水泥凈漿單軸受壓力學(xué)性能試驗(yàn)與分析

解恒燕，陳斌

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

水泥凈漿單軸受壓力學(xué)性能試驗(yàn)與分析

解恒燕，陳斌

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

為得到簡(jiǎn)單配比的水泥凈漿單軸受壓力學(xué)性能，進(jìn)行了2種配合比的水泥凈漿試件試驗(yàn)，給出了試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞過程，得到了水泥凈漿試件力學(xué)性能指標(biāo)。分析了彈性模量變化規(guī)律，給出了以水泥凈漿棱柱體抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)的彈性模量計(jì)算公式。分析了水泥凈漿單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段變化規(guī)律，采用混凝土規(guī)范公式擬合得到了水泥凈漿單抽受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段計(jì)算公式，給出了曲線參數(shù)取值。給出了通過強(qiáng)度計(jì)算得到水泥凈漿彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的計(jì)算方法，為工程實(shí)踐及采用水泥凈漿進(jìn)行分析提供基礎(chǔ)素材。

水泥凈漿；單軸受壓；力學(xué)性能；彈性模量；應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單棟塑料大棚輕鋼溫室結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于我國(guó)東北和華北的大部分地區(qū)?，F(xiàn)有輕鋼溫室結(jié)構(gòu)存在抵抗暴風(fēng)、暴雪能力差、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出采用切實(shí)可行的方法加固現(xiàn)有輕鋼溫室的思想，對(duì)上弦受壓鋼管灌漿是加固方法之一。由于鋼管截面較小，因此采用的灌漿料主要為水泥凈漿。在采用分析軟件對(duì)灌漿鋼管進(jìn)行分析時(shí)，需要輸入水泥凈漿的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變及本構(gòu)模型等。在查閱文獻(xiàn)過程中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)研究成果都是針對(duì)特殊的水泥基灌漿材料，而針對(duì)于簡(jiǎn)單配制的水泥凈漿研究反而較少，這類材料的基本性能指標(biāo)較難得到。如簡(jiǎn)單照抄混凝土的相關(guān)指標(biāo)，又很難信服。針對(duì)這種情況，研究了由水泥、水、外加劑為膨脹劑和減水劑所組成的簡(jiǎn)單配比的水泥凈漿體的基本性能，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。

1 水泥凈漿試件制作

根據(jù)灌漿所需的流動(dòng)性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2組不同配合比的水泥凈漿，如表1所示，表中配比均為質(zhì)量比。試驗(yàn)用水泥為大慶市同源水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，膨脹劑和減水劑均為哈爾濱鐵路混凝土外加劑廠生產(chǎn)。

表1 水泥凈漿配合比Table 1Mix proportion of cement paste

試驗(yàn)所用水泥凈漿試件編號(hào)如表2所示。

表2 水泥凈漿試件編號(hào)Table 2The number of cement paste specimen

仿照建筑砂漿的制作方法，同時(shí)為了比較基層吸水性對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度的影響，每組配合比分別制作無底模和有底模2種試件[1]。無底模試件置于吸水性較強(qiáng)的紅磚上。為了便于拆模，在紅磚表面與試件中間放置一層吸水紙。試件尺寸為：立方體70.7× 70.7×70.7 mm，棱柱體70.7×70.7×210 mm，圓柱體d× h=70.7×210 mm。每組3個(gè)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

依據(jù)JGJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》[2]，水泥凈漿試件的制備程序?yàn)椋簩⒎Q量好的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、UEA膨脹劑和FDN減水劑倒入攪拌臺(tái)，采用人工干拌3 min；在攪拌過程中緩緩加入稱量好的水，濕拌5 min；將拌合物注入鋼模，使用長(zhǎng)度400 mm、直徑16 mm的鋼棒進(jìn)行振搗，重點(diǎn)對(duì)模具4個(gè)角部進(jìn)行多次振搗，每個(gè)部位振搗不少于30次。振搗結(jié)束后將試件靜置20 min，發(fā)現(xiàn)試件上表面有少量水分離出來，如圖1所示。經(jīng)測(cè)試，首次靜置分離水高度平均為6 mm左右。此時(shí)需將水緩緩傾倒出來，填入凈漿至試模高度，進(jìn)行補(bǔ)漿并振搗。靜置數(shù)分鐘后，發(fā)現(xiàn)仍有水分離現(xiàn)象，再進(jìn)行補(bǔ)漿。試件從開始制作到完成，需要5～6次補(bǔ)漿，直至試件制作達(dá)到設(shè)計(jì)高度且不再有水分離出來為止。大約每個(gè)試件耗時(shí)3 h。試件制作完成后，在20±5℃溫度環(huán)境下靜置24 h，然后編號(hào)、拆模，將試件立即放入溫度為20±2℃，相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，7 d后進(jìn)行試驗(yàn)[3]。

2 試驗(yàn)測(cè)試裝置

在棱柱體試件兩側(cè)面中部各沿試件長(zhǎng)度方向粘貼了2片紙基電阻應(yīng)變片，用以測(cè)量試件縱向應(yīng)變[4]。在另外兩個(gè)側(cè)面各沿垂直于試件長(zhǎng)度方向粘貼了2片應(yīng)變片，用以測(cè)量試件橫向應(yīng)變，如圖2所示。在沿圓柱體試件長(zhǎng)度方向及垂直方向各粘貼了1片應(yīng)變片，如圖3所示。采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH-3818N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀量測(cè)試件的應(yīng)變。應(yīng)變片尺寸為：有效柵寬×柵長(zhǎng)=5×40 mm。

圖1 水泥凈漿表面的水分離現(xiàn)象Fig.1Water seperation on the surface of cement paste specimen

圖2棱柱體試件應(yīng)變片布置Fig.2Strain gage on prism specimen

圖3 圓柱體試件應(yīng)變片布置Fig.3Strain gage on cylinder specimen

水泥凈漿試件在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行逐級(jí)加載，應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)與應(yīng)力同步采集。依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》JGJ/T70-2009[2]中的試驗(yàn)方法對(duì)試件進(jìn)行加載。加載速率為0.3～0.5 MPa·s-1，勻速加載。同時(shí)控制試件的變形速率不大于10 με·ε-1，即每秒10個(gè)微應(yīng)變[5]。當(dāng)加載速率與變形速率發(fā)生矛盾時(shí)，以變形速度控制為準(zhǔn)。試驗(yàn)加載及采集裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)加載及采集裝置Fig.4Loading and collecting devices

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

水泥凈漿立方體試件與普通混凝土立方體試件破壞過程相似。在加載達(dá)到極限荷載的30%時(shí)，立方體試件角部首先產(chǎn)生微小裂縫，隨著加載持續(xù)，可聽到試件發(fā)出連續(xù)的脆性響聲。在加載達(dá)到極限荷載的60%時(shí)，試件表面可見豎向裂縫。在加載達(dá)到極限荷載的80%時(shí)，體試件開始產(chǎn)生大量的豎向裂縫，較大的碎片從試件表面剝落分離，且隨著加載持續(xù)，剝落不斷向試件內(nèi)部發(fā)展。卸載后，剝?nèi)ケ砻姹粔核值膬魸{碎片，破壞后的試件呈雙角錐狀[6]，如圖5所示。

圖5 卸載后的立方體試件Fig.5Cube specimen after unloading

棱柱體試件在加載達(dá)到極限荷載的30%時(shí)，試件發(fā)出輕微的響聲，可觀察到在試件表面出現(xiàn)沿縱向的細(xì)小裂縫。隨著加載持續(xù)，縱向裂縫逐漸延長(zhǎng)，并伴有角部表面脫落現(xiàn)象。在加載達(dá)到極限荷載的70%時(shí)，有持續(xù)的響聲發(fā)出，縱向裂縫逐漸貫通同時(shí)有多條縱向裂縫產(chǎn)生，棱柱體角部脫落明顯。在加載達(dá)到極限荷載的90%時(shí)，數(shù)條縱向貫通裂縫逐漸變寬并發(fā)生分離。試件破壞的瞬間，可聽到巨大的響聲。破壞后的棱柱體試件如圖6所示。

圓柱體試件在加載初期，試驗(yàn)現(xiàn)象與棱柱體試件相似。加載后期破壞現(xiàn)象比棱柱體嚴(yán)重。在加載達(dá)到極限荷載的30%時(shí)，開始出現(xiàn)有輕微的響聲，與棱柱體試件不同的是，此時(shí)可以明顯地觀察到圓柱體試件周圍都有縱向長(zhǎng)裂縫產(chǎn)生。在加載達(dá)到極限荷載的60%時(shí)，試件持續(xù)地發(fā)出輕微響聲，此時(shí)外觀裂縫并無明顯變化。在加載達(dá)到極限荷載的80%時(shí)，試件上下表面與壓力機(jī)接觸部分發(fā)生破壞，縱向裂縫逐漸延長(zhǎng)，圓柱體表面有脫落。試件接近達(dá)承載能力極限時(shí)，圓柱體表面開始快速并大面積地脫落，達(dá)到最終破壞時(shí)，圓柱體試件會(huì)有較大響聲出現(xiàn)，最終破壞呈壓潰狀態(tài)，如圖7所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 物理力學(xué)性能指標(biāo)

得到2組不同配合比的水泥凈漿試件立方體抗壓強(qiáng)度fcu、棱柱體抗壓強(qiáng)度fc、圓柱體抗壓強(qiáng)度f′c及彈性模量E等力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示。

圖6 受壓破壞的棱柱體試件Fig.6Prism specimen after compression failure

圖7 受壓破壞的圓柱體試件Fig.7Cyclinder specimen after compression failure

表3 水泥凈漿試件力學(xué)性能指標(biāo)Table 3Mechanical property index of cement paste specimen

由表3可見，無底模試件比有底模試件強(qiáng)度高。證明基層吸水性對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度存在影響。水泥凈漿棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值平均為：fc/fcu=0.936，圓柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值平均為：f′c/fcu=0.388?？梢娝鄡魸{強(qiáng)度換算規(guī)律不同于普通混凝土，fc/fcu比混凝土高，f′c/fcu比混凝土低。分析其原因，混凝土內(nèi)部是多層次的二項(xiàng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，存在初始微裂縫。而水泥凈漿體由于沒有砂、石等粗細(xì)骨料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻，如圖8所示。因此，在相同荷載作用下，水泥凈漿體與普通混凝土內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展及失穩(wěn)過程破壞可能不同，因此水泥凈漿強(qiáng)度規(guī)律不能簡(jiǎn)單照抄混凝土。

4.2 彈性模量

試驗(yàn)測(cè)得水泥凈漿試件彈性模量如表2所示?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）[8]中，普通混凝土的彈性模量Ec以其強(qiáng)度等級(jí)值（fcu，k為代表值）按式（1）計(jì)算：

圖8 水泥凈漿試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.8Inner structure of cement paste specimen

將表2中試驗(yàn)得到的水泥凈漿彈性模量仿照上式進(jìn)行計(jì)算，強(qiáng)度按照試驗(yàn)得到的fcu帶入式（1），可得到水泥凈漿彈性模量試驗(yàn)值與按照規(guī)范的計(jì)算值隨強(qiáng)度的變化試驗(yàn)點(diǎn)如圖9所示。

圖9 水泥凈漿彈性模量計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值分布Fig.9Distribution of calculated and tested elasticitymodulus of cement paste

由圖9可見，水泥凈漿彈性模量比按照“規(guī)范”計(jì)算得到的混凝土彈性模量小。由于凈漿體內(nèi)部沒有粗骨料，因此在相同荷載作用下，水泥凈漿體比普通混凝土變形大，彈性模量小。由圖9可見，水泥凈漿體彈性模量隨著強(qiáng)度的提高而提高。強(qiáng)度和彈性模量是水泥石內(nèi)部組成及微觀結(jié)構(gòu)特征在不同方面對(duì)其力學(xué)性能的表現(xiàn)[9]。當(dāng)已知水泥凈漿體強(qiáng)度，需要估算其彈性模量時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]提出的方法，以試驗(yàn)測(cè)得的棱柱體或圓柱體抗壓強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，以水泥凈漿試件彈性模量為縱坐標(biāo)，得到水泥凈漿試件彈性模量隨強(qiáng)度的變化有效試驗(yàn)點(diǎn)分布及擬合曲線如圖10所示。

圖10 水泥凈漿試件彈性模量隨強(qiáng)度變化分布Fig.10Distribution of elasticity modulus of cement paste with the change of strength

由圖10可見，試驗(yàn)點(diǎn)分布比較離散，因此采用式（2）進(jìn)行彈性模量計(jì)算，也只能是大致的推算。試驗(yàn)試件個(gè)數(shù)有限，只有增大樣本數(shù)目，才能得到更精確的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，水泥凈漿的泊松比可按照混凝土泊松比取值，即vc=0.2。

圖10中實(shí)線為擬合曲線，其方程為式（2）：

4.3 水泥凈漿試件應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

試驗(yàn)得到了水泥凈漿試件上升段在各級(jí)荷載下的應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù)。按照（GB50010-2010）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C[8]給出的混凝土單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合公式為：

式中fc，r為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，εc，r為與fc，r相對(duì)應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變，dc為混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)。

擬合公式中的數(shù)據(jù)fc，r、εc，r及Ec均采用本次棱柱體試件的試驗(yàn)平均值。以1-2-P及2-2-P為例，試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)點(diǎn)分布及按照（3）式擬合曲線如圖11及圖12所示。為了方便比較，圖中坐標(biāo)值為歸一值，即橫坐標(biāo)ε/εc，r為應(yīng)變與峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變的比值，縱坐標(biāo)σ/fc，r為應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值。

圖11 試件1-2-P應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)點(diǎn)分布及擬合曲線Fig.11Test points and the fitting curve of stress-strainfor specimen 1-2-P

圖12 試件2-2-P應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)點(diǎn)分布及擬合曲線Fig.12Test points and the fitting curve of stress-strain for specimen 2-2-P

試驗(yàn)水泥凈漿fc在30～45 N·mm-2之間。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的各試件fc，r及對(duì)應(yīng)的εc，r，擬合得到水泥凈漿單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線上升段峰值應(yīng)力fc，r與峰值應(yīng)變?chǔ)與，r大致取值如表4所示。

表4 水泥凈漿單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線參數(shù)取值Table 4Parameters in stress-stain curve of cement paste subjected to uniaxial compression

從以上分析可見，雖然水泥凈漿與混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不同，但仍可采用混凝土規(guī)范給出的應(yīng)力-應(yīng)變模型來分析水泥凈漿的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

5 結(jié)語

進(jìn)行了2種配合比的水泥凈漿試件試驗(yàn)，得到了水泥凈漿試件力學(xué)性能指標(biāo)，給出了以水泥凈漿棱柱體抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)的彈性模量計(jì)算公式，采用混凝土規(guī)范公式擬合得到了水泥凈漿單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段計(jì)算公式，給出了曲線參數(shù)取值。為水泥凈漿進(jìn)行后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。同時(shí)水泥凈漿試件樣本數(shù)目少，試件尺寸偏小，試驗(yàn)方法與“規(guī)范”不完全一致，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也只得到了上升段，這些都是試驗(yàn)的不足之處。尚待對(duì)水泥凈漿的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，以更好地為工程實(shí)踐及模擬分析服務(wù)。

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Experiment and Analysis on Mechanical Properties of Cement Grout Subjected to Uniaxial Compression

Xie Hengyan，Chen Bin
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agriculture University，Daqing 163319）

In order to get the mechanical properties of simple cement paste subjected to uniaxial compression，2 mix proportion cement paste were tested.Phenomena in the experiment and destruction process were described，and the mechanical property index of cement paste was given.Law of elasticity modulus was analyzed，and the calculation formula of elasticity modulus of cement paste based on the prism compression strength was obtained.The law of ascending stage in stress-strain curve of cement paste subjected to uniaxial compression was analyzed.The calculation formula of the ascending stage was gotten by curve fitting conforming to the formula in concrete design code.The parameters in the curve were given.The calculation of elasticity modulus of cement paste and the ascending stage of the stress-strain curve were given in this paper，which would provide basis for actual engineering practice and analysis using software.

cement paste；uniaxial compression；mechanical property；elasticity modulus；stress-strain curve

TU392.2

A

1002-2090（2017）01-0094-06

2015-11-25

黑龍江省教育廳新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（20102305120003）；黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目（1155G37）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)（XYB2012-15）。

解恒燕（1973-），女，副教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程等方面的研究工作。