硅灰摻量對(duì)CSG材料力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

白 衛(wèi) 峰，李 思 蕾，朱 小 超，徐 存 東

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.黃河建工集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450045)

膠凝砂礫石(CSG)材料[1-2]是一種類(lèi)似于碾壓混凝土的新型材料，由水、砂礫石料和膠凝材料如硅酸鹽水泥和粉煤灰組成。CSG材料具有不同的膠凝材料含量、骨料含量和級(jí)配，已被用于各種基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，如堤防、土壤處理、農(nóng)村小型水電結(jié)構(gòu)的加固，最常見(jiàn)的是用于大壩建設(shè)[3]。隨著CSG材料在水利工程中的推廣應(yīng)用，對(duì)其配比設(shè)計(jì)及相應(yīng)的力學(xué)性能進(jìn)行研究至關(guān)重要。膠凝砂礫石是一種典型的彈塑性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與混凝土相似，但其強(qiáng)度和彈性模量均低于混凝土[4]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，學(xué)者們一直在研究膠凝砂礫石。一些研究人員[5-6]通過(guò)一系列抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了CSG材料強(qiáng)度特性的結(jié)果。但目前關(guān)于膠凝砂礫石力學(xué)性能的影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般關(guān)注較多的是水泥摻量、粉煤灰摻量、骨料級(jí)配、砂率、水膠比、試件尺寸、齡期等[6-9]，而關(guān)于硅灰摻量對(duì)膠凝砂礫石力學(xué)性能的影響卻鮮有報(bào)道。

硅灰具有火山灰效應(yīng)和微填料效應(yīng)[10]，可以顯著提高混凝土、砂漿等材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性和耐久性，在水利工程中有著廣泛的應(yīng)用。硅灰不僅應(yīng)用于高性能、高強(qiáng)度混凝土，也應(yīng)用于一些如塑性混凝土類(lèi)的低強(qiáng)度混凝土[11]。由于膠凝砂礫石壩存在強(qiáng)度低、抗?jié)B性差、耐久性差的問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究提高其強(qiáng)度、抗?jié)B性和耐久性的相關(guān)技術(shù)。本文通過(guò)開(kāi)展不同硅灰摻量下的CSG材料單軸壓縮試驗(yàn)，獲得單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)，研究硅灰摻量對(duì)CSG材料抗壓強(qiáng)度和變形性能的影響規(guī)律，為工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。結(jié)合白衛(wèi)峰等[12-14]提出的統(tǒng)計(jì)損傷理論，建立與硅灰摻量相關(guān)的本構(gòu)模型，分析硅灰摻量對(duì)CSG單軸壓縮過(guò)程損傷演化機(jī)制的影響規(guī)律。本文中應(yīng)力以受拉為正，受壓為負(fù)。

1 試驗(yàn)材料與試件制備

試驗(yàn)采用河南豐博天瑞生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰，砂為天然河砂(細(xì)度模數(shù)2.92，中砂)。硅灰采用鞏義硅灰，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。砂礫石料是在河南省北汝河汝州縣城段附近料場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的未經(jīng)處理的原狀砂礫料破碎、篩分后獲得，粒徑范圍均為5～40 mm，拌合水為鄭州市自來(lái)水。參照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試砂礫石骨料的性能指標(biāo)(見(jiàn)表2)。

本次試驗(yàn)中，保持水膠比(1.0)和膠凝材料總量(100 kg/m3)不變，粉煤灰摻量占膠凝材料總量的30%，砂率20%，大石(d=20～40 mm)和小石(d=5～20 mm)的比值為3∶2。分別用0，2%，5%，8%，10%，12%的硅灰等量取代水泥，共6組配合比(見(jiàn)表3)，研究硅灰摻量對(duì)CSG材料力學(xué)性能的影響。參照DL/T 5433—2009《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的要求，采用人工振篩法篩分砂礫石骨料，按照配合比進(jìn)行人工拌合。試件制成直徑150 mm、高300 mm的圓柱體，每組3個(gè)，共18個(gè)試件。分2次進(jìn)行裝模，各插搗25下，放置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)20 s。采用相同配比的水泥砂漿將試件上表面抹平，常溫靜置2 d后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，之后對(duì)6組試件S1～S6分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

表1 硅灰各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators of silica fume

表2 砂礫石料的基本性能Tab.2 Basic properties of cement sand and gravel

表3 膠凝砂礫石配合比Tab.3 Mixture ratio of cement sand and gravel

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在WAW-1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，采用位移方式控制加載，加載速率為0.36 mm/min，模擬準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中試件的縱向變形及軸向力均由試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集，用位移計(jì)測(cè)量試件兩端的位移。試驗(yàn)前對(duì)試件端面研磨整平，涂抹減摩劑。正式試驗(yàn)前對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行預(yù)加載，加載速率同上。每組測(cè)試3個(gè)相同的樣品，選取一條典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)作為該組試驗(yàn)結(jié)果。

圖1顯示了6種不同硅灰摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)?？梢钥闯?，曲線(xiàn)形式相似，且隨著硅灰摻量的增加，曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性：峰值應(yīng)力、彈性模量均逐漸增大，峰值應(yīng)變先減小后增大。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)Fig.1 Complete stress-strain curves under uniaxial compression

表4 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 峰值應(yīng)力

CSG 材料的膠凝材料用量遠(yuǎn)低于普通混凝土材料，隨著硅灰摻量的提高，其抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可以看出，硅灰摻量的改變對(duì)CSG壓縮峰值應(yīng)力的影響非常顯著。硅灰摻量為0時(shí)，膠凝砂礫石試件抗壓強(qiáng)度為-4.40 MPa。在S2 ～S6共5組試件中，隨著硅灰摻量的提高，峰值應(yīng)力分別增加了13.41%，26.59%，34.09%，54.77%，76.14%。摻入硅灰后，抗壓強(qiáng)度呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于CSG材料中加入的硅灰發(fā)生了火山灰反應(yīng)，即生成穩(wěn)定的膠凝物質(zhì)水化硅酸鈣(C-S-H )和微填料作用，使水泥漿與骨料界面過(guò)渡區(qū)改善，并使孔結(jié)構(gòu)細(xì)化從而引起強(qiáng)度增加。

2.2 彈性模量

采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)直線(xiàn)段的斜率作為 CSG材料的彈性模量，彈性模量E隨硅灰摻量的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知，隨著硅灰的摻入，CSG 材料的彈性模量E逐漸增大。硅灰摻量為0時(shí)，膠凝砂礫石試件彈性模量為749.11 MPa。在S2～S6共5組試件中，硅灰分別以2%，5%，8%，10%，12%替代水泥時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈性模量分別增加了21.75%，45.12%，73.88%，94.69%，108.49%。通過(guò)線(xiàn)性擬合得到E隨硅灰摻量S變化的表達(dá)式：

E/E1=9.23S+1

(1)

式中：E1為S=0時(shí)CSG試塊對(duì)應(yīng)的彈性模量；S為硅灰替代水泥摻量的百分比，0≤S≤12%。

圖2 峰值應(yīng)力Fig.2 Peak stress

圖3 彈性模量Fig.3 Elastic modulus

2.3 峰值應(yīng)變

CSG試件的峰值應(yīng)變隨硅灰摻量的變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可以看出，峰值應(yīng)變隨硅灰摻量的增加先減小后增大。硅灰摻量為0時(shí)，CSG試件峰值應(yīng)變?yōu)?7.58×10-3。在S2 ～S6共5組試件中，峰值應(yīng)變分別減小了6.33%，13.06%，27.97%，25.46%，10.95%，其中硅灰摻量為8%時(shí)試件峰值應(yīng)變減小幅度最大。

2.4 變形破壞特征

CSG材料圓柱體試件受壓破壞的整個(gè)過(guò)程(見(jiàn)圖5)為：在初始受力階段，整個(gè)試件均勻受力變形。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上升段，試件表面未出現(xiàn)明顯宏觀(guān)裂縫；隨著軸向應(yīng)變的增大，垂直方向上壓應(yīng)力增大，試件產(chǎn)生縱向變形。第1條可見(jiàn)裂縫出現(xiàn)在峰值應(yīng)力附近，裂縫都出現(xiàn)在砂漿中，與受力方向平行，同時(shí)在該部位形成明顯鼓脹區(qū)，骨料基本未破碎；繼續(xù)加載，隨著應(yīng)力下降，局部鼓脹區(qū)變形進(jìn)一步增大，首先產(chǎn)生縱向裂縫，其次出現(xiàn)斜向裂縫，最終破壞。隨著硅灰摻量的提高，裂紋更細(xì)密，骨料之間的粘結(jié)力更強(qiáng)，達(dá)到最終破壞時(shí)的破碎程度更小。CSG材料破壞主要是由于骨料與漿體分離，而骨料并未破壞，屬于粘結(jié)破壞。這是由于CSG材料最主要的工程特性是水泥用量少[9]，因而膠凝材料粘結(jié)面在受力的情況下極為脆弱。

圖4 峰值應(yīng)變Fig.4 Peak strain

結(jié)合文中試驗(yàn)，以出現(xiàn)局部鼓脹的狀態(tài)作為臨界狀態(tài)，將CSG單軸壓縮過(guò)程分為分布損傷和局部破壞2個(gè)階段。

圖5 單軸壓縮過(guò)程典型破壞特征Fig.5 Typical damage characteristics in the process of uniaxial compression

3 損傷本構(gòu)模型

膠凝砂礫石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與混凝土類(lèi)似，因此文獻(xiàn)中常用混凝土的方法研究膠凝砂礫石的力學(xué)性能。本節(jié)采用白衛(wèi)峰等[12-14]建立的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，該模型將單軸壓縮整個(gè)過(guò)程分為分布損傷和局部破壞2個(gè)階段，2階段的連接點(diǎn)為臨界狀態(tài)。其中，分布損傷階段是損傷累積演化的主要階段，包含應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)上升段和部分下降段；臨界狀態(tài)后達(dá)到局部破壞階段，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)具有明顯的尺寸效應(yīng)。引入變量ε+(ε+>0，與壓縮方向正交)定義為壓縮方向?qū)?yīng)的等效傳遞拉損傷應(yīng)變。ε+=-νε，ν為泊松比，取ν=0.21[15]。分布損傷階段對(duì)應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系可表示如下：

σ=E(1-Dy)(1-DR)ε

(2)

σE=E(1-Dy)ε

(3)

(4)

(5)

式中：σ和σE分別為壓縮方向?qū)?yīng)的名義應(yīng)力和有效應(yīng)力；DR和Dy分別為斷裂、屈服損傷變量，分別表征微裂紋的萌生擴(kuò)展和受力骨架的優(yōu)化調(diào)整；q(ε+)和p(ε+)分別表示斷裂、屈服損傷對(duì)應(yīng)的概率密度函數(shù)，假設(shè)均服從三角形分布：

(6)

(7)

H=DR(εb)

(8)

式中：εa為初始損傷應(yīng)變；εh為p(ε+)峰值對(duì)應(yīng)應(yīng)變；εb為最大屈服損傷應(yīng)變，同時(shí)為q(ε+)峰值對(duì)應(yīng)應(yīng)變；H為臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)斷裂損傷值。

該模型包括5個(gè)特征參數(shù)：E、εa、εh、εb、H。其中，E已由試驗(yàn)曲線(xiàn)的初始斜率確定；εa、εh、εb和H反映不同硅灰摻量對(duì)細(xì)觀(guān)非均質(zhì)損傷演化過(guò)程的影響，利用Matlab工具箱遺傳算法模塊通過(guò)多元回歸分析得到，具體參考文獻(xiàn)[16]。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算參數(shù)Tab.5 Results for calculation parameter

基于統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，分別繪制出6種不同硅灰摻量的名義/有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(見(jiàn)圖6～7)。分布損傷階段對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合良好：名義應(yīng)力σ先增大后減小，中間存在峰值名義應(yīng)力狀態(tài)。圖7是預(yù)測(cè)的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，本文模型從有效應(yīng)力的角度理解膠凝砂礫石單軸壓縮變形破壞全過(guò)程：有效應(yīng)力σE單調(diào)增大，在臨界狀態(tài)達(dá)到最大值，此時(shí)為局部破壞的前兆。

圖6 名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 Nominal stress-strain curves

圖7 有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 Effective stress-strain curves

圖8～9顯示了硅灰摻量S對(duì)4個(gè)特征參數(shù)εa、εh、εb、H的影響曲線(xiàn)，隨著硅灰摻量的增加，4個(gè)參數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性?？梢钥闯觯S著S的增大，εa、εh、εb和H均以硅灰摻量8%為界，表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。其中，εa、εh、εb先由0.790×10-3，1.290×10-3，2.076×10-3緩慢下降到0.587×10-3，0.908×10-3，1.736×10-3，再逐漸增加到0.685×10-3，0.972×10-3，1.787×10-3；H則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，先從0.175緩慢增長(zhǎng)到0.192，然后逐漸下降到0.163。通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到4個(gè)參數(shù)隨硅灰摻量S變化的表達(dá)式，見(jiàn)式(9)～(12)。

εa/εa，1=1-3.47S-16.13S2+297.55S3

(9)

εh/εh，1=1-4.57S-1.81S2+190.95S3

(10)

εb/εb，1=1-1.62S-20.57S2+203.48S3

(11)

H/H1=1+0.13S+53.60S2-492.62S3

(12)

式中：εa，1、εh，1、εb，1、H1分別為S=0時(shí)CSG試塊對(duì)應(yīng)的4個(gè)特征參數(shù)；0≤S≤12%。

圖8 硅灰摻量-ε+關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 S-εa、εh、εb curves

圖9 硅灰摻量-斷裂損傷關(guān)系曲線(xiàn)Fig.9 S-H curve

圖10～11分別顯示了不同硅灰摻量下2種損傷變量Dy、DR的演化過(guò)程曲線(xiàn)。將CSG材料變形破壞過(guò)程理解為2種損傷模式的連續(xù)損傷演化過(guò)程。摻加硅灰后，改變了連續(xù)損傷演化過(guò)程，從而改變了宏觀(guān)應(yīng)力-應(yīng)變行為。從變形的角度分析，隨著硅灰摻量的增加，損傷演化進(jìn)程加快，達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的延性降低，在S=8%時(shí)延性最低，之后，隨著硅灰摻量的繼續(xù)增加，延性有所改善。

圖10 Dy-ε關(guān)系曲線(xiàn)Fig.10 Dy-ε curves

圖11 DR-ε關(guān)系曲線(xiàn)Fig.11 DR-ε curves

4 結(jié) 論

(1) 隨著硅灰摻量的提高，單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的上升部分呈明顯的陡化趨勢(shì)；峰值應(yīng)力、彈性模量均線(xiàn)性增長(zhǎng)，峰值應(yīng)變先減小后增大。硅灰摻量8%時(shí)，CSG試件峰值應(yīng)變最小。

(2) CSG材料膠凝材料用量少，與普通混凝土相比，材料脆性特征更為明顯。CSG試塊在破壞時(shí)基本不產(chǎn)生表面裂縫，典型的破壞形式為局部壓碎后迅速崩解，試塊內(nèi)骨料沒(méi)有破碎跡象。

(3) 建立了考慮硅灰含量影響的CSG統(tǒng)計(jì)損傷模型，確定了硅灰摻量與5個(gè)特征參數(shù)E、εa、εh、εb、H之間的關(guān)系式。發(fā)現(xiàn)除了彈性模量E，其余4個(gè)參數(shù)均以硅灰摻量8%為界，前后兩側(cè)表現(xiàn)出不同的演化規(guī)律。分析了不同硅灰摻量下?lián)p傷變量Dy和DR的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的提高，CSG材料的延性性能反而降低，在硅灰摻量8%時(shí)達(dá)到最低。