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(1.延邊大學(xué) 土木工程系，吉林 延吉 133002；2.中建五局 第三建設(shè)有限公司，長沙 410000)

1 研究背景

膠凝砂礫石材料(CSG材料)[1-2]是一種新型材料，它是將一定量的膠凝材料和水摻入天然砂礫石料中得到的，是一種介于天然砂礫石料和混凝土之間的材料。如今，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展應(yīng)用，形成了一種新型壩體——膠凝砂礫石壩(CSG Dam)[3-5]，實踐證明，該壩體安全可靠，施工簡易，且要求低，經(jīng)濟(jì)合理。隨著CSG材料在水利工程中被逐步推廣應(yīng)用，對其配比設(shè)計及相應(yīng)的力學(xué)性能進(jìn)行研究至關(guān)重要。

已有研究表明[6-7]，CSG材料的力學(xué)性能主要受膠凝材料用量的影響，且其劈拉強度是自身抗壓強度的8%～11%。而在許多水工建筑中，拉應(yīng)力是不可避免的，且大量研究資料表明[8]，纖維可改善混凝土強度及抗拉等力學(xué)性能。由于國內(nèi)對其研究才剛剛起步，尚未形成系統(tǒng)且完善的研究結(jié)論。因此，本文運用正交試驗設(shè)計方法，選取天然砂礫石為原材料，采取等骨料級配及砂率、不同膠凝材料用量、齡期等參數(shù),針對性地試驗分析CSG材料力學(xué)性能，且總結(jié)各影響參數(shù)的變化規(guī)律，最終提出以強度及破壞變形率等為主導(dǎo)影響的適宜CSG材料配比，為CSG今后在壩體材料上的推廣運用提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗設(shè)計

2.1 原材料

采用密度為3.04 g/cm3的42.5#普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分如表1所示。纖維采用的是PVA纖維中的REC15，它強度高，耐腐蝕性好，與水泥等親和性好，具體力學(xué)性能如表2所示。所用天然砂礫石料來自某河床，具體級配特性如表3所示；經(jīng)篩分后分為砂料和骨料，由于顆粒級配情況，制作試件所用的粒徑均控制在40 mm以內(nèi)，其具體物理特性如表4所示；2種骨料顆粒級配曲線如圖1所示。水采用自來水。

表1 水泥的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositon of cement

表2 纖維種類及性能指標(biāo)Table 2 Category and properties of fiber

表3 天然砂礫石料級配特性Table 3 Grain size distribution of natural sand and gravel

表4 天然砂礫石料物理特性Table 4 Physical properties of natural sand and gravel

圖1 天然砂礫石2種骨料顆粒級配曲線Fig.1 Gradation curves of two aggregates

2.2 試驗標(biāo)準(zhǔn)

由于國內(nèi)對CSG材料研究相對較少，還未形成一套較為完整的統(tǒng)一規(guī)范。但鑒于CSG材料特性介于混凝土與土石料之間，本次試驗方法參照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)[9]和《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)[10]進(jìn)行。

試件尺寸為φ150 mm×H300 mm，每個配合比制作試件10個(6個抗壓+4個劈拉)，共300個試件。試件分3次裝入碳素鋼模,每層人工振搗擊實成型，待48 h后脫模，在自然條件下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃，每天灑水養(yǎng)護(hù)，保證濕度為(95±1)%；最后分別測試試件7，28，91 d的抗壓及劈拉強度。其中，試驗采用微機控制系統(tǒng)電子萬能試驗機進(jìn)行測試，其最大軸壓為1 000 kN，精度為0.01%。

2.3 配合比設(shè)計

根據(jù)CSG材料的特性及混凝土配合比設(shè)計經(jīng)驗，采取等骨料級配及砂率、不同膠凝材料用量、齡期設(shè)計正交試驗研究配合比，并在此基礎(chǔ)上，分別摻0%，1%，3%，5%，10%(占水泥用量的百分比)PVC纖維，最終得到配合比設(shè)計結(jié)果見表5。

表5 配合比試驗設(shè)計Table 5 Design of mix proportion

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 密度及含水率

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[11]進(jìn)行擊實試驗。測得各配合比下試件最大干密度及最優(yōu)含水率，如表6所示。據(jù)表6可知，纖維的摻入對最大干密度及最優(yōu)含水率均有影響，且總體上看，纖維具有降低干密度的效果，但對含水率的影響規(guī)律不明顯。

表6 各配合比下試件最大干密度與最優(yōu)含水率Table 6 Maximum dry density and optimum moisture ratio of specimens with different mix ratios

3.2 CSG材料抗壓強度試驗分析

3.2.1 試件破壞形態(tài)

圖2 抗壓試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure pattern of specimen under compression

根據(jù)抗壓試件破壞形態(tài)(圖2)及現(xiàn)場加載試驗情況，我們可以得出CSG材料圓柱體試件受壓破壞的整個過程為：①隨著機械荷載的不斷增大，垂直方向上壓應(yīng)力增大，試件產(chǎn)生縱向變形；②荷載不斷增大時，試件上、下表面與試驗機上、下壓力面之間的摩擦力也隨之產(chǎn)生，從而使試件不能自由地縱向擴張，使試件橫向變形產(chǎn)生膨脹應(yīng)力[12]，特別是試件與上、下壓板的接觸區(qū)域；③由于試件中部受兩端影響小，隨著荷載的增加，首先產(chǎn)生縱向裂縫，其次出現(xiàn)斜向裂縫，最終破壞。

3.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)養(yǎng)護(hù)時間的變化，待達(dá)到某一齡期后，進(jìn)行強度測試，整理試驗結(jié)果。

觀察抗壓破壞形態(tài)可知，CSG材料破壞主要由于骨料與漿體分離，而骨料并未破壞，屬于粘結(jié)破壞。我們知道CSG材料最主要的工程特性是水泥用量少[13]，而膠凝材料粘結(jié)面在受力的情況下極為脆弱。因此為了改善此特性，試驗針對不同配合比，研究水泥用量及纖維摻量對CSG材料強度的影響，得出試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 水泥用量60 kg/m3的不同纖維摻量下試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain relationship of specimen containing 60 kg/m3 cement in the presence of varying fiber content

圖4 水泥用量80 kg/m3的不同纖維摻量下試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain relationship of specimen containing 80 kg/m3 cement in the presence of varying fiber content

在試驗中，受人為因素及養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響，可能會出現(xiàn)個別試件產(chǎn)生較大相對誤差的試驗結(jié)果。但總體上由圖3、圖4中試驗數(shù)據(jù)分析可知：隨著水泥用量的增加，CSG材料強度增加，特別是試件的前期抗壓強度均隨水泥用量的增加而大幅增加；但由于試驗中纖維過少或過多摻入，水泥用量變化對強度產(chǎn)生不利影響，特別是過多纖維的摻入影響水泥的化學(xué)作用，進(jìn)而影響強度；同時，纖維的摻入也使得CSG材料的前期強度增長逐步大于后期強度增長，甚至有部分試件91 d強度小于28 d強度，這是因為在前期反應(yīng)中，纖維作為填充材料使得在混凝土基體中布滿了許多立體纖維網(wǎng)，而這種立體纖維網(wǎng)會與水泥形成膠結(jié)能力，但隨著反應(yīng)時間的延長，在后期反應(yīng)中卻影響了水泥顆粒之間的凝結(jié)，甚至影響到前期已形成的凝膠作用。綜上所述，水泥對CSG材料的膠結(jié)作用很強，對強度的增強是顯而易見的。

3.2.3 纖維摻量對抗壓強度的影響

纖維摻量對抗壓強度的影響規(guī)律如圖5所示。經(jīng)分析得出：①當(dāng)纖維摻量分別為1%，3%，5%，10%時，在水泥用量為60 kg/m3時，CSG材料的7 d抗壓強度分別較未摻纖維增加了24%，20%，14%，19%; 28 d抗壓強度分別是未摻纖維的104%，94%，104%，74%；91 d抗壓強度分別較未摻纖維增加了19%，22%，19%，7%。②在水泥用量為80 kg/m3時，CSG材料的7 d抗壓強度分別較未摻纖維增加了13%，28%，4%，22%；28 d抗壓強度分別是未摻纖維的76%，74%，58%，70%；91 d抗壓強度分別是未摻纖維的99%，108%，102%，89%。有部分試件強度負(fù)增長，說明試件制作過程中有試驗誤差的出現(xiàn)。

圖5 纖維摻量對抗壓強度的影響規(guī)律Fig.5 Variation of compressive strength against fiber content

對比摻入纖維的CSG材料和基準(zhǔn)材料發(fā)現(xiàn)：隨著纖維的摻入，抗壓強度有增加的趨勢，特別是摻入3%纖維時，CSG材料在不同膠凝材料用量、齡期內(nèi)強度均得到很好提高，且在后期強度體現(xiàn)明顯；但隨著摻量的進(jìn)一步增加，抗壓強度開始有降低的趨勢，特別是摻量達(dá)到10%強度下降明顯。這是因為纖維在CSG材料中親水與水泥基質(zhì)間形成了均勻致密且具有整體性的結(jié)構(gòu)，使其具有良好的界面粘合力，當(dāng)應(yīng)力施加于材料上時，因破壞結(jié)構(gòu)而消耗能量，從而提高抗壓強度；同時，剛剛摻入纖維時，對混凝土起到較為明顯的引氣效果，使CSG材料中的水泥基質(zhì)與各粗細(xì)骨料間的結(jié)合力降低，從而CSG材料的早期強度會有所降低；但纖維的增加需要更多水泥纏裹，而總體水泥用量是有限的，不利于整體性，抑制了強度的發(fā)展。

纖維摻量對抗壓強度的影響曲線變化規(guī)律可以用關(guān)系式Y(jié)=Px3+Qx2+Sx+U進(jìn)行擬合。其中：Y為抗壓強度；x為纖維摻量,分別為0%，1%，3%，5%，10%；P，Q，S，U為回歸系數(shù)。擬合結(jié)果如表7所示。

表7 纖維摻量對抗壓強度影響的擬合參數(shù)Table 7 Regression coefficient between fiber content and compressive strength

由圖6所示的變形率隨纖維摻量的變化規(guī)律可知：當(dāng)纖維摻量分別為1%，3%，5%，10%時，在水泥用量為60 kg/m3時，CSG材料的抗壓破壞變形率增加了1.0～1.5倍；在水泥用量為80 kg/m3時，CSG材料的抗壓破壞變形率增加了1.1～1.7倍。

圖6 抗壓破壞變形率隨纖維摻量的變化規(guī)律Fig.6 Variation of compressive deformation rate against fiber content

3.3 CSG材料電鏡觀察及成分分析

3.3.1 化學(xué)成分分析

通過試驗檢測得到不同水泥用量下CSG材料的主要化學(xué)成分，如表8所示。我們知道水泥在干態(tài)時主要由C3S，C2S，C3A，C4AF等物質(zhì)組成[14]，但在其水化過程中，會生成鈣礬石，即三硫型水化硫酸鋁鈣、單硫型水化硫酸鋁鈣、氫氧化鈣、硅酸鈣C-S-H凝膠。從表8中我們發(fā)現(xiàn)CaO,Al2O3,Fe2O3等物質(zhì)含量降低，而SiO2等物質(zhì)含量增加，從一定程度上可以說明水泥量的增加，使水化反應(yīng)變得劇烈，從而提高CSG材料的強度。

表8 不同水泥用量下CSG材料的主要化學(xué)成分Table 8 Main chemical composition of CSG materials with different contents of cement %

3.3.2 形貌分析

將試件取樣、磨碎、烘干，放電鏡下觀察，得圖7?？梢钥闯觯瑘D7(b)中水化反應(yīng)所形成的產(chǎn)物更致密，圖7(a)中的孔結(jié)構(gòu)較多。結(jié)合化學(xué)組分，更反映出水泥用量的增加使水化反應(yīng)變得劇烈，從而提高CSG材料的強度。

圖7 電鏡觀察圖(1萬倍率)Fig.7 SEM images (magnified by 10 000 times)

3.4 CSG材料劈裂抗拉強度影響分析

3.4.1 試件破壞形態(tài)

如圖8所示，同抗壓破壞形態(tài)一樣，骨料并未遭破壞。具體破壞過程為：將圓柱試件橫放在壓力機壓板之間，當(dāng)壓力機的荷載不斷增大時，試件開始沿中心線方向出現(xiàn)裂縫，且隨著荷載的繼續(xù)增大，裂縫寬度也持續(xù)增加，直到試件達(dá)到所能承受的劈裂荷載，試件劈裂。CSG材料試件的劈裂破壞是沿著中心線，劈裂成兩半的劈裂方式；劈裂面是膠結(jié)材料與骨料的粘結(jié)面[15]。

圖8 抗拉試件破壞形態(tài)Fig.8 Failure pattern of specimen under tension

3.4.2 纖維摻量對劈拉強度影響分析

纖維摻量對抗壓強度的影響規(guī)律見圖9。分析得出PVA纖維是一種高強、高彈性、與水泥基體粘結(jié)程度較高的合成材料，摻入PVA纖維猶如在CSG材料中加入了纖維筋，它能有效地抑制CSG材料的早期塑性裂縫，提高其斷裂韌性，從而在一定程度上提高了CSG材料的劈拉強度。由于纖維與水泥基體的粘結(jié)程度較高，當(dāng)外界應(yīng)力作用時，內(nèi)部形成的水泥凝膠體將應(yīng)力傳遞給纖維，PVA纖維有較高的延伸率，以此在交界面上產(chǎn)生了剪切力，這種剪應(yīng)力可以相互約束，即既阻止纖維伸長，又抑制內(nèi)部生成微細(xì)裂縫；但當(dāng)摻量過高時，會明顯降低水泥的包覆效果，導(dǎo)致CSG材料的劈拉強度會有所降低。

圖9 纖維摻量對抗拉強度的影響規(guī)律Fig.9 Variation of tensile strength against fiber content

圖10 抗拉破壞變形率隨纖維摻量的變化規(guī)律Fig.10 Variation of tensile deformation rate against fiber content

在圖10中，當(dāng)纖維摻量分別為1%,3%,5%,10%時，在水泥用量為60 kg/m3時，CSG材料的抗壓破壞變形率增加了(0.6～1.5)倍；在水泥用量為80 kg/m3時，CSG材料的抗壓破壞變形率增加了(1.0～1.4)倍。

3.5 拉壓比試驗研究

已有研究表明，CSG材料的劈拉強度是抗壓強度的8%～11%，但由于摻有纖維，抗壓及抗拉強度均有所提高，它們之間的關(guān)系需進(jìn)一步研究。為此，進(jìn)行不同配比下的拉壓試驗，測得數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 拉壓比試驗數(shù)據(jù)Table 9 Ratio of compressive strength to tensile strength

CSG材料的抗壓強度與抗拉強度之間存在一定的比值關(guān)系[16]，而纖維摻量的變化導(dǎo)致各強度提高程度不同。經(jīng)過30組拉壓試驗，分析數(shù)據(jù)研究可知，改善后的CSG材料拉壓比仍存在一定的比例范圍，且對比值改善最明顯的是摻量為5%時，抗拉強度達(dá)到抗壓強度的24.1%。

4 結(jié) 論

(1)對比摻入PVA纖維的CSG材料與基準(zhǔn)材料發(fā)現(xiàn)，隨著纖維的摻入，試件在不同膠凝材料用量、齡期內(nèi)的抗壓及劈拉強度均有所增加，且對抗壓強度的影響大于抗拉強度；對于抗壓強度而言，整體有增加的趨勢，且對后期強度體現(xiàn)明顯，但隨著摻量的進(jìn)一步增加，抗壓強度開始有降低的趨勢，特別是摻量達(dá)到10%時強度下降明顯；對劈拉強度而言，隨著纖維摻量的增加，劈拉強度亦增加，但繼續(xù)增加纖維摻量，劈拉強度隨后亦有降低的趨勢，但均高于基準(zhǔn)材料。

(2)在試驗中，PVA纖維對破壞變形率的影響整體上看均呈增加趨勢，但增率不大，特別是在膠凝材料用量不變的情況下，增幅為(1.0～1.5)倍，但隨著膠凝材料用量的增加，增幅增大；但總體上，對破壞變形率的改變程度大于強度。

(3)根據(jù)試驗及回歸方程分析，可以得出：CSG材料摻和PVC纖維能較好地改善原材料的延性，且將試件破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)化為延性破壞，特別是摻入3%PVA纖維時，試件的抗壓及劈拉強度均達(dá)到最大值。

(4)CSG材料的抗壓強度與抗拉強度之間存在一定的比值關(guān)系，而通過纖維改善后其拉壓比仍存在一定的比例范圍，且對比值改善最明顯的是摻量為5%時，達(dá)到24.1%。