， ，，

(1.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003；3.黃河水利委員會(huì) 建設(shè)與管理局，鄭州 450003)

1 研究背景

膠凝堆石料是以各地普遍存在的砂礫石、礦山棄渣、開(kāi)采石料等為主要原料，添加少量膠凝材料(用量低于碾壓混凝土)形成的一種改性堆石料。這種材料取材方便、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小，利用這種材料建成的新壩型——膠凝堆石壩，具有較強(qiáng)的抵御洪水漫頂沖刷和適應(yīng)較軟壩基的能力，近幾年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外壩工界的青睞，也取得了很多的研究成果[1-8]。

然而，這種新壩型自20世紀(jì)90年代才被人們認(rèn)識(shí)，并逐漸開(kāi)始應(yīng)用，與已廣泛應(yīng)用的碾壓混凝土壩和面板堆石壩相比，其理論及設(shè)計(jì)技術(shù)尚不成熟。其中膠凝堆石料力學(xué)性能研究是膠凝面板堆石壩設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。但由于膠凝堆石料主要采用河床砂礫石作為原材料，材料級(jí)配變化大，齡期、摻加膠凝材料的配合比及其用量等都對(duì)其強(qiáng)度影響較大，這些都使得膠凝堆石料的質(zhì)量尤其是強(qiáng)度很難控制。本研究在單軸抗壓試驗(yàn)基礎(chǔ)上，探討膠凝堆石料抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律，可為膠凝堆石料的工程(膠凝堆石壩)應(yīng)用及技術(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 原材料

2.1 水 泥

試驗(yàn)所用水泥采用由天瑞集團(tuán)鄭州水泥物理力學(xué)性能有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1所示。

表1 水泥物理力學(xué)性能

2.2 粉煤灰和水

試驗(yàn)所用粉煤灰由鄭州金龍?jiān)捶勖夯矣邢薰旧a(chǎn)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2所示。拌和與養(yǎng)護(hù)用水均為鄭州市飲用自來(lái)水。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

2.3 骨料級(jí)配

試驗(yàn)所用骨料取自國(guó)家重點(diǎn)水利工程—河口村水庫(kù)圍堰用料。試驗(yàn)需制150 mm×150 mm×150 mm(尺寸1)及100 mm×100 mm×300 mm(尺寸2)2種試樣，試驗(yàn)限制最大粒徑不超過(guò)20 mm，超粒徑采用等量替代法替換[9]。顆粒組成見(jiàn)表3和表4所示，顆分曲線見(jiàn)圖1所示。

表3 原始顆粒級(jí)配

表4 替換后的顆粒級(jí)配

圖1 試驗(yàn)原始顆分曲線及替代后的顆分曲線

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)方案

膠凝堆石料強(qiáng)度和彈性模量主要通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)得到。齡期選擇7，14，28，60 d共4組，每組試樣共有2個(gè)尺寸，各試件級(jí)配如圖1，試驗(yàn)用膠凝材料為粉煤灰和水泥，二者比例為1∶1，總膠凝材料用量65 kg/m3，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)條件分別見(jiàn)表5和表6所示。

表5 試驗(yàn)方案

表6 試驗(yàn)條件

3.2 試件成型

按照以上試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，按不同骨料級(jí)配、不同配合比、不同膠材用量，將稱量好的骨料、水泥和粉煤灰攪拌均勻，然后將事先確定好比例的水加入后繼續(xù)攪拌，待以上原材料充分混合均勻后按下述方法制樣。

采用人工拌和，每個(gè)試件分層裝料，表面平整后振搗壓實(shí)，第1層經(jīng)搗棒插搗15次之后再裝第2層，下層振動(dòng)壓實(shí)后再裝上層料，最上層振搗直到壓實(shí)為止，然后抹平養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間試樣表面保持濕潤(rùn)狀態(tài)。

3.3 試驗(yàn)方法

膠凝堆石料單軸抗壓試驗(yàn)儀器為CMT5000新三思萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。目前針對(duì)于這種材料的強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試還沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范，因此，試驗(yàn)方法參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)[10]和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)[11]。試驗(yàn)前將制備好的試樣表面擦拭干凈、測(cè)量好尺寸后，將試樣放在試驗(yàn)機(jī)下壓板正中間，上下壓板與試樣之間墊鋼板?？箟簭?qiáng)度測(cè)試采用0.3～0.5 MPa/s的速率均勻加載直至破壞，記錄破壞荷載和軸向應(yīng)變控制值。每個(gè)齡期做3個(gè)試樣，以3個(gè)試樣的平均值作為該組試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖2 60 d齡期膠凝堆石料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

試驗(yàn)對(duì)7，14，28，60 d的4組齡期試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，各齡期試驗(yàn)壓縮曲線較為相似，以60 d齡期為例，其膠凝堆石料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

根據(jù)膠凝堆石料單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，試樣具有明顯的應(yīng)力峰值和應(yīng)變軟化現(xiàn)象。在低應(yīng)力水平下材料表現(xiàn)出線彈性特征，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)直至彈性極限強(qiáng)度，繼續(xù)增加壓力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線而向應(yīng)變軸彎曲，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力非線性增長(zhǎng)至材料峰值強(qiáng)度；壓力再繼續(xù)增加，試件發(fā)生剪切破壞。材料彈性極限強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的70%左右，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限強(qiáng)度后，有明顯的殘余變形。

4.2 抗壓強(qiáng)度

4.2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同齡期各試樣的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7所示。從表7可看出，7，14，28，60 d齡期膠凝堆石料抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度越大。

4.2.2 抗壓強(qiáng)度與齡期內(nèi)在關(guān)系分析

從表7試驗(yàn)結(jié)果可以看出，整體上膠凝堆石料的單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，后期(60 d以后)還有很強(qiáng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，具有強(qiáng)度儲(chǔ)備的性質(zhì)。但由于添加粉煤灰的緣故，膠凝堆石料強(qiáng)度前期增長(zhǎng)較慢。

表7 不同齡期試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

分析膠凝堆石料單軸抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線特征，并參照與其更加接近的碾壓混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系[12]，在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，為消除量綱，初步選用數(shù)學(xué)模型：

fcu(τ)/fcu(28)=ln(m+nτ) 。

(1)

式中：τ為齡期(d)；fcu(τ)為齡期為τ時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；fcu(28)為28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度(MPa)；m和n為待求試驗(yàn)常數(shù)。

進(jìn)而對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，即可得到膠凝堆石料單軸抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系為

fcu(τ)/fcu(28)=ln(0.663+0.073 5τ) 。

(2)

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

函數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)圖3。

通過(guò)對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，初步建立了含有m,n兩個(gè)試驗(yàn)常數(shù)的數(shù)學(xué)模型，且曲線擬合相似度R2=0.999，繼而也驗(yàn)證了膠凝堆石料單軸抗壓強(qiáng)度與齡期數(shù)學(xué)模型的正確性和合理性。

4.3 彈性模量

在不同齡期情況下所測(cè)得的彈性模量見(jiàn)表8所示，彈性模量隨齡期的變化曲線如圖4所示。

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表8和圖4可以看出：

(1) 膠凝堆石料的彈性模量較低，僅為常規(guī)混凝土的1/10左右(常規(guī)混凝土彈性模量一般大于2×104MPa)。

表8 不同齡期試樣彈性模量測(cè)試結(jié)果

圖4 膠凝堆石料彈性模量隨齡期變化曲線

(2) 試驗(yàn)所采用的骨料級(jí)配，在灰粉比1∶1、膠材用量65 kg/m3的情況下，制作的膠凝堆石料7，14，28，60 d齡期的彈性模量為140.54～285.18 MPa，彈性模量隨齡期的增加而不斷提高，但在早期(14 d內(nèi))彈性模量增長(zhǎng)較快，之后彈性模量以接近斜線方式緩慢增長(zhǎng)。從既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，60 d后膠凝堆石料彈性模量仍有增長(zhǎng)空間。

4.3.2 彈性模量與齡期內(nèi)在關(guān)系分析

由圖4可知，膠凝堆石料彈性模量與齡期之間存在非線性關(guān)系，曲線開(kāi)始階段上升較快，隨后逐漸變慢，且其單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與混凝土相似，參考混凝土單軸壓縮模量隨齡期的發(fā)展趨勢(shì)，可假設(shè)彈性模量隨齡期增長(zhǎng)的函數(shù)E(τ)與齡期τ為復(fù)合指數(shù)關(guān)系或雙曲線關(guān)系等。已有研究結(jié)果表明[13-14]：對(duì)于常規(guī)混凝土，復(fù)合指數(shù)公式的計(jì)算精度較好；對(duì)于碾壓混凝土，因大量摻加粉煤灰，則雙曲線公式的精度較好。由于膠凝堆石料在施工方法和材料組成上更接近碾壓混凝土，因此，選用形式比較簡(jiǎn)單且精度較好的雙曲線公式[13],即

(3)

式中：c為待求系數(shù)；E0為最終彈性模量(MPa)。

式(3)可改寫(xiě)為

(4)

圖5 τ/E(τ)-τ關(guān)系曲線

因此，以齡期τ為橫坐標(biāo)，τ/E(τ)為縱坐標(biāo)，由各齡期試驗(yàn)結(jié)果可擬合一直線，其截距為c/E0，其斜率為1/E0，如圖5所示。

對(duì)膠凝堆石料各齡期彈性模量試驗(yàn)值做上述變換，并對(duì)各試驗(yàn)值進(jìn)行回歸分析，進(jìn)而得到膠凝堆石料τ/E(τ)-τ關(guān)系曲線,如圖6所示。

由圖6可得

(5)

進(jìn)一步求解可得c=8.33,E0=333.33。

圖6 膠凝堆石料τ/E(τ)-τ關(guān)系曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)膠凝堆石料試樣的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，得到了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并對(duì)其曲線特征進(jìn)行了分析，分析了抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨齡期的變化規(guī)律，主要得出如下結(jié)論：

(1) 膠凝堆石料抗壓強(qiáng)度具有類似混凝土的性質(zhì)，強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

(2) 膠凝堆石料的彈性模量低于一般混凝土的彈性模量，且隨齡期的增加而不斷提高，但在早期(14 d內(nèi))彈性模量增長(zhǎng)較快，之后彈性模量以接近斜線方式緩慢增長(zhǎng)。

(3) 本文分析了齡期對(duì)膠凝堆石料強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律，并借鑒碾壓混凝土強(qiáng)度和彈性模量與齡期的關(guān)系函數(shù)，分別建立了膠凝堆石料強(qiáng)度和彈性模量與齡期的數(shù)學(xué)模型，從而為齡期強(qiáng)度和齡期彈性模量公式的適用性進(jìn)行一定的拓展，進(jìn)而為工程界提供必要的設(shè)計(jì)、施工參考依據(jù)。

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