摘 要:超貧膠結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成這種新壩型的超貧膠結混凝土的力學特性進行了試驗研究,結果表明:超貧膠結材料的應力- 應變曲線在軸向應變較小時,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;超貧膠結混凝土材料的抗剪強度隨著水泥用量的增大而增大。
關 鍵 詞: 超貧膠結; 混凝土; 高壓三軸儀; 應力- 應變曲線
中圖分類號: TV431 文獻標識碼:A 文章編號: 1000 1379 (2007) 03 0059 02
所謂超貧膠結混凝土,就是低膠結材料膠結而成的混凝土。超貧膠結混凝土土石面板壩是采用超貧膠結材料(水泥、粉煤灰與砂礫料)膠結形成整體壩體,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,而掌握超貧膠結混凝土在三維應力作用下的力學特性是研究超貧膠結混凝土土石面板壩的關鍵。筆者采用高壓三軸儀對超貧膠結混凝土的力學性質進行了試驗研究。
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,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,并記錄應力、應變數(shù)據(jù)。當試樣破壞或應變值大于12%時停止試驗。
2 試驗結果分析
不同膠凝材料、不同圍壓下超貧膠結材料的偏差應力- 應變關系曲線即(σ1 -σ3 ) -ε曲線見圖1～圖5。
分析圖1～圖5可知,應力- 應變曲線具有如下特點: ①超貧膠結材料的應力- 應變曲線在軸向應變ε較小時(ε< 1% ) ,ε隨著偏差應力的增加而增加,兩者呈線性關系。②隨著偏差應力的增加,應力- 應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,應變值在2%左右時,曲線達到峰值;應變?yōu)?%～6%時,試樣的抗剪強度下降很快;應變超過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當應力- 應變曲線達到峰值后,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 超貧膠結混凝土的本構模型及其強度特征
超貧膠結混凝土高壓三軸試驗結果表明,應力- 應變曲線在出現(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混凝土的應力- 應變關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)應力- 應變曲線及式(1) ,得出超貧膠結混凝土的靜力學參數(shù),見表1。由表1可以看出,超貧膠結混凝土的強度指標( c、φ) 及參數(shù)k隨水泥用量的增大而增大。
4 結 語
超貧膠結材料不僅可以應用于建造超貧膠結混凝土土石面板壩,而且在公路、鐵路、港口、邊坡工程等領域也有廣泛的應用前景。其力學特性試驗研究在國內尚屬首次,得到的上述成果可為超貧膠結材料在工程中的應用提供參考依據(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. 瀝青混凝土應力- 應變關系試驗研究[ J ]. 人民黃河, 2005 (5).
