摘 要:超贫胶结混凝土土石面板坝是水利工程中的一种新坝型。利用高压三轴仪对构成这种新坝型的超贫胶结混凝土的力学特性进行了试验研究,结果表明:超贫胶结材料的应力- 应变曲线在轴向应变较小时,基本符合双曲线模型特征;在同一围压下,胶凝材料用量越大,峰值强度越大;在同一胶凝材料含量下,围压越大,峰值强度越大;超贫胶结混凝土具有较大的残余强度,胶凝材料含量越大或周围压力越大,残余强度越大;超贫胶结混凝土材料的抗剪强度随着水泥用量的增大而增大。
关 键 词: 超贫胶结; 混凝土; 高压三轴仪; 应力- 应变曲线
中图分类号: TV431 文献标识码:A 文章编号: 1000 1379 (2007) 03 0059 02
所谓超贫胶结混凝土,就是低胶结材料胶结而成的混凝土。超贫胶结混凝土土石面板坝是采用超贫胶结材料(水泥、粉煤灰与砂砾料)胶结形成整体坝体,用钢筋混凝土面板或沥青混凝土面板防渗,将堆石坝和碾压混凝土坝结合起来形成的新坝型。该坝型目前还处于研究阶段,而掌握超贫胶结混凝土在三维应力作用下的力学特性是研究超贫胶结混凝土土石面板坝的关键。笔者采用高压三轴仪对超贫胶结混凝土的力学性质进行了试验研究。
1 试验装置和试验方法
1. 1 材料配比
试样采用425号矿渣水泥、粉煤灰及水作为胶结材料,以砂砾石作为骨料。骨料级配: 直径5 ～10 mm 的砂砾石占18% , 10～20 mm的占35% , 20～40 mm的占45% ,大于40 mm的占2%。
由于胶凝材料的用量对超贫胶结材料强度影响显著,因此取胶凝材料用量分别为0、20、30、40、50、60 kg/m3 的超贫胶结材料进行研究,编号为C0、C20、C30、C40、C50、C60,其配合比见表1。
1. 2 试样制备
采用碾压混凝土试件成型方法,用100 L自落式搅拌机械拌和,振动台振动成型,制备直径为15 cm、高30 cm的圆柱体试件。采用碾压混凝土压重块(即压强为4. 9 kPa)对试件进行成型压重,试件脱模(一般成型48 h后脱模)后送入标准养护室养护28 d。
1. 3 试验装置
超贫胶结材料的高压三轴试验是在SY250 - 2. 5型三轴压缩仪上进行的。该仪器为大型应变式高压三轴仪,最大轴向出力P = 250 kN,围压σ3 = 0～2. 5 kPa,反压力σb = 0～2. 5 kPa,轴向升降速度V = 0. 001 9～3. 0 mm /min,轴升范围为0～100mm。
1. 4 试验方法
由于超贫胶结材料的特性介于粗粒土与混凝土之间,因此试验采用《土工试验方法标准》(GB /T50123—1999)规定的固结排水剪切试验方法。试验前将养护28 d的试样浸水饱和后,装入SY250 - 2. 5型高压三轴仪压力室内,外套橡皮隔膜,以阻止试样和压力室的水发生交换。试验时利用反压力系统在三轴仪上对试样施加5 kPa的反压力,进行反压力饱和,以确保试样不含封闭气泡,达到最佳饱和状态。然后对同一组试样在围压分别为200、400、600、800 kPa时,以0. 6 mm /min的加荷速率施加垂直荷载,并记录应力、应变数据。当试样破坏或应变值大于12%时停止试验。
2 试验结果分析
不同胶凝材料、不同围压下超贫胶结材料的偏差应力- 应变关系曲线即(σ1 -σ3 ) -ε曲线见图1～图5。
分析图1～图5可知,应力- 应变曲线具有如下特点: ①超贫胶结材料的应力- 应变曲线在轴向应变ε较小时(ε< 1% ) ,ε随着偏差应力的增加而增加,两者呈线性关系。②随着偏差应力的增加,应力- 应变曲线增加梯度逐渐变缓,表现出明显的非线性特征。对于C30、C50、C60 试件,应变值在2%左右时,曲线达到峰值;应变为2%～6%时,试样的抗剪强度下降很快;应变超过6%以后,试样的抗剪强度下降趋缓,最后趋于定值。③比较图1～图5可以看出,在围压相同的情况下,胶凝材
料用量越大,峰值强度越大;在胶凝材料含量相同时,围压越大,峰值强度越大。④当应力- 应变曲线达到峰值后,试样发生剪切破坏,其破坏是一个渐变的过程,强度随应变量的增加而逐渐减小,最后曲线趋于水平。并且峰值强度越大其软化形态越明显,同时也说明,超贫混凝土具有较大的残余强度,胶凝材料含量或周围压力越大,残余强度越大。超贫混凝土的残余强度对于超贫混凝土坝的疲劳状态与破坏过程的控制具有重要意义。
3 超贫胶结混凝土的本构模型及其强度特征
超贫胶结混凝土高压三轴试验结果表明,应力- 应变曲线在出现峰值之前基本符合双曲线模型特征,因此用双曲线模型来模拟超贫胶结混凝土的应力- 应变关系可以满足工程要求。工程中常用的双曲线模型主要有邓肯- 张模型和修正双曲线模型[ 1, 2 ]。笔者在计算分析中采用邓肯- 张模型,其表达式如下:
式中: k、n、Rf、c、φ为邓肯- 张模型的参数。
根据应力- 应变曲线及式(1) ,得出超贫胶结混凝土的静力学参数,见表1。由表1可以看出,超贫胶结混凝土的强度指标( c、φ) 及参数k随水泥用量的增大而增大。
4 结 语
超贫胶结材料不仅可以应用于建造超贫胶结混凝土土石面板坝,而且在公路、铁路、港口、边坡工程等领域也有广泛的应用前景。其力学特性试验研究在国内尚属首次,得到的上述成果可为超贫胶结材料在工程中的应用提供参考依据。
参考文献:
[ 1 ] 钱家欢,殷宗泽. 土工原理与计算[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 1996.
[ 2 ] 缑元有,李永乐,肖自龙,等. 沥青混凝土应力- 应变关系试验研究[ J ]. 人民黄河, 2005 (5).
