高强度大体积混凝土材料特性研究

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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。