粒徑對(duì)珊瑚砂壓縮性能影響的試驗(yàn)分析*

□ 程普鋒 □ 熊雪梅 □ 鐘東海 □ 鄭宇軒 □ 周風(fēng)華

寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315211

1 試驗(yàn)分析背景

我國(guó)南海島礁工程的建設(shè)與開(kāi)發(fā)正在如火如荼進(jìn)行。為了降低成本,遵循就地取材的原則,在地基、路基上大量使用珊瑚砂,作為回填材料。珊瑚砂還是構(gòu)建珊瑚砂混凝土的重要原料[1],具有多孔、易碎、形狀不規(guī)則等特征[2-4]。珊瑚砂的物理力學(xué)性質(zhì)是指導(dǎo)島礁工程建設(shè)與施工的關(guān)鍵。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)珊瑚砂的壓縮力學(xué)性能及其影響因素進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn),珊瑚砂顆粒在壓縮過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生顆粒破碎,并且珊瑚砂的顆粒形狀及形成的環(huán)境均會(huì)對(duì)導(dǎo)致顆粒破碎的壓力產(chǎn)生影響[5-7]。與此同時(shí),珊瑚砂的顆粒尺寸、顆粒級(jí)配、預(yù)壓力對(duì)珊瑚砂的壓縮特性也有較大影響[8-13]。Coop[14]和劉崇權(quán)等[15]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),珊瑚砂的壓縮特性與黏土類(lèi)似,超過(guò)一定壓力時(shí),對(duì)珊瑚砂壓縮性能起主導(dǎo)作用的是顆粒破碎。Wang Xinzhi等[16]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),珊瑚砂的壓縮變形屬于不可恢復(fù)的塑性變形,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)含水量、密實(shí)度對(duì)珊瑚砂壓縮性能有較大的影響。馬啟鋒等[17]對(duì)粒徑為0.6～1 mm的珊瑚砂顆粒進(jìn)行壓縮試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)壓力為2 MPa～10 MPa時(shí)大量顆粒發(fā)生破碎。

筆者為研究不同粒徑珊瑚砂試樣的壓縮特性,選取南海某島礁珊瑚砂為研究對(duì)象,對(duì)珊瑚砂試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn),得出不同粒徑珊瑚砂的分組和顆粒級(jí)配曲線(xiàn),采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同粒徑的珊瑚砂進(jìn)行系列準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn),分析不同粒徑珊瑚砂的壓縮力學(xué)性能,對(duì)島礁工程建設(shè)與實(shí)施有一定參考價(jià)值。

2 珊瑚砂試樣情況

試驗(yàn)所用珊瑚砂試樣取自南海某島礁。原始珊瑚砂試樣如圖1所示,顏色為灰白色,主要成分為碳酸鈣,粒徑范圍較廣,形狀復(fù)雜多樣,含有少量粒徑大于10 mm的大塊珊瑚石塊及貝殼。珊瑚砂試樣具有一定含水量,部分砂礫呈粘結(jié)狀態(tài)。大粒徑珊瑚砂試樣表面粗糙多孔,棱角較多,形狀極不規(guī)則,小粒徑珊瑚砂試樣外形則較為一致。

3 珊瑚砂試樣篩分

將原始珊瑚砂試樣在恒溫110 ℃下烘干至完全干燥,珊瑚砂顆粒充分分散,無(wú)粘結(jié)。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程中的篩分法進(jìn)行珊瑚砂篩分試驗(yàn),采用8411型振篩機(jī)進(jìn)行篩分,振篩時(shí)間為20 min,八組孔篩的孔徑分別為9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm。珊瑚砂試樣篩分試驗(yàn)如圖2所示。

根據(jù)篩分試驗(yàn),可以計(jì)算得到不同粒徑珊瑚砂試樣占試樣總質(zhì)量的百分比,如圖3所示。從圖3中可知,22.05%的珊瑚砂試樣粒徑為0.3～0.6 mm,占比最高,大約有63%的珊瑚砂試樣粒徑小于1 mm,粒徑大于9.5 mm的珊瑚砂試樣僅有一顆,占比最小,在單次取樣中具有偶然性。

4 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)珊瑚砂試樣進(jìn)行應(yīng)變率為10-3s-1的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)限壓縮試驗(yàn),如圖4所示。側(cè)限套筒內(nèi)徑為37 mm,壁厚為5 mm,高度為62 mm,材料采用高強(qiáng)鋼,在整個(gè)壓縮過(guò)程中可以近似等效為剛體。考慮到珊瑚砂的分散性,每組對(duì)比試驗(yàn)均進(jìn)行三次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)珊瑚砂試樣質(zhì)量約為24 g,試驗(yàn)前均經(jīng)過(guò)烘干處理,去除多余水分,直到珊瑚砂試樣充分分散且無(wú)粘結(jié)。

▲圖2 珊瑚砂試樣篩分試驗(yàn)

為研究粒徑和相對(duì)密度對(duì)珊瑚砂壓縮性能的影響,將珊瑚砂試樣根據(jù)粒徑分成七組,分別進(jìn)行壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 珊瑚砂試樣壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在壓縮試驗(yàn)前對(duì)珊瑚砂試樣進(jìn)行受力約為100 N的預(yù)壓處理,以避免自然堆積過(guò)程中產(chǎn)生的多余空隙。預(yù)壓處理發(fā)現(xiàn),粒徑越大,同等質(zhì)量的珊瑚砂試樣預(yù)壓后初始長(zhǎng)度越大,即初始密度越小。

5 珊瑚砂試樣干燥

為保證試驗(yàn)的一致性,珊瑚砂試樣均烘干至完全干燥。烘干過(guò)程中,每隔2 h將珊瑚砂試樣取出,稱(chēng)量質(zhì)量并記錄。恒溫時(shí)間為2 h、4 h、6 h、8 h,分別獲得四個(gè)恒溫時(shí)間階段珊瑚砂試樣的水分含量,得到珊瑚砂試樣水分含量隨干燥時(shí)間的變化曲線(xiàn),如圖5所示。從圖5中可以看出,隨著干燥時(shí)間的增加,蒸發(fā)的水分不斷增加,直到在6 h停止增加,由此認(rèn)為此時(shí)珊瑚砂試樣完全干燥,后續(xù)試驗(yàn)干燥時(shí)間均采用6 h。

▲圖3 不同粒徑珊瑚砂試樣質(zhì)量百分比

▲圖4 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

6 珊瑚砂顆粒級(jí)配

根據(jù)珊瑚砂試樣不同粒徑的質(zhì)量百分比,可以得到珊瑚砂顆粒級(jí)配曲線(xiàn),如圖6所示。對(duì)級(jí)配曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合,通過(guò)擬合后的曲線(xiàn)方程,可以得出d10為0.06 mm,d30為0.21 mm,d60為0.75 mm,從而可得不均勻因數(shù)cu為12.80,曲率因數(shù)cc為0.98。其中,di為占總質(zhì)量i%的珊瑚砂試樣對(duì)應(yīng)的粒徑。結(jié)果表明,所選用的珊瑚砂試樣是連續(xù)性較好、級(jí)配良好的砂。

▲圖5 珊瑚砂試樣水分含量隨干燥時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖6 珊瑚砂顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

7 粒徑對(duì)珊瑚砂壓縮性能的影響

不同粒徑珊瑚砂試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7所示。雖然處于同一粒徑分組,但是珊瑚砂試樣粒徑仍然存在小范圍分布,因此應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)一定的離散性。隨著粒徑的增大,珊瑚砂試樣整體壓縮性能越來(lái)越好,并且在壓縮初期,珊瑚砂試樣具有更佳的壓縮性能。

為了便于分析粒徑對(duì)珊瑚砂壓縮性能的影響,對(duì)不同粒徑分組的試驗(yàn)結(jié)果取平均值,獲得不同粒徑分組珊瑚砂試樣在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),如圖8所示。從圖8中可見(jiàn),粒徑小于0.6 mm的四個(gè)粒徑分組珊瑚砂試樣和粒徑大于0.6 mm的三個(gè)粒徑分組珊瑚砂試樣的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)具有顯著差異。當(dāng)珊瑚砂試樣的粒徑小于0.6 mm時(shí),壓縮前期的應(yīng)力增大較快。粒徑大于0.6 mm時(shí),應(yīng)力增大較緩?？梢?jiàn),粒徑小的珊瑚砂試樣比粒徑大的珊瑚砂試樣在壓縮前期具有更高的模量。在壓縮后期,無(wú)論哪種粒徑的珊瑚砂試樣,表現(xiàn)出的壓縮模量相差不大。

▲圖8 不同粒徑珊瑚砂試樣平均應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

不同粒徑珊瑚砂試樣在不同應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變曲線(xiàn)如圖9所示。應(yīng)力水平為5 MPa、10 MPa、15 MPa時(shí),珊瑚砂試樣的應(yīng)變隨粒徑的增大而增大,基本遵循相似對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)珊瑚砂試樣受到大于5 MPa的應(yīng)力時(shí),大粒徑的珊瑚砂顆粒將會(huì)破碎成小顆粒,不同粒徑分組的珊瑚砂試樣最后的壓縮性能將趨同。

8 初始密度對(duì)珊瑚砂壓縮性能的影響

不同相對(duì)密度的珊瑚砂試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖10所示。從圖10中可以看出,雖然處于同一粒徑分組,但是由于粒徑有分布,加之顆粒形貌會(huì)造成珊瑚砂試樣的初始差異,因此珊瑚砂試樣壓縮性能也不盡相同。另一方面,無(wú)論是分組內(nèi)部,還是跨粒徑分組,在固定應(yīng)力水平時(shí),珊瑚砂試樣的應(yīng)變隨初始密度的增大而減小。處于0.6～1.18 mm粒徑范圍內(nèi)的15號(hào)試樣中,初始相對(duì)密度為0.979,在固定應(yīng)力水平時(shí),應(yīng)變?nèi)源笥谔幱?.18～2.36 mm粒徑范圍內(nèi)的17號(hào)試樣。由此可見(jiàn),對(duì)于單一粒徑而言,初始密度對(duì)珊瑚砂試樣的壓縮性能起到關(guān)鍵性作用。

▲圖9 不同粒徑珊瑚砂試樣不同應(yīng)力時(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)

▲圖10 不同相對(duì)密度珊瑚砂試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)南海某島礁珊瑚砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。通過(guò)分析,該島礁的珊瑚砂不均勻因數(shù)cu為12.80,曲率因數(shù)cc為0.98,是一種連續(xù)性較好、級(jí)配良好的砂。

整體而言,在給定初始預(yù)壓力的情況下,粒徑越大,同等質(zhì)量的珊瑚砂初始密度越小。在固定應(yīng)力水平的情況下,珊瑚砂的壓縮應(yīng)變隨粒徑的增大而增大,基本遵循相似對(duì)數(shù)關(guān)系。珊瑚砂粒徑小的分組比粒徑大的分組在壓縮前期具有更高的模量,在壓縮后期,兩者的壓縮模量則相差不明顯。

單一粒徑的珊瑚砂,應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和初始密度具有極大相關(guān)性。在固定應(yīng)力水平的情況下,初始密度越大,珊瑚砂的壓縮應(yīng)變?cè)叫　?/p>