張文生, 熊良宵

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司,成都 610061; 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059)

1 引言

巖石經(jīng)歷高溫作用后的力學(xué)特性是近年來巖石力學(xué)的研究熱點[1]，包含單軸壓縮、三軸壓縮和拉伸試驗等。

有關(guān)高溫作用后巖石的壓縮力學(xué)特性試驗成果已比較多。吳剛等[2]通過在單軸壓縮下實施的聲發(fā)射測試，研究焦作砂巖受溫度作用后的聲發(fā)射演變過程；尹光志等[3]對焦作方莊煤礦煤層頂板粗砂巖進(jìn)行高溫后常規(guī)三軸壓縮試驗；吳剛等[4]對焦作石灰?guī)r在常溫及經(jīng)歷不同溫度作用后的物理力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究；張志鎮(zhèn)等[5]通過實時高溫加載和高溫后冷卻再加載兩種情況下的單軸壓縮試驗，對不同高溫下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。這些試驗成果均沒有考慮加載速率的影響。蘇海健等[6]為考察溫度對砂巖加載速率效應(yīng)的影響規(guī)律，對6 種溫度水平后的砂巖試樣分別進(jìn)行不同加載速率下的單軸壓縮試驗；許金余等[7]對經(jīng)歷不同高溫后的大理巖進(jìn)行不同加載速率下的沖擊壓縮試驗，研究了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量等與加載速率的關(guān)系。有少數(shù)研究者研究了加載速率對高溫后巖石力學(xué)特性的影響，但基本主要集中在沖擊動態(tài)壓縮試驗，而對應(yīng)變率小于10-2/s時的研究成果相對很少。

巖石的抗拉強度對巖石工程穩(wěn)定性起著重要作用。少數(shù)研究者也研究了高溫后巖石的抗拉力學(xué)特性。方新宇等[8]對高溫后的花崗巖試樣進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗，比較分析不同溫度作用后花崗巖的劈裂破壞形態(tài)、荷載-位移曲線、抗拉強度等；蘇海健等[9]對5種溫度水平下，巖樣厚徑比為5種尺寸的紅砂巖圓盤試樣進(jìn)行室內(nèi)巴西劈裂抗拉強度試驗；劉石等[10]利用大直徑分離式霍普金森壓桿試驗設(shè)備對經(jīng)歷不同高溫作用冷卻后的“大理巖”平臺巴西圓盤試樣進(jìn)行不同加載速率作用下的徑向沖擊試驗。有關(guān)高溫后巖石的動態(tài)拉伸力學(xué)特性研究成果還是相對較少。

本文通過制作不同水灰比的水泥砂漿試件，來模擬不同強度的巖石，通過對試件進(jìn)行高溫作用，然后對試件進(jìn)行單軸動態(tài)壓縮試驗和動態(tài)劈裂拉伸試驗，研究試件的動態(tài)壓縮強度、峰值應(yīng)變、動態(tài)壓縮模量和動態(tài)劈裂拉伸強度隨高溫溫度和加載速率的變化規(guī)律。

2 試驗方案

本文通過采用制作不同水灰比的水泥砂漿試件來模擬不同強度的巖石。水泥的強度等級為42.5，水灰比包括0.45、0.55和0.65共3種，膠砂比為1∶2。制作成兩種形狀的試件，邊長為70.7 mm的立方體試件，直徑為5 cm、高為10 cm的圓柱體試件。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，拿出試件進(jìn)行高溫作用。高溫溫度包括25 ℃、200 ℃、300 ℃和400 ℃，然后再對試件進(jìn)行單軸壓縮變形試驗和劈裂拉伸試驗。在進(jìn)行單軸壓縮變形試驗時，采用位移加載速率，相應(yīng)的應(yīng)變加載速率為10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s；在進(jìn)行劈裂拉伸試驗時，采用5種位移加載速率，分別為0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min和5 mm/min。

3 單軸壓縮試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓強度

試件經(jīng)歷高溫作用后的抗壓強度見圖1。

圖1 經(jīng)高溫作用后試件的單軸動態(tài)抗壓強度

水灰比為0.45、0.55和0.65的水泥砂漿試件經(jīng)高溫作用后，隨著應(yīng)變率的增加，試件的抗壓強度基本呈逐漸增加的趨勢。

試件經(jīng)歷高溫作用后的劈裂拉伸強度見圖2。

圖2 經(jīng)高溫作用后試件的劈裂拉伸強度

水灰比為0.45、0.55和0.65的水泥砂漿試件經(jīng)高溫作用后，隨著位移加載速率的增加，試件的劈裂拉伸強度基本呈逐漸增加的趨勢。

定義水泥砂漿的動態(tài)抗壓強度增長因數(shù)DIF為[11-13]：

DIF=fcd/fcs

(1)

其中，DIF為動態(tài)強度增長因素；fcd為當(dāng)前應(yīng)變加載速率下的抗壓強度；fcs為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變加載速率下的抗壓強度。本文將準(zhǔn)應(yīng)變加載速率取為10-5s-1。

動態(tài)強度增長因數(shù)DIF與當(dāng)前應(yīng)變加載速率之間的關(guān)系可表達(dá)為[11-13]

(2)

動態(tài)抗壓強度增長因數(shù)與應(yīng)變率的關(guān)系見圖3。

圖3 動態(tài)抗壓強度增長率與應(yīng)變率的關(guān)系

水灰比為0.45時，經(jīng)200 ℃、300 ℃和400 ℃作用后，b值基本接近；水灰比為0.55時，經(jīng)400 ℃作用后的b值最高，經(jīng)300 ℃作用后的b值次之，經(jīng)200 ℃作用后的b值最?。凰冶葹?.65時，經(jīng)300 ℃作用后的b值最高，經(jīng)200 ℃作用后的b值最小。因此，說明試件經(jīng)高溫作用后，試件的抗壓強度越低，對應(yīng)變率的敏感性也越強。

目前，有關(guān)高溫后不同強度的水泥砂漿和混凝土試件的抗壓強度對應(yīng)變率的敏感性結(jié)果并不統(tǒng)一，這與試件的水灰比、材料組成等因素有很大關(guān)系。

3.2 峰值應(yīng)變的對比分析

試件經(jīng)歷高溫作用后的壓縮峰值應(yīng)變見圖4。

圖4 試件經(jīng)歷高溫作用后的壓縮峰值應(yīng)變

3種水灰比的水泥砂漿試件，經(jīng)200 ℃、300 ℃和400 ℃作用后，隨著應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)變呈無明顯的固定變化規(guī)律。

有些研究者將混凝土試件和巖石試件進(jìn)行高溫后，試件的峰值應(yīng)變隨高溫溫度的變化規(guī)律也不一致。

尹光志等[14]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著高溫溫度由25 ℃增加到700 ℃，粗砂巖試樣的軸向峰值應(yīng)變呈先減小后逐漸增加的趨勢；吳剛等[15]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著高溫溫度由100 ℃增加到800 ℃，石灰?guī)r試樣的峰值應(yīng)變呈先增加后基本不變的趨勢。因此，結(jié)果與試件的類型等因素都有關(guān)。

3.3 水泥砂漿的壓縮彈性模量

單軸壓縮試驗的彈性模量數(shù)值取50%峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變計算出的割線彈性模量[11-13]。單軸壓縮彈性模量的變化規(guī)律見圖5。

圖5 試件經(jīng)歷高溫作用后的壓縮彈性模量

水灰比為0.45、0.55和0.65的水泥砂漿試件經(jīng)高溫作用后，隨著應(yīng)變率的增加，試件的壓縮彈性模量基本呈逐漸增加的趨勢。

4 結(jié)論

(1) 水泥砂漿試件經(jīng)歷各種溫度高溫作用后，隨著應(yīng)變率的增加，試件的抗壓強度和壓縮彈性模量基本呈逐漸增加的趨勢，峰值應(yīng)變呈無明顯的固定變化規(guī)律。

(2) 水泥砂漿試件經(jīng)高溫作用后，試件的抗壓強度越低，對應(yīng)變率的敏感性也越強。

(3) 水泥砂漿試件經(jīng)高溫作用后，隨著位移加載速率的增加，試件的劈裂拉伸強度基本呈逐漸增加的趨勢。