動(dòng)靜載作用下砂漿-巖石試件斷裂特性試驗(yàn)研究 ①

王鳳琴, 汪海波, 王 浩, 宗 琦

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

混凝土是工程建設(shè)中廣泛使用的一種材料,由于巖石和砂漿以及混凝土中粗骨料與細(xì)骨料、水泥漿間存在著交界面,而這個(gè)交界面易發(fā)展成裂隙區(qū)。在Yao Xiong等[1-5]的研究中發(fā)現(xiàn),集料-砂漿界面過渡區(qū)對材料的性能和耐久性有著重要的影響,這個(gè)界面過渡區(qū)是整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中最薄弱的地方,在結(jié)構(gòu)受力時(shí),界面區(qū)是最先破壞的。在實(shí)際工程中,巖體結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭遇地震、爆破等動(dòng)載沖擊,因此研究巖體-砂漿界面過渡區(qū)的力學(xué)特性就成為一個(gè)比較重要的課題。

黃燕等[6]通過摻加礦物摻合料以及納米材料、改性骨料等方法提高界面過渡區(qū)的粘結(jié)性從而提高界面耐久性。郭寅川等[7]采用數(shù)字圖像技術(shù)得出混凝土結(jié)構(gòu)中界面區(qū)為最薄弱面并確定了混凝土發(fā)生疲勞破壞時(shí)界面區(qū)的寬度范圍。近些年,一些學(xué)者從微觀上對界面區(qū)進(jìn)行了研究,如羅明勇等[8]通過使用壓汞法從微觀結(jié)構(gòu)上來研究養(yǎng)護(hù)條件對密封下凈漿和砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響。龐超明等[9]采用MIP測試水泥基材料的微孔結(jié)構(gòu),探究齡期、水膠比、粉煤灰品種及其摻量對基體抗壓強(qiáng)度和斷裂韌度的影響。Jianbo Zhu等[10]則是從微觀和宏觀上通過添加玄武巖纖維為添加劑以及改變交接面形態(tài)來探究在宏觀和微觀下界面形狀與添加劑對界面性能的影響。Yang Tang[11]采用了CT掃描技術(shù)通過控制溫度和濕度在地?zé)岷统睗癍h(huán)境中對噴射混凝土-巖石接觸處進(jìn)行試驗(yàn)來研究粘附強(qiáng)度的機(jī)理。鄒相國等[12]研究了水灰比對花崗巖-砂漿復(fù)合試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明復(fù)合試件劈裂抗拉強(qiáng)度與水灰比呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。邱豪等[13-14]則是通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析了不同加載率組合試件動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度,結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度隨加載率增加呈快速增加趨勢。Lin Luo等[15]對組合試件中巖石粘結(jié)面進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)界面承載力對界面粗糙度很敏感,提出在進(jìn)行巖石表面制備時(shí)其應(yīng)有一定的粗糙度。在上述文獻(xiàn)中,對界面區(qū)都進(jìn)行了各方面的研究,但是現(xiàn)有的文獻(xiàn)大都只關(guān)注靜載或動(dòng)載試驗(yàn)的某一方面,結(jié)合起來研究抗拉強(qiáng)度和破壞特征的還較少。

基于現(xiàn)有研究成果,研究針對砂漿-巖石雙材料試件,通過控制界面粗糙度和砂子的粒徑級配來研究組合試件在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)下的性能和破壞特征。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案與試件制作

試件尺寸為直徑50mm、厚度25mm的圓盤。試件上半部分巖石選用花崗巖和石灰?guī)r兩種,下半部分為42.5等級水泥和水以及砂子按2:1:2的比例混合澆筑的砂漿。由于雙材料黏接面存在不同的粗糙度,對抗拉強(qiáng)度存在影響,因此試驗(yàn)對雙材料巴西圓盤黏接面設(shè)計(jì)了2種粗糙度,分別為刀切光滑面和劈裂粗糙面。試驗(yàn)總試件個(gè)數(shù)為72個(gè)。

圖2 靜態(tài)試件破壞面

試件的表面粗糙度采用激光掃描儀進(jìn)行掃描測量,通過該掃描可以得出試件表面的算數(shù)平均高度(Sa)。花崗巖的粗糙面和光滑面的Sa分別為0.2mm和0.02mm,石灰?guī)r的粗糙面和光滑面的Sa分別為0.1mm和0.01mm。

圖3 雙材料試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

考慮砂子粒徑對雙材料試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響,砂漿的砂子選用粒徑分別為小于1 mm,2mm-4mm和5mm-8mm,三種粒徑尺寸的砂子分別稱為細(xì)砂、中砂和粗砂。為便于試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的記錄,現(xiàn)為試件進(jìn)行編號,用字母H代表花崗巖,S代表石灰?guī)r,C代表粗糙面,X代表光滑面,L代表細(xì)砂,M代表中砂,B代表粗砂。例如,HCL表示粗糙界面的花崗巖-細(xì)砂砂漿巴西圓盤試件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

為了研究雙材料巴西圓盤的劈裂性能及裂縫破壞形態(tài),對砂漿巖石組合試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)劈裂試驗(yàn)。靜態(tài)測試采用單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)加載,加載速度為0.1mm/min。動(dòng)態(tài)測試采用分離式霍普金森壓桿,沖擊氣壓為0.2MPa。

圖1為典型試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力圖,圖中包含入射、反射、入射與反射疊加以及透射波四種波形,其中入射波加上反射波的波形與透射波的波形基本相近,圖線大致重合,達(dá)到了動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài),因此進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果有效。

2 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行靜態(tài)劈裂試驗(yàn)時(shí),可以看出雙材料巴西圓盤試件的破壞面,基本上是沿界面過渡區(qū)筆直進(jìn)行的,如圖2(a)典型試樣所示。除外不論巖石種類,粗糙界面的巖石上黏附的殘余砂漿比光滑面多,這是因?yàn)榇植诿媾c砂漿的接觸面積更大,對砂漿的咬合作用比光滑面要好。另外,從圖片(c)-(h)中可以看出,在粗糙面中粗砂砂漿留在巖石上的殘余砂漿最多。粗砂砂漿由于粒徑級配最大,砂漿在制作過程中砂子較易分布不均勻,砂子對砂漿的吸附不強(qiáng),砂漿更易與巖石結(jié)合,因此劈裂后殘余的砂漿也最多。

從圖3中可見在試件進(jìn)行加載時(shí),抗拉強(qiáng)度隨加載時(shí)間變長而增加,當(dāng)達(dá)到試件能承受的最高值后曲線急劇下落。另外從圖3中(a)和(b),(c)和(d)的對比中可見,在雙材料巴西圓盤中,粗糙面相對光滑面增強(qiáng)了巖石對砂漿發(fā)生變形的約束作用,因此同種試件,粗糙面的抗拉強(qiáng)度要大于光滑面。

從圖4(a),(b)中可見無論界面粗糙還是光滑,抗拉強(qiáng)度最高值都出現(xiàn)在中砂試件中,且粗糙界面的靜態(tài)抗拉強(qiáng)度高于光滑面。光滑面花崗巖-砂漿試件與粗糙面花崗巖-砂漿試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度之比為67.3%,光滑面石灰?guī)r巖-砂漿試件與粗糙面石灰?guī)r-砂漿試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度比為56.8%,石灰?guī)r雙材料試件與花崗巖雙材料試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度之比為83.8%。兩種巖石試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度比相差10.5%,表明花崗巖雙材料試件整體上比石灰?guī)r雙材料試件靜態(tài)強(qiáng)度要高,而花崗巖本身強(qiáng)度要高于石灰?guī)r,這就說明巖石本身強(qiáng)度對雙材料試件的抗拉強(qiáng)度有一定的影響,自身強(qiáng)度高會(huì)對整個(gè)雙材料試件的強(qiáng)度帶來些許提升。另外花崗巖雙材料試件光滑面與粗糙面強(qiáng)度比要大于石灰?guī)r雙材料試件,這就表明界面粗糙度對石灰?guī)r雙材料試件的影響較花崗巖試件更大。

圖4 靜態(tài)抗拉強(qiáng)度與砂子粒徑級配的關(guān)系

(d)HX

(e)SC

(f)SX

3 動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 動(dòng)態(tài)劈裂破碎形態(tài)

骨料粒徑對動(dòng)態(tài)沖擊試件的整體破環(huán)形態(tài)影響較小,囿于篇幅,只列出SC,SX以及HC,HX典型試件的破壞形態(tài)如圖5所示。從圖(a)和(b)可見,試件破壞是隨著加載沿交界面貫通的,和靜態(tài)試驗(yàn)中的一樣,試件的破壞都是從界面過渡區(qū)開始的,并且試件也是沿著加載力的方向發(fā)生橫向破壞。另外從圖5粗糙面(c),(e)和光滑面(d),(f)的對比來看,粗糙面的巖石上砂漿的殘余量也如靜態(tài)試驗(yàn)中的一樣遠(yuǎn)大于光滑面。

圖6 雙材料試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。與靜態(tài)應(yīng)力相比,動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值要遠(yuǎn)大于靜態(tài),大約是靜態(tài)的20倍。同時(shí)試件在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變也是不同的,其中含中砂試件在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變最小,粗砂試件最大。另外相比光滑面,粗糙面的峰值應(yīng)變要大于光滑面。

圖7反映了試件動(dòng)態(tài)應(yīng)變與砂子粒徑級配關(guān)系。在花崗巖試件中,粗糙面中砂試件應(yīng)變?yōu)榇稚霸嚰?6.8%,為細(xì)砂試件的82.7%,光滑面中砂試件應(yīng)變?yōu)榇稚霸嚰?4.8%,為細(xì)砂試件的73.1%,光滑面與粗糙面最大應(yīng)變比為82.9%。石灰?guī)r試件中,粗糙面中砂試件應(yīng)變?yōu)榇稚霸嚰?5.7%,為細(xì)砂試件的87.3%,光滑面中砂試件應(yīng)變?yōu)榇稚霸嚰?6.1%,為細(xì)砂試件的54.8%,光滑面與粗糙面最大應(yīng)變比為90.3%。通過上述數(shù)據(jù)的對比,可以看出巖石種類對雙材料巴西圓盤試件的應(yīng)變影響較小,界面粗糙度和砂子粒徑級配對試件應(yīng)變的大小影響較大。

4 結(jié) 論

(1)在試件進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中,粒徑級配和粗糙度對試件的整體破壞形態(tài)影響不大,試件都是沿著本身的薄弱面即巖石與砂漿的界面過渡區(qū)破碎。

(2)在靜態(tài)試驗(yàn)中,粗糙度對雙材料巴西圓盤試件的抗拉強(qiáng)度有較大影響,光滑面花崗巖-砂漿試件與粗糙面花崗巖-砂漿試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度之比為67.3%,光滑面石灰?guī)r巖-砂漿試件與粗糙面石灰?guī)r-砂漿試件靜態(tài)抗拉強(qiáng)度比為56.8%,粗糙面試件的抗拉強(qiáng)度要大于光滑面的試件,而且?guī)r石本身強(qiáng)度對雙材料試件的抗拉強(qiáng)度有一定的影響,且界面粗糙度對石灰?guī)r雙材料試件的影響較花崗巖試件更大。

(3)對試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載,數(shù)據(jù)表明在應(yīng)變中,粗糙面的峰值應(yīng)變要大于光滑面,粒徑級配和粗糙度對試件應(yīng)變影響較大,巖石種類對試件應(yīng)變影響較小,且同等條件下粗砂試件應(yīng)變大于細(xì)砂和中砂試件。