袁 璞，徐 穎

(1.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在物理相似模型試驗中，選取合理的相似材料及配比往往對模型試驗的結(jié)果起到?jīng)Q定性的作用［4］。巖土物理相似模型試驗常選用顆粒膠結(jié)材料作為相似材料，如水泥膠結(jié)砂［5］、石膏膠結(jié)砂［6］、鐵－晶－砂［7－8］。目前，相似材料的研究主要集中于相似材料的靜動態(tài)物理力學(xué)性能方面，較少涉及養(yǎng)護(hù)時間。洛鋒等［5］分析了相似材料模型制作及試件測試過程中的誤差來源。張強(qiáng)勇等［8］研究表明了成型壓力對相似材料的靜態(tài)物理力學(xué)性能的影響。當(dāng)需要考慮巖爆、爆破開挖、地震等動荷載的影響時，就需要掌握相似材料的動態(tài)力學(xué)特性。袁璞等［9］借助鋁質(zhì)分離式Hopkinson壓桿試驗裝置研究了砂灰比對膠結(jié)砂相似模型材料動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度的影響。

模型試驗加載階段時間相對較長，一般選在相似材料強(qiáng)度變化比較平緩的階段。為盡可能縮短物理相似模型試驗周期、加快模型試驗進(jìn)度，有必要對相似材料的合理養(yǎng)護(hù)時間進(jìn)行研究。目前就相似材料養(yǎng)護(hù)時間方面的研究較少，且僅考慮靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。如Consoli等［10］研究了養(yǎng)護(hù)時間對人工膠結(jié)砂靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度的影響。

本文以砂為骨料、水泥和石膏為膠結(jié)劑，配制4種膠結(jié)砂相似材料，通過靜態(tài)單軸壓縮和單軸沖擊壓縮試驗研究養(yǎng)護(hù)時間對相似材料靜、動態(tài)抗壓性能的影響，得到膠結(jié)砂相似材料的合理養(yǎng)護(hù)時間。單軸沖擊壓縮試驗在鋁質(zhì)分離式Hopkinson壓桿裝置上進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)時間分別為7 d、14 d和21 d。

1 膠結(jié)砂相似材料靜態(tài)力學(xué)性能

1.1 膠結(jié)砂相似材料制備

在物理相似模型試驗中，相似材料的力學(xué)性能由相似準(zhǔn)則和原型材料的力學(xué)性能確定，模型相似材料優(yōu)選來源豐富、價格低廉的原材料［3］。試驗用膠結(jié)砂相似材料由砂、P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥、石膏和水按比例拌合而成。試驗用砂粒徑不大于1.18mm。將拌合后混合料放入自制模具中，并用一定的壓力壓實，經(jīng)養(yǎng)護(hù)一段時間后拆模，覆膜養(yǎng)護(hù)。

膠結(jié)砂相似材料靜態(tài)力學(xué)試驗采用φ50mm×100mm的圓柱體試件，靜態(tài)力學(xué)試驗設(shè)計了4種配比和3個養(yǎng)護(hù)時間。養(yǎng)護(hù)時間分別為7 d、14 d和21 d。每組制作3個平行試件，試驗結(jié)果取3次試驗平均值。靜態(tài)力學(xué)試驗加載速率為0.8mm/s，加載過程見圖1。

圖1 靜態(tài)試驗加載示意圖Fig.1 Schematic diagram for static loading test

為研究養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)砂相似材料靜態(tài)力學(xué)性能的影響，對不同養(yǎng)護(hù)時間和不同配比膠結(jié)砂相似材料試件實施單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 不同養(yǎng)護(hù)時間膠結(jié)砂相似材料基本物理力學(xué)性能Tab.1 Basic physical-mechanicalproperties of cemented sand similar material in various curing times

1.2 養(yǎng)護(hù)時間對靜態(tài)力學(xué)特性影響

為得到養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)砂相似材料靜態(tài)物理力學(xué)性能的影響，對表1中4種不同配比相似材料的靜態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行分析，以養(yǎng)護(hù)時間為橫坐標(biāo)，膠結(jié)砂相似材料靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和縱波波速為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖，見圖2和圖3。

將手術(shù)病理檢查結(jié)果作為金標(biāo)準(zhǔn),計算出感興趣區(qū)域小于病灶大小兩倍以及感興趣區(qū)域大于等于病灶大小兩倍時,乳腺惡性病變的檢查準(zhǔn)確性、誤診率。

圖3 縱波波速隨養(yǎng)護(hù)時間變化曲線Fig.3 Curve of longitudinal wave velocity to curing time

對于膠結(jié)砂相似材料，其強(qiáng)度主要來自于砂顆粒間少量的水泥顆粒和石膏顆粒膠結(jié)［11－12］。隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長，膠結(jié)砂相似材料中水泥和石膏的水化進(jìn)程不斷進(jìn)行，砂顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，同時水化產(chǎn)物也會填充砂顆粒的孔隙，增加相似材料的密實性。因此，4種配比膠結(jié)砂相似材料的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和縱波波速均隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長而增加。

2 膠結(jié)砂相似材料動態(tài)力學(xué)性能

2.1 試驗裝置及試件制備

采用φ37mm鋁質(zhì)分離式Hopkinson壓桿(SHPB)試驗裝置對膠結(jié)砂相似材料實施在3種養(yǎng)護(hù)時間下的單軸沖擊壓縮試驗，試驗在安徽理工大學(xué)沖擊動力學(xué)實驗室進(jìn)行，試驗撞擊桿為800mm，輸入桿和輸出桿均為2000mm。

由于膠結(jié)砂相似材料波阻抗較低，僅為鋁質(zhì)壓桿材料波阻抗的24%～31%，試驗采用半導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)測量微弱的透射信號［13－14］。凡士林被用作整形器，涂抹于入射桿桿端，改善入射脈沖加載波形，延長入射脈沖加載升時，試驗實際采集入射波、反射波和透射波三個波形電壓信號見圖4。由于半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)是普通箔式電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)的50倍左右，故圖4中透射波信號較明顯。

圖4 單軸沖擊壓縮試驗采集波形Fig.4 Actual measured waveform in impact uniaxial compression test

在單軸沖擊壓縮試驗中，將膠結(jié)砂相似材料加工成φ37mm×19mm的圓盤形試件，見圖5，此時試件慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)較?。?5］。制作時，試件兩端表面不平行度和表面平整度分別控制在0.05mm和0.02mm以內(nèi)。

圖5 膠結(jié)砂相似材料試件Fig.5 Cemented sand similar material specimens

2.2 單軸沖擊壓縮試驗結(jié)果

在3種養(yǎng)護(hù)時間下對4種配比膠結(jié)砂相似材料試件實施單軸沖擊壓縮試驗。由于膠結(jié)砂相似材料的非均質(zhì)性，為減少SHPB試驗結(jié)果的離散性，試驗時選擇密度與縱波波速均相近的膠結(jié)砂相似材料試件進(jìn)行試驗。為研究養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)砂相似材料動力學(xué)特性的影響，同一配比條件下取相同應(yīng)變率下的動態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行比較。圖6為膠結(jié)砂相似材料在應(yīng)變率約為305 s－1和260 s－1時的動態(tài)應(yīng)力 － 應(yīng)變曲線。

2.3 養(yǎng)護(hù)時間對動態(tài)抗壓強(qiáng)度影響

在應(yīng)變率約為305 s－1和260 s－1時4種配比膠結(jié)砂相似材料平均動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間變化見圖7。

從圖6、圖7可以看出，在應(yīng)變率一定的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長、水泥和石膏水化反應(yīng)的進(jìn)行，膠結(jié)砂相似材料的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度逐漸增加，材料的峰值應(yīng)變逐漸變小。且7 d到14 d強(qiáng)度增長速率較快，14 d到21 d強(qiáng)度增長速率較慢，如M－1相似材料在應(yīng)變率為 258 s－1條件下 7 d、14 d、21 d 平均單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度分別約為 4.78MPa、5.68MPa、6.53MPa，平均動態(tài)峰值應(yīng)變分別約為 0.482、0.351、0.342。

當(dāng)應(yīng)變率約為260 s－1時，對比4種配比相似材料單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)相似材料平均單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨相似材料中水泥含量的增加而增強(qiáng)，也即隨砂灰比減小而增強(qiáng)。

2.4 養(yǎng)護(hù)時間對動態(tài)強(qiáng)度增長因子影響

為對比不同養(yǎng)護(hù)時間4種配比膠結(jié)砂相似材料靜動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度，引入抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF［16］進(jìn)行分析，并定義抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF為:

式中:σd、σS分別為膠結(jié)砂相似材料的動、靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

在試驗加載應(yīng)變率約為305 s－1和260 s－1條件下，膠結(jié)砂相似材料抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子隨養(yǎng)護(hù)時間變化見圖8。

圖8表明，在試驗應(yīng)變率條件下，養(yǎng)護(hù)7 d時，膠結(jié)砂相似材料抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF最大。隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，膠結(jié)砂相似材料抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF大體上呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，且砂灰比越大，膠結(jié)砂相似材料抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF越大，下降趨勢也越明顯。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)時間膠結(jié)砂相似材料動態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.6 Dynamic stress-strain curves for cemented sand similar material specimens under various curing times

圖7 動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間變化曲線Fig.7 Curve of dynamic uniaxial compressive strength to curing time

圖8 膠結(jié)砂相似材料DIF隨養(yǎng)護(hù)時間變化曲線Fig.8 Curve of DIF to curing time of cemented sand similar material

當(dāng)應(yīng)變率為260 s－1時，對比4種配比相似材料的抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF，發(fā)現(xiàn)相似材料M－4的抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子DIF最大，然后依次是相似材料M －3、M －2、M －1。

3 分析

試驗用膠結(jié)砂相似材料采用復(fù)合硅酸鹽水泥和石膏作為膠結(jié)劑，膠結(jié)砂相似材料中的水泥顆粒和石膏顆粒逐漸與水發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物膠結(jié)并填充砂顆粒間的空隙，使膠結(jié)砂相似材料結(jié)構(gòu)致密。隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，膠結(jié)砂相似材料中水泥和石膏的水化進(jìn)程不斷進(jìn)行，膠結(jié)砂相似材料的彈性縱波波速逐漸增加，且7 d至14 d增長速率明顯較14 d至21 d增長速率大。

靜、動態(tài)單軸壓縮試驗結(jié)果表明，膠結(jié)砂相似材料的靜、動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時間的延長而增加;且7 d至14 d增長速率也較14 d至21 d增長速率大。這與膠結(jié)砂相似材料中膠結(jié)材料的水化過程相關(guān)。

隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，水化進(jìn)程的不斷進(jìn)行，膠結(jié)砂相似材料中的水泥和石膏膠結(jié)顆粒逐漸減少，水化反應(yīng)趨于停止［17］，因此膠結(jié)砂相似材料強(qiáng)度增長在7 d至14 d增長速率較快，14 d至21 d增長速率較慢。為縮短物理相似模型試驗周期，加快模型試驗進(jìn)度，合理的物理模型養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)為14 d。

4 結(jié)論

通過不同養(yǎng)護(hù)時間和配比的膠結(jié)砂相似材料靜、動態(tài)單軸壓縮試驗，研究了養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)砂相似材料抗壓性能的影響，得到以下結(jié)論:

(1)隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，膠結(jié)砂相似材料中膠結(jié)材料水化產(chǎn)物填充砂顆粒間的空隙，其縱波波速逐漸增加。

(2)膠結(jié)砂相似材料的靜、動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時間的延長而增加;且7 d至14 d增長速率較14 d至21 d增長速率大。合理的模型材料養(yǎng)護(hù)時間為14 d。

(3)在本次試驗應(yīng)變率條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，膠結(jié)砂相似材料抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子和動態(tài)峰值應(yīng)變大體上呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

(4)砂灰比越小，膠結(jié)砂相似材料中膠結(jié)材料越多，其靜、動態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度越高，抗壓強(qiáng)度動態(tài)增長因子越小。

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