低温与冲击荷载作用下碾压混凝土动态力学性能及破坏机理研究

Research on dynamic mechanical behavior and failure mechanism of roller compacted concrete (RCC) subjected to impact load under low temperature is a frontier and key technical issue in the construction and safe operation of RCC dam in cold area. This project intends to conduct the impact compression test of RCC under low temperature using the Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB). The laws about the macroscopic mechanical properties changing with strain rate and temperature are analyzed. Effect of ice-water phase change on the strength and deformation behaviors is studied based on the differences of the macroscopic mechanical properties under normal-low temperature condition and under dry-saturated state. The energy transfer theory of stress wave is used to analyze the energy transfer laws and energy dissipation characters. The impact damage variable characterized by the concept of energy is introduced to study the effect of temperature change on impact damage of RCC. The RCC fragmentations after impact crushing are screened, and the fractal dimension is adopted to analyze the fractal characteristics and establish the fragment-size distribution model of RCC. The Scanning Electron Microscope (SEM) is applied to observe the fracture morphology. By means of the morphology characteristics and fracture modes of RCC, effects of Low temperature gradient on the impact fracture characteristics are studied, and microcosmic mechanism of impact failure under low temperature is revealed. The research results of this project will provide some references for application and development of RCC dam technology in cold area.

低温环境下碾压混凝土的动态力学特性及破坏机理是寒区碾压混凝土坝建设与安全运行必须面对的前沿性关键技术问题。本项目利用SHPB试验装置进行低温作用后碾压混凝土动态冲击压缩试验，分析其宏观力学特性随应变率和温度的变化规律，基于常温与低温、干燥与饱水状态下宏观力学特性的差异，分析水冰相变对碾压混凝土强度和变形性能的影响；基于应力波能量传递理论，分析碾压混凝土破坏能量的传递规律与耗散特性，引入用能量概念表征的冲击损伤变量，分析温度变化对碾压混凝土冲击损伤的影响；对冲击破碎后的碾压混凝土进行块度筛分，引入分形维数研究破碎块度的分形特征，建立碾压混凝土破碎块度分形计算模型；利用SEM电镜扫描观测冲击作用后碾压混凝土的断口表面，通过分析断口微观形貌特征和破裂模式，研究低温梯度对碾压混凝土冲击断裂特征的影响，揭示低温作用下碾压混凝土冲击破坏的微观机理。研究成果为寒区碾压混凝土筑坝技术的应用和发展提供参考。

为进一步开发西部水电能源，我国高海拔寒区正在或即将修建一批100~300m级的高碾压混凝土坝。大坝在服役期间可能遭受由地震、爆炸和恐怖袭击等灾害引起的高应变率荷载而失事。因此，为了更好地支撑碾压混凝土坝的抗爆设计，在充分考虑碾压混凝土材料这一具备特有组分配比、成层特性和碾压振动施工工艺等特点基础上，开展低温与冲击荷载作用下动态力学性能研究显得十分必要。本项目采用室内测试与理论分析相结合的方法，首先利用SHPB试验装置从温度效应和应变率效应两个方面研究碾压混凝动态压缩与劈裂力学性能，在此基础上通过开展破碎能量分析与分形特征研究，建立低温与冲击荷载作用下碾压混凝土破碎块度分形计算模型，最后采用SEM电镜扫描技术揭示低温环境下碾压混凝土冲击断裂特性及细观破裂机理。研究发现：①峰值应力、峰值应变、弹性模量随应变率增大呈线性增长，峰值应力增速大于弹性模量增速，峰值应变增速最小；峰值应力、弹性模量随温度降低近似线性增大，但峰值应变随温度降低近似线性减小。②破碎特征中的细颗粒、大粒径碎块、平均粒径、分形维数均表现出明显的应变率效应及温度效应，分形维数与平均粒径近似线性相关。动态压缩不均匀系数和曲率系数均存在一定的阶段性的应变率效应和温度效应，但动态劈裂曲率系数大部分都大于2.5，相较于动态压缩破碎试样的颗粒集的连续性较差。③入射能、反射能、透射能、耗散能均随着应变率升高而呈线性增大，入射能增幅最大，反射能次之，耗散能较弱，透射能最小；耗散率、透射率随应变率增大呈似线性提高，但反射率呈线性趋势下降。透射能、耗散能都随着温度的降低而增大，但反射能随着温度的降低而逐渐减小；耗散率、透射率呈现出增大趋势，反射率却呈现出下降的趋势，因为温度降低，试样整体强度提高，相同冲击荷载下，为使试样中微裂隙扩展，则需更多的能量。④对能量耗散与宏观破坏之间的相关性进行分析，发现比能量耗散随应变率的增加而增大；比能量耗散-峰值应力、比能量耗散-分形维数的拟合结果较为理想，且拟合度良好，并验证了拟合函数的合理性，说明试样比能量能耗与峰值应力、分形维数有较强的应变率相关性。以上取得的研究成果为寒区碾压混凝土筑坝技术的应用和发展提供参考。