減弱，混凝土容易產(chǎn)生裂縫，在荷載作用下，試件更容易發(fā)生破壞，影響巖石-混凝土界面的斷裂性能。

大體而言，在其他條件相同的情況下，在本次試驗(yàn)中選取的水灰比范圍內(nèi)(約50%～60%)，混凝土水灰比相對(duì)較低時(shí)與巖石的粘結(jié)性能更優(yōu)，界面斷裂韌度與抗折強(qiáng)度更高。水灰比的大小很大程度上影響著巖石-混凝土界面斷裂性能，在實(shí)際工程中應(yīng)該合理地選用水灰比方案。

3.3 界面粗糙度的影響

為探究界面粗糙度對(duì)巖石-混凝土界面斷裂性能的影響，對(duì)自然界面和兩種不同灌砂粗糙度的巖石-混凝土試件開展三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，結(jié)果見表4、圖9。

表4 起裂韌度和抗折強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖9 粗糙度對(duì)起裂韌度和抗折強(qiáng)度的影響

通過表4與圖9分析可知，在相同水灰比情況下，當(dāng)對(duì)界面進(jìn)行刻槽處理后，試件在澆筑成型時(shí)由于多起伏、小高差形貌的界面增加了混凝土與界面的接觸面積，在振搗過程中混凝土能夠侵入巖石凹槽位置從而在界面位置形成相互之間的咬合作用，較高程度的膠結(jié)能力使得在界面發(fā)生破壞時(shí)，需要更大的外部應(yīng)力才能破壞整體試件的穩(wěn)定性，從而提高復(fù)合試件的界面強(qiáng)度。

灌砂粗糙度Ra為2.7 mm試件的斷裂韌度與抗折強(qiáng)度皆明顯高于粗糙度Ra為0 mm的試件。從數(shù)值上看，前者較后者起裂斷裂韌度KIini提高了64.7%，抗折強(qiáng)度提高了39%。而隨著粗糙度的增大，混凝土與巖石界面的接觸面積更大，使得兩者之間的膠結(jié)能力進(jìn)一步提高，使得界面的起裂韌度和抗折強(qiáng)度更高。從表4中可以看到，粗糙度Ra為3.6 mm的試件起裂韌度和抗折強(qiáng)度較粗糙度Ra為2.7 mm分別提高了31.9%和29.9%。

而對(duì)于相同刻槽數(shù)的情況下，通過加深刻槽的深度從9 mm加深到12 mm，其界面起裂韌度和抗折強(qiáng)度也分別提高了11.6%和11.5%，說明在這一范圍內(nèi)，加深刻槽深度依然能夠?yàn)榻缑鎺碓鰪?qiáng)增韌的效果。

總體而言，通過對(duì)界面進(jìn)行刻槽等處理進(jìn)而提高界面的粗糙度，可以使得巖石-混凝土界面的斷裂性能顯著增強(qiáng)?？滩厶幚硎且环N有效的界面增強(qiáng)增韌手段。

4 結(jié)論

(1)對(duì)比不同混凝土水灰比的巖石-混凝土復(fù)合試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使小幅度調(diào)整混凝土水灰比，巖石-混凝土界面斷裂性能也會(huì)發(fā)生明顯變化。在本文選取的水灰比范圍內(nèi)(約50%～60%)，混凝土水灰比相對(duì)較低時(shí)與巖石的粘結(jié)性能更優(yōu)，界面斷裂韌度與抗折強(qiáng)度更高。在實(shí)際工程需要更為合理地選用水灰比方案。

(2)對(duì)比不同界面粗糙度的巖石-混凝土復(fù)合試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖石-混凝土界面斷裂韌度隨界面粗糙度的增大而顯著提高，并且同一灌砂粗糙度下多起伏、小高差形貌的界面比少起伏、大高差形貌的界面具有明顯更高的斷裂韌度。巖石-混凝土界面斷裂性能隨界面粗糙度的增大而顯著提高。以界面刻槽處理的方式增強(qiáng)界面的粗糙度，可以達(dá)到增強(qiáng)界面斷裂性能的效果，從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。