李繼紅，趙 青，周述禮，王志杰

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete，簡(jiǎn)稱RFC)技術(shù)是在自密實(shí)混凝土高流動(dòng)性、不離析基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的新型大體積混凝土技術(shù)，具有較好的綜合性能，并在水利工程中取得了廣泛應(yīng)用[1- 2]。

隨著堆石混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展，在筑壩材料方面取得了許多突破成果，如低水泥用量高自密實(shí)性能混凝土[3]、軟巖作堆石材料[4- 5]以及高寒地區(qū)混凝土特殊配合比[6]等。為了發(fā)揮堆石混凝土技術(shù)快速施工的優(yōu)勢(shì)，在堆石混凝土拱壩施工中，使用整體澆筑拱壩技術(shù)[7]，在防滲層使用一體化澆筑技術(shù)[8- 9]，同時(shí)根據(jù)堆石混凝土壩的筑壩過程，為有效防止高流動(dòng)性的自密實(shí)混凝土對(duì)模板造成較大的側(cè)壓力而產(chǎn)生變形。對(duì)此，工程中采用砌筑混凝土預(yù)制塊來代替其他模板使用，澆筑后并作為壩體的一部分。曾旭等[10]對(duì)混凝土預(yù)制塊砌體模板在堆石混凝土壩中的應(yīng)用做出了詳細(xì)的對(duì)比闡述，并得出混凝土預(yù)制塊砌體模板具有可行性和經(jīng)濟(jì)性。

由于混凝土預(yù)制塊砌體模板由砂漿和砌塊砌筑而成，在大壩澆筑的過程中高自密實(shí)混凝土?xí)?duì)砌體模板產(chǎn)生較大的側(cè)壓力，壓力過大則會(huì)引起砌體之間剪切應(yīng)力過大，從而造成模板失穩(wěn)而垮塌。因此混凝土預(yù)制塊砌體抗剪性能直接關(guān)系到堆石混凝土壩施工中的穩(wěn)定性問題，需要對(duì)混凝土預(yù)制塊砌體的抗剪性能進(jìn)行深入研究。

本文立足于工程建設(shè)需要，從施工現(xiàn)場(chǎng)取得混凝土預(yù)制塊材料，以砌體的抗剪穩(wěn)定性為研究對(duì)象，對(duì)4組共20個(gè)不同砌筑砂漿齡期以及不同法向荷載作用下混凝土預(yù)制塊砌體進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，通過對(duì)混凝土預(yù)制塊砌體的抗剪強(qiáng)度和破壞機(jī)理進(jìn)行分析，從而得出混凝土預(yù)制塊砌體在不同齡期中的抗剪強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件參數(shù)及材料性能

用于剪切試驗(yàn)的混凝土預(yù)制塊來源于某施工現(xiàn)場(chǎng)，采用C15混凝土澆筑成為500mm×300mm×300mm的長(zhǎng)方體試塊，每塊重量108kg。試件均采用M10砂漿砌筑，砌筑砂漿的配合比見表1。在剪切試驗(yàn)前，依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]，分別測(cè)出了M10混凝土砌筑砂漿不同齡期的粘結(jié)強(qiáng)度及立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 砌筑砂漿配合比

表2 砌筑砂漿不同齡期的粘結(jié)強(qiáng)度及立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值

1.2 試件制作

本試驗(yàn)中采用直剪試驗(yàn)，由上、下2個(gè)砌塊組成，砌塊之間砌筑砂漿的厚度均為20mm。試件尺寸為500mm×300mm×620mm。按齡期進(jìn)行分組，分為1、2、3、7d共4組，每組砌筑5個(gè)試件，共10個(gè)試塊。

1.3 試驗(yàn)裝置及荷載施加

試驗(yàn)的反力裝置使用的是YJ-ⅢD-W型結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，固定裝置是由2塊300mm×300mm的鋼板以及2根直徑為10mm的螺紋鋼焊接而成，將其用螺栓固定在試件兩側(cè)，防止試驗(yàn)過程中試件產(chǎn)生滑移。使用液壓千斤頂加載，壓力傳感系統(tǒng)讀取并記錄數(shù)據(jù)，位移計(jì)固定在固定鋼架上，放置于試件兩側(cè)的對(duì)稱部位用于測(cè)量水平方向位移，取其平均值減小位移誤差。剪切試驗(yàn)示意簡(jiǎn)圖及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

圖1 剪切試驗(yàn)示意簡(jiǎn)圖及現(xiàn)場(chǎng)照片

試驗(yàn)過程中，通過在試件頂部放置鐵塊(每塊約20kg)的方法實(shí)現(xiàn)法向荷載的施加，且每一次試驗(yàn)的法向荷載一次性施加完畢，由于試驗(yàn)中上部試塊自重較大，將自重考慮為施加的法向應(yīng)力，共有4組不同齡期工況的直剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分為5次進(jìn)行，每次對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力分別為0.0072、0.0122、0.0152、0.0192、0.0232MPa。水平方向上由千斤頂對(duì)試件施加剪切荷載，采用勻速間斷加載的方式，嚴(yán)格控制剪切力的增加，每次增加的剪切力為1.5kN(約0.001MPa)，通過壓力傳感器及配套電子顯示器讀取水平方向加載數(shù)值，并通過位移計(jì)讀取出每級(jí)荷載下相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，待數(shù)值穩(wěn)定后，繼續(xù)加載。當(dāng)剪切面發(fā)生剪切破壞時(shí)，即判定試驗(yàn)結(jié)束，并讀出試件發(fā)生剪切破壞時(shí)的剪切荷載峰值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件從加載到破壞的過程可分為4個(gè)階段。在水平剪切荷載施加的開始階段，試件的砌縫位置無明顯變化，試件上部砌塊水平方向安裝的位移計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)微小數(shù)值；加載繼續(xù)，位移計(jì)讀數(shù)開始增大，上部砌塊與砂漿之間處開始出現(xiàn)微裂紋；隨著加載不斷增大，微裂紋逐漸擴(kuò)展，很快開始向右延伸，位移計(jì)讀數(shù)變化速率明顯增大；最后砂漿與砌塊突然分開，并伴隨聲響，同時(shí)水平剪切荷載急劇下降，試件發(fā)生剪切破壞，在4組試驗(yàn)中，所有破壞均發(fā)生在上部砌塊與砂漿之間的接觸面上，為黏結(jié)剪切破壞。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和破壞機(jī)理分析

破壞時(shí)水平剪切荷載的最高數(shù)值即為砌縫砂漿抗剪的極限承載力，各齡期工況下，砌縫砂漿抗剪的極限承載力隨著法向應(yīng)力的增大而提高，剪切應(yīng)力-位移曲線如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖2 剪切應(yīng)力-位移曲線

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值及回歸計(jì)算值

從圖2可以看出，在相同的法向應(yīng)力作用下，齡期越大，曲線的斜率越小，位移增加越緩慢，當(dāng)施加的剪切應(yīng)力超過極限應(yīng)力的40%時(shí)，曲線的斜率有明顯變化，位移的增加速率明顯加快，最終達(dá)到破壞狀態(tài)，試驗(yàn)的表觀現(xiàn)象和數(shù)據(jù)曲線有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

混凝土預(yù)制塊砌筑體在直剪試驗(yàn)中所承受的法向荷載遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度，因此其剪切破壞形式為剪摩破壞，故本試驗(yàn)中采用庫(kù)倫理論的表達(dá)式來計(jì)算砌體的砌筑砂漿抗剪強(qiáng)度[12- 13]，表達(dá)式的基本形式為：

τ=c+φσn

(1)

式中，c—黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；σn—法向壓應(yīng)力，MPa；φ—砌縫與塊材間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)表3中的試驗(yàn)結(jié)果，在澆筑后的7d內(nèi)，抗剪強(qiáng)度快速增長(zhǎng)。對(duì)比表2，在同一法向應(yīng)力作用下，隨著齡期的變化，試件的抗剪強(qiáng)度與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

在各齡期工況下，由于砌筑試塊本身尺寸較大，采用人工鑿毛的方式，使得試塊砌筑表面粗糙度有差別，當(dāng)法向應(yīng)力施加變化較小時(shí)，剪切應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的增大出現(xiàn)減小的情況，但總體上來說，試驗(yàn)中的最大剪切應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的增大而增大，與庫(kù)倫理論相吻合。

試件的砌縫抗剪極限承載力可通過試驗(yàn)獲得，c和φ可通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)回歸得到。例如，1d的回歸分析得到的量值為：c=0.083和φ=0.3743?；貧w所得的c=0.083，與M10砌筑砂漿試驗(yàn)現(xiàn)象相符，回歸曲線如圖3所示，決定系數(shù)為0.799，呈現(xiàn)出一定的離散型。同理可得，各齡期工況下的回歸公式及相關(guān)系數(shù)，見表4。

根據(jù)表4中各齡期工況下對(duì)試件的砌縫抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比結(jié)果見表3。表中σ為壓應(yīng)力，τ、τ及Δcr分別為砌縫抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值、回歸計(jì)算值和剪切破壞的最大位移。試驗(yàn)值和計(jì)算值吻合度較好，所有試件試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值統(tǒng)計(jì)平均值為1.0001，各試件試驗(yàn)值和計(jì)算值的誤差在2%之內(nèi)，且差值均不超過0.003MPa。

圖3 在1d工況下各試件的極限剪切應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果和回歸曲線

表4 各齡期工況中回歸結(jié)果及砌筑砂漿試驗(yàn)值

由表4分析得出，庫(kù)倫理論類型砌縫抗剪強(qiáng)度表達(dá)式中的摩擦系數(shù)φ隨著砌筑齡期的增加而增加，抗剪斷黏結(jié)力c也與齡期呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。由于本試驗(yàn)剪切荷載采用非連續(xù)加載的方式，會(huì)造成混凝土砂漿粘結(jié)面造成疲勞損傷，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的離散型，切向荷載與法向荷載的相關(guān)性在0.79～0.93之間。

3 抗剪強(qiáng)度影響因素分析

(1)砌筑砂漿齡期。試驗(yàn)中砌體試件的剪切破壞均表現(xiàn)為砂漿與混凝土之間的粘結(jié)破壞，隨著齡期的增長(zhǎng)，砂漿的強(qiáng)度以及砂漿與砌塊之間的黏結(jié)力也越大，因此，砂漿與砌塊之間的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度也越高。

(2)試塊的表面粗糙度。試驗(yàn)由于試塊尺寸較大，為了提高黏結(jié)面的粗糙度，試塊采用人工鑿毛的方式，受人為因素的影響，使得粗糙度不均勻，各試塊均無同一粗糙度，使得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的離散性。

(3)剪切荷載施加方式。試驗(yàn)中剪切荷載采用非連續(xù)加載的方式，會(huì)對(duì)砂漿與砌塊之間的粘結(jié)面造成疲勞損傷，從圖5的剪切應(yīng)力-位移曲線中可以看出，開始加載時(shí)位移增加速率較慢，當(dāng)施加的剪切應(yīng)力超過極限應(yīng)力的40%時(shí)，位移的增加速率明顯加快，使得試驗(yàn)值與計(jì)算值之間存在差距。

4 結(jié)論

(1)混凝土預(yù)制塊砌體的水平砌縫破壞機(jī)理是砌筑砂漿與上部砌塊界面之間的脆性破壞，最終的破壞形態(tài)是砌筑砂漿與上部砌塊發(fā)生分離，形成完全的破壞界面。

(2)預(yù)制塊砌體的破壞為剪摩破壞形式，通過回歸曲線公式計(jì)算出的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高，各試件試驗(yàn)值和計(jì)算值的誤差在2%以內(nèi)，且差值均不超過0.003MPa。砌縫的抗剪斷摩擦系數(shù)φ及抗剪斷黏結(jié)力c與砂漿齡期呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。

(3)通過抗剪強(qiáng)度影響因素分析，試驗(yàn)中砌筑砂漿齡期、試塊的表面粗糙度以及荷載施加方式是影響抗剪強(qiáng)度的主要因素。