摘 要:超貧膠結(jié)混凝土土石面板壩是水利工程中的一種新壩型。利用高壓三軸儀對構(gòu)成這種新壩型的超貧膠結(jié)混凝土的力學(xué)特性進行了試驗研究,結(jié)果表明:超貧膠結(jié)材料的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在軸向應(yīng)變較小時,基本符合雙曲線模型特征;在同一圍壓下,膠凝材料用量越大,峰值強度越大;在同一膠凝材料含量下,圍壓越大,峰值強度越大;超貧膠結(jié)混凝土具有較大的殘余強度,膠凝材料含量越大或周圍壓力越大,殘余強度越大;超貧膠結(jié)混凝土材料的抗剪強度隨著水泥用量的增大而增大。
關(guān) 鍵 詞: 超貧膠結(jié); 混凝土; 高壓三軸儀; 應(yīng)力- 應(yīng)變曲線
中圖分類號: TV431 文獻標識碼:A 文章編號: 1000 1379 (2007) 03 0059 02
所謂超貧膠結(jié)混凝土,就是低膠結(jié)材料膠結(jié)而成的混凝土。超貧膠結(jié)混凝土土石面板壩是采用超貧膠結(jié)材料(水泥、粉煤灰與砂礫料)膠結(jié)形成整體壩體,用鋼筋混凝土面板或瀝青混凝土面板防滲,將堆石壩和碾壓混凝土壩結(jié)合起來形成的新壩型。該壩型目前還處于研究階段,而掌握超貧膠結(jié)混凝土在三維應(yīng)力作用下的力學(xué)特性是研究超貧膠結(jié)混凝土土石面板壩的關(guān)鍵。筆者采用高壓三軸儀對超貧膠結(jié)混凝土的力學(xué)性質(zhì)進行了試驗研究。
1 試驗裝置和試驗方法
1. 1 材料配比
試樣采用425號礦渣水泥、粉煤灰及水作為膠結(jié)材料,以砂礫石作為骨料。骨料級配: 直徑5 ～10 mm 的砂礫石占18% , 10～20 mm的占35% , 20～40 mm的占45% ,大于40 mm的占2%。
由于膠凝材料的用量對超貧膠結(jié)材料強度影響顯著,因此取膠凝材料用量分別為0、20、30、40、50、60 kg/m3 的超貧膠結(jié)材料進行研究,編號為C0、C20、C30、C40、C50、C60,其配合比見表1。
1. 2 試樣制備
采用碾壓混凝土試件成型方法,用100 L自落式攪拌機械拌和,振動臺振動成型,制備直徑為15 cm、高30 cm的圓柱體試件。采用碾壓混凝土壓重塊(即壓強為4. 9 kPa)對試件進行成型壓重,試件脫模(一般成型48 h后脫模)后送入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。
1. 3 試驗裝置
超貧膠結(jié)材料的高壓三軸試驗是在SY250 - 2. 5型三軸壓縮儀上進行的。該儀器為大型應(yīng)變式高壓三軸儀,最大軸向出力P = 250 kN,圍壓σ3 = 0～2. 5 kPa,反壓力σb = 0～2. 5 kPa,軸向升降速度V = 0. 001 9～3. 0 mm /min,軸升范圍為0～100mm。
1. 4 試驗方法
由于超貧膠結(jié)材料的特性介于粗粒土與混凝土之間,因此試驗采用《土工試驗方法標準》(GB /T50123—1999)規(guī)定的固結(jié)排水剪切試驗方法。試驗前將養(yǎng)護28 d的試樣浸水飽和后,裝入SY250 - 2. 5型高壓三軸儀壓力室內(nèi),外套橡皮隔膜,以阻止試樣和壓力室的水發(fā)生交換。試驗時利用反壓力系統(tǒng)在三軸儀上對試樣施加5 kPa的反壓力,進行反壓力飽和,以確保試樣不含封閉氣泡,達到最佳飽和狀態(tài)。然后對同一組試樣在圍壓分別為200、400、600、800 kPa時,以0. 6 mm /min的加荷速率施加垂直荷載,并記錄應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。當試樣破壞或應(yīng)變值大于12%時停止試驗。
2 試驗結(jié)果分析
不同膠凝材料、不同圍壓下超貧膠結(jié)材料的偏差應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系曲線即(σ1 -σ3 ) -ε曲線見圖1～圖5。
分析圖1～圖5可知,應(yīng)力- 應(yīng)變曲線具有如下特點: ①超貧膠結(jié)材料的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在軸向應(yīng)變ε較小時(ε< 1% ) ,ε隨著偏差應(yīng)力的增加而增加,兩者呈線性關(guān)系。②隨著偏差應(yīng)力的增加,應(yīng)力- 應(yīng)變曲線增加梯度逐漸變緩,表現(xiàn)出明顯的非線性特征。對于C30、C50、C60 試件,應(yīng)變值在2%左右時,曲線達到峰值;應(yīng)變?yōu)?%～6%時,試樣的抗剪強度下降很快;應(yīng)變超過6%以后,試樣的抗剪強度下降趨緩,最后趨于定值。③比較圖1～圖5可以看出,在圍壓相同的情況下,膠凝材
料用量越大,峰值強度越大;在膠凝材料含量相同時,圍壓越大,峰值強度越大。④當應(yīng)力- 應(yīng)變曲線達到峰值后,試樣發(fā)生剪切破壞,其破壞是一個漸變的過程,強度隨應(yīng)變量的增加而逐漸減小,最后曲線趨于水平。并且峰值強度越大其軟化形態(tài)越明顯,同時也說明,超貧混凝土具有較大的殘余強度,膠凝材料含量或周圍壓力越大,殘余強度越大。超貧混凝土的殘余強度對于超貧混凝土壩的疲勞狀態(tài)與破壞過程的控制具有重要意義。
3 超貧膠結(jié)混凝土的本構(gòu)模型及其強度特征
超貧膠結(jié)混凝土高壓三軸試驗結(jié)果表明,應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在出現(xiàn)峰值之前基本符合雙曲線模型特征,因此用雙曲線模型來模擬超貧膠結(jié)混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系可以滿足工程要求。工程中常用的雙曲線模型主要有鄧肯- 張模型和修正雙曲線模型[ 1, 2 ]。筆者在計算分析中采用鄧肯- 張模型,其表達式如下:
式中: k、n、Rf、c、φ為鄧肯- 張模型的參數(shù)。
根據(jù)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線及式(1) ,得出超貧膠結(jié)混凝土的靜力學(xué)參數(shù),見表1。由表1可以看出,超貧膠結(jié)混凝土的強度指標( c、φ) 及參數(shù)k隨水泥用量的增大而增大。
4 結(jié) 語
超貧膠結(jié)材料不僅可以應(yīng)用于建造超貧膠結(jié)混凝土土石面板壩,而且在公路、鐵路、港口、邊坡工程等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。其力學(xué)特性試驗研究在國內(nèi)尚屬首次,得到的上述成果可為超貧膠結(jié)材料在工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。
參考文獻:
[ 1 ] 錢家歡,殷宗澤. 土工原理與計算[M ]. 北京:中國水利水電出版社, 1996.
[ 2 ] 緱元有,李永樂,肖自龍,等. 瀝青混凝土應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系試驗研究[ J ]. 人民黃河, 2005 (5).
