塑性混凝土三軸受壓本構(gòu)關(guān)系影響因素分析

胡良明 賈欣 張長(zhǎng)輝 高丹盈

摘要：基于15種配合比制作21組塑性混凝土立方體試件，進(jìn)行定側(cè)壓三軸試驗(yàn)，實(shí)測(cè)三軸受壓荷載作用下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析不同因素對(duì)塑性混凝土三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響。結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，水膠比、砂率、黏土用量及膨潤(rùn)土用量對(duì)塑性混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響不大，塑性混凝土的應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大；當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，在應(yīng)力相同的情況下，水膠比、黏土用量、膨潤(rùn)土用量的增大導(dǎo)致塑性混凝土應(yīng)變逐漸增大，砂率的增大導(dǎo)致塑性混凝土應(yīng)變逐漸減小；當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，塑性混凝土應(yīng)力水平隨著砂率、水泥用量、圍壓的增大而升高，隨著水膠比、黏土用量及膨潤(rùn)土用量的增大而降低。

關(guān)鍵詞：三軸試驗(yàn)；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；配合比；塑性混凝土

中圖分類號(hào)：TV431.9：TUs28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.031

塑性混凝土是用黏土或膨潤(rùn)土取代普通混凝土中部分水泥而形成的一種介于普通混凝土與黏土之間的柔性工程復(fù)合材料，有時(shí)為了改善塑性混凝土的性能、節(jié)約水泥、降低工程投資，還會(huì)摻人粉煤灰和外加劑等。塑性混凝土具有流動(dòng)性好、強(qiáng)度低、彈性模量小、變形大和抗?jié)B性能可控等優(yōu)點(diǎn)，近年來已被廣泛應(yīng)用于水利工程、高層建筑基礎(chǔ)防滲工程、垃圾填埋工程和污水處理工程中。20世紀(jì)70年代以來，國(guó)外學(xué)者對(duì)塑性混凝土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。Uzomakao J研究了水膠比對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度、峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變關(guān)系的影響：Khristova Y等利用超聲波技術(shù)對(duì)塑性混凝土的動(dòng)態(tài)特征變化進(jìn)行了研究：Evans J C等的試驗(yàn)研究表明，塑性混凝土與其他防滲墻材料相比具有適宜的強(qiáng)度和較低的滲透系數(shù)，抵御有機(jī)物侵蝕的能力較強(qiáng)，有良好的抗?jié)B性能和優(yōu)異的耐久性能，適合工程應(yīng)用：Ahmad Mahboubi等進(jìn)行了塑性混凝土三軸試驗(yàn)：Hinchbergers S等對(duì)塑性混凝土的基本力學(xué)性能以及裂縫的形成原因、裂縫深度計(jì)算、防止裂縫擴(kuò)展等進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。我國(guó)對(duì)塑性混凝土的試驗(yàn)研究工作起步雖然比國(guó)外晚一二十年，但進(jìn)展非常迅速。清華大學(xué)于玉貞對(duì)塑性混凝土的特性尤其是圍壓對(duì)塑性混凝土力學(xué)性能的影響以及在高壩中的應(yīng)用進(jìn)行了理論分析：鄭州大學(xué)李清富等對(duì)塑性混凝土進(jìn)行了配合比和基本力學(xué)性能方面的試驗(yàn)研究：清華大學(xué)鄧明基結(jié)合東平湖防滲工程進(jìn)行了黏土塑性混凝土和膨潤(rùn)土塑性混凝土單軸壓縮力學(xué)性能的研究：南昌大學(xué)王宣子對(duì)塑性混凝土的基本力學(xué)性能、工作性能及耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究：武漢理工大學(xué)胡瑜明進(jìn)行了塑性混凝土的高性能優(yōu)化研究。

在工程應(yīng)用中，混凝土的應(yīng)力狀態(tài)很少出現(xiàn)單軸受壓或受拉的情況，一般處于三維受壓狀態(tài)，且三個(gè)方向主應(yīng)力值不等（σ1≠σ1≠σ3），因此，需要通過三軸試驗(yàn)才能較好地反映其受力性能和破壞特征。由于塑性混凝土原材料的性質(zhì)和組成差別很大，其力學(xué)性能復(fù)雜、多變而且具有很大的離散性，其多軸強(qiáng)度和變形又隨三軸應(yīng)力狀態(tài)的不同而有很大差異，因此需要從混凝土原材料的性質(zhì)、組成和制備工藝等原始條件研究其三軸力學(xué)性能。目前，較現(xiàn)實(shí)和合理的方法是通過試驗(yàn)直接測(cè)定，然而國(guó)內(nèi)外針對(duì)塑性混凝土進(jìn)行的真三軸試驗(yàn)還很少，因此有必要分析水膠比、砂率、水泥用量、黏土用量、膨潤(rùn)土用量在不同圍壓情況下對(duì)塑性混凝土三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，為塑性混凝土的理論分析及工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥、河南信陽(yáng)平橋生產(chǎn)的鈣基膨潤(rùn)土、鄭州鄭東新區(qū)龍子湖成湖區(qū)的粉質(zhì)黏土，并將粉質(zhì)黏土取回晾干后以350目的粒度標(biāo)準(zhǔn)磨細(xì)至粉狀。以上材料各項(xiàng)指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規(guī)定。試驗(yàn)所用粗骨料為粒徑5～20mm的碎石：細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，屬中砂，級(jí)配曲線位于Ⅱ區(qū)。粗細(xì)骨料均滿足《建設(shè)用砂》（GB/T14684-2011）和《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2015）的要求。

2 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

塑性混凝土試驗(yàn)參數(shù)包括砂率、水膠比、水泥用量、黏土用量、膨潤(rùn)土用量等，本次試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)采取質(zhì)量法，即以1m3混凝土中各組成材料的質(zhì)量表示，如水泥336kg、砂654kg、石子1215kg和水195kg，單方材料質(zhì)量假定為2050kg。為達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，在確定最終配合比的過程中，邊澆筑邊調(diào)整，以避免出現(xiàn)拌和物太離析的情況。試驗(yàn)的最終配合比及參數(shù)變化情況見表1。

本次試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)主要確定水膠比、砂率、單位用水量3個(gè)參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)與塑性混凝土的各項(xiàng)性能之間有著密切的關(guān)系。水膠比是水與膠凝材料之比，膠凝材料是指水泥、黏土和膨潤(rùn)土；砂率是砂與砂石總量之比：水泥漿與骨料之間的比例關(guān)系常用單位用水量來反映。具體配合比設(shè)計(jì)方案見表2。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)表2中的15種配合比，共制作了21組150mmx150mmx150mm立方體塑性混凝土試件。其中：15組用于測(cè)試配合比參數(shù)對(duì)三軸受壓的影響，每組3個(gè)同一參數(shù)發(fā)生變化的試件：另外6組用于測(cè)試不同圍壓比對(duì)三軸受壓的影響，每組3個(gè)特定配合比（WB075、WB087、S04、S06、CL220、Bl00）的試件。試件澆筑成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為540d。此時(shí)，塑性混凝土的強(qiáng)度發(fā)展趨于穩(wěn)定，可以忽略試驗(yàn)過程中齡期對(duì)強(qiáng)度的影響。

采用LY-C拉壓真三軸儀進(jìn)行塑性混凝土的三軸受壓試驗(yàn)。其單軸最大壓力為450kN、單軸最大拉力為75kN，荷載誤差小于5%。設(shè)備壓力室由下方固定柱頭、左右前后和上方5個(gè)活動(dòng)柱頭合圍而成，通過氣壓控制設(shè)定和調(diào)整各軸荷載目標(biāo)值，通過油壓控制施加荷載，3個(gè)方向上的荷載獨(dú)立控制、垂直正交。試樣側(cè)面對(duì)稱布置位移計(jì)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集位移數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)為定側(cè)壓的三軸受壓試驗(yàn)，在進(jìn)行三軸抗壓破壞試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)施加σ1、σ2、σ3，使σ1、σ2，至預(yù)定圍壓值保持不變，繼續(xù)施加σ3直至試件破壞，σ3方向的應(yīng)力峰值即為三軸抗壓強(qiáng)度。單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行。取3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度（精確至0.1MPa）；3個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差值超過中間值的15%時(shí)，則把最大及最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度：如最大值和最小值與中間值之差均超過中間值的15%時(shí)，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無效。

試驗(yàn)條件以塑性混凝土心墻壩為例進(jìn)行模擬，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定三種圍壓情況：①σ1=0.2MPa、σ2=0.4MPa；②σ1=0.4MPa、σ2=0.6MPa；③σ1=0.4MPa、σ2=0.8MPa。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 水膠比的影響

水膠比變化時(shí)，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。由圖l可見：應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土水膠比較大時(shí)，其應(yīng)變也較大：應(yīng)變相同時(shí)，塑性混凝土水膠比較大時(shí)，其應(yīng)力水平較低：當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為迅速，表現(xiàn)出較大的初始變形，但水膠比對(duì)塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響不明顯：隨著水膠比的減小，應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始斜率逐漸增大，破壞應(yīng)力逐漸提高。

4.2 砂率的影響

砂率變化時(shí)，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。由圖2可見，除圍壓①情況下S05試件外，總體上呈現(xiàn)如下規(guī)律：應(yīng)力相同時(shí)，塑性混凝土砂率較大時(shí)，其應(yīng)變較?。簯?yīng)變相同時(shí)，塑性混凝土砂率較大時(shí)，其應(yīng)力水平較高：當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，砂率對(duì)塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響不明顯。

4.3 水泥用量的影響

水泥用量變化時(shí)，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3。由圖3可見：塑性混凝土的彈性模量隨水泥用量的增加而減?。簯?yīng)力水平較高時(shí)，應(yīng)變相同情況下，水泥用量較大時(shí)，塑性混凝土應(yīng)力水平較高。

4.4 黏土用量的影響

黏土用量變化時(shí)，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖4。由圖4可見：塑性混凝土的黏土用量為180、220kg/m3時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系幾乎一致：應(yīng)變相同情況下，黏土用量為260kg/m3時(shí)的應(yīng)力水平較黏土用量為180、220kg/m3時(shí)的低；應(yīng)力水平相同情況下，黏土用量為260kg/m3時(shí)的應(yīng)變較黏土用量為180、220kg/m3時(shí)的顯著增大；當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，黏土用量對(duì)塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響較小。

4.5 膨潤(rùn)土用量的影響

膨潤(rùn)土用量變化時(shí)，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖5。由圖5可見：當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，膨潤(rùn)土用量對(duì)塑性混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響不大：當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，除圍壓③情況下B40試件外，總體上呈現(xiàn)應(yīng)變隨膨潤(rùn)土用量的增大而增大。

4.6 圍壓的影響

在配比相同情況下，不同圍壓塑性混凝土三軸受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖6。由圖6可見：圍壓②和圍壓③情況下的塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系幾乎一致：與低圍壓（圍壓①）相比，高圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段斜率更大，峰值壓力有所提高：應(yīng)變相同情況下，圍壓①情況下塑性混凝土承受的應(yīng)力水平比圍壓②和圍壓③情況下的應(yīng)力水平低：應(yīng)力水平相同情況下，圍壓①情況下塑性混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變比圍壓②和圍壓③情況下的應(yīng)變要大。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，水膠比、砂率、黏土用量以及膨潤(rùn)土用量對(duì)塑性混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響不大：隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的彈性模量減小。

（2）在應(yīng)力水平較高時(shí)，應(yīng)力相同的情況下，水膠比、黏土用量、膨潤(rùn)土用量的增大導(dǎo)致塑性混凝土應(yīng)變逐漸增大，砂率的增大導(dǎo)致塑性混凝土應(yīng)變逐漸減小。

（3）當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，塑性混凝土砂率、水泥用量越大其應(yīng)力水平越高，水膠比、黏土用量、膨潤(rùn)土用量越大其應(yīng)力水平越低。

（4）圍壓②和圍壓③情況下的塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系幾乎一致，與圍壓①相比，高圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段斜率更大，峰值壓力有所提高：應(yīng)變相同時(shí)，塑性混凝土承受的應(yīng)力水平隨圍壓的減小而降低：應(yīng)力水平相同時(shí)，塑性混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變隨圍壓的減小而增大。