養護時間對膠結砂相似材料抗壓性能的影響

袁 璞，徐 穎

(1.安徽理工大學 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 土木建筑學院，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果起到決定性的作用［4］。巖土物理相似模型試驗常選用顆粒膠結材料作為相似材料，如水泥膠結砂［5］、石膏膠結砂［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物理力學性能方面，較少涉及養護時間。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。張強勇等［8］研究表明了成型壓力對相似材料的靜態物理力學性能的影響。當需要考慮巖爆、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力學特性。袁璞等［9］借助鋁質分離式Hopkinson壓桿試驗裝置研究了砂灰比對膠結砂相似模型材料動態單軸抗壓強度的影響。

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、加快模型試驗進度，有必要對相似材料的合理養護時間進行研究。目前就相似材料養護時間方面的研究較少，且僅考慮靜態抗壓強度。如Consoli等［10］研究了養護時間對人工膠結砂靜態單軸抗壓強度的影響。

本文以砂為骨料、水泥和石膏為膠結劑，配制4種膠結砂相似材料，通過靜態單軸壓縮和單軸沖擊壓縮試驗研究養護時間對相似材料靜、動態抗壓性能的影響，得到膠結砂相似材料的合理養護時間。單軸沖擊壓縮試驗在鋁質分離式Hopkinson壓桿裝置上進行，養護時間分別為7 d、14 d和21 d。

1 膠結砂相似材料靜態力學性能

1.1 膠結砂相似材料制備

在物理相似模型試驗中，相似材料的力學性能由相似準則和原型材料的力學性能確定，模型相似材料優選來源豐富、價格低廉的原材料［3］。試驗用膠結砂相似材料由砂、P.C 32.5復合硅酸鹽水泥、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，經養護一段時間后拆模，覆膜養護。

膠結砂相似材料靜態力學試驗采用φ50mm×100mm的圓柱體試件，靜態力學試驗設計了4種配比和3個養護時間。養護時間分別為7 d、14 d和21 d。每組制作3個平行試件，試驗結果取3次試驗平均值。靜態力學試驗加載速率為0.8mm/s，加載過程見圖1。

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

為研究養護時間對膠結砂相似材料靜態力學性能的影響，對不同養護時間和不同配比膠結砂相似材料試件實施單軸壓縮試驗，試驗結果見表1。

表1 不同養護時間膠結砂相似材料基本物理力學性能Tab.1 Basic physical-mechanicalproperties of cemented sand similar material in various curing times

1.2 養護時間對靜態力學特性影響

為得到養護時間對膠結砂相似材料靜態物理力學性能的影響，對表1中4種不同配比相似材料的靜態試驗結果進行分析，以養護時間為橫坐標，膠結砂相似材料靜態抗壓強度和縱波波速為縱坐標，繪制散點圖，見圖2和圖3。

將手術病理檢查結果作為金標準,計算出感興趣區域小于病灶大小兩倍以及感興趣區域大于等于病灶大小兩倍時,乳腺惡性病變的檢查準確性、誤診率。

圖3 縱波波速隨養護時間變化曲線Fig.3 Curve of longitudinal wave velocity to curing time

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

2 膠結砂相似材料動態力學性能

2.1 試驗裝置及試件制備

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

由于膠結砂相似材料波阻抗較低，僅為鋁質壓桿材料波阻抗的24%～31%，試驗采用半導體應變片技術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。由于半導體應變片靈敏系數是普通箔式電阻應變片靈敏系數的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，此時試件慣性效應和摩擦效應較小［15］。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。

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

2.2 單軸沖擊壓縮試驗結果

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

2.3 養護時間對動態抗壓強度影響

在應變率約為305 s－1和260 s－1時4種配比膠結砂相似材料平均動態單軸抗壓強度隨養護時間變化見圖7。

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

當應變率約為260 s－1時，對比4種配比相似材料單軸動態抗壓強度，發現相似材料平均單軸動態抗壓強度隨相似材料中水泥含量的增加而增強，也即隨砂灰比減小而增強。

2.4 養護時間對動態強度增長因子影響

為對比不同養護時間4種配比膠結砂相似材料靜動態單軸抗壓強度，引入抗壓強度動態增長因子DIF［16］進行分析，并定義抗壓強度動態增長因子DIF為:

式中:σd、σS分別為膠結砂相似材料的動、靜態單軸抗壓強度，MPa。

在試驗加載應變率約為305 s－1和260 s－1條件下，膠結砂相似材料抗壓強度動態增長因子隨養護時間變化見圖8。

圖8表明，在試驗應變率條件下，養護7 d時，膠結砂相似材料抗壓強度動態增長因子DIF最大。隨著養護時間的延長，膠結砂相似材料抗壓強度動態增長因子DIF大體上呈現出逐漸降低的趨勢，且砂灰比越大，膠結砂相似材料抗壓強度動態增長因子DIF越大，下降趨勢也越明顯。

圖6 不同養護時間膠結砂相似材料動態應力－應變曲線Fig.6 Dynamic stress-strain curves for cemented sand similar material specimens under various curing times

圖7 動態單軸抗壓強度隨養護時間變化曲線Fig.7 Curve of dynamic uniaxial compressive strength to curing time

圖8 膠結砂相似材料DIF隨養護時間變化曲線Fig.8 Curve of DIF to curing time of cemented sand similar material

當應變率為260 s－1時，對比4種配比相似材料的抗壓強度動態增長因子DIF，發現相似材料M－4的抗壓強度動態增長因子DIF最大，然后依次是相似材料M －3、M －2、M －1。

3 分析

試驗用膠結砂相似材料采用復合硅酸鹽水泥和石膏作為膠結劑，膠結砂相似材料中的水泥顆粒和石膏顆粒逐漸與水發生水化反應，水化產物膠結并填充砂顆粒間的空隙，使膠結砂相似材料結構致密。隨著養護時間的延長，膠結砂相似材料中水泥和石膏的水化進程不斷進行，膠結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、動態單軸壓縮試驗結果表明，膠結砂相似材料的靜、動態單軸抗壓強度均隨養護時間的延長而增加;且7 d至14 d增長速率也較14 d至21 d增長速率大。這與膠結砂相似材料中膠結材料的水化過程相關。

隨著養護時間的延長，水化進程的不斷進行，膠結砂相似材料中的水泥和石膏膠結顆粒逐漸減少，水化反應趨于停止［17］，因此膠結砂相似材料強度增長在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，加快模型試驗進度，合理的物理模型養護時間應為14 d。

4 結論

通過不同養護時間和配比的膠結砂相似材料靜、動態單軸壓縮試驗，研究了養護時間對膠結砂相似材料抗壓性能的影響，得到以下結論:

(1)隨著養護時間的延長，膠結砂相似材料中膠結材料水化產物填充砂顆粒間的空隙，其縱波波速逐漸增加。

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

(3)在本次試驗應變率條件下，隨著養護時間的延長，膠結砂相似材料抗壓強度動態增長因子和動態峰值應變大體上呈現出逐漸降低的趨勢。

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

［1］袁亮，顧金才，薛俊華，等.深部圍巖分區破裂化模型試驗研究［J］.煤炭學報，2014，39(6):987－993.YUAN Liang，GU Jin-cai，XUE Jun-hua，et al.Model test research on the zonal disintegration in deep rock［J］.Journal of China Coal Society，2014，39(6):987－993.

［2］陳安敏，顧金才，沈俊，等.地質力學模型試驗技術應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(22):3785－3789.CHEN An-min，GU Jin-cai，SHEN Jun，et al.Application study on the geomechanical modelexperiment techniques［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(22):3785－3789.

［3］張強勇，李術才，李勇，等.地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用［M］.北京:科學出版社，2012.

［4］左保成，陳從新，劉才華，等.相似材料試驗研究［J］.巖土力學，2004，25(11):1805 －1808.ZUO Bao-cheng， CHEN Cong-xin， LIU Cai-hua， et al.Research onsimilar material of slope simulation experiment［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(11):1805－1808.

［5］洛鋒，楊本生，郝彬彬，等.相似材料單軸壓縮力學性能及強度誤差來源分析［J］.采礦與安全工程學報，2013，30(1):93－99.LUO Feng， YANG Ben-sheng， Hao Bin-bin， et al.Mechanical properties of similar material under uniaxial compression and the strength error sources［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2013，30(1):93－99.

［6］楊仁樹，張宇菲，楊立云，等.石膏類相似材料的配合比試驗研究［J］.中國礦業，2013，22(10):125－130.YANG Ren-shu，ZHANG Yu-fei，YANG Li-yun， et al.Study on the mixing proportion test of similar material gypsum［J］.China Mining Magazine，2013，22(10):125 －130.

［7］張緒濤，張強勇，向文，等.深部層狀節理巖體分區破裂模型試驗研究［J］.巖土力學，2014，35(8):2247－2254.ZHANG Xu-tao，ZHANG Qiang-yong，XIANG Wen，et al.Model test study of zonaldisintegration in deep layered jointed rock mass［J］.Rock and Soil Mechanics，2014，35(8):2247－2254.

［8］張緒濤，張強勇，曹冠華，等.成型壓力對鐵－晶－砂混合相似材料性質的影響［J］.山東大學學報(工學版)，2013，43(2):89－95.ZHANG Xu-tao，ZHANG Qiang-yong，CAO Guan-hua，et al.Effects on iron-barite-sand mixed similar material properties induced by molding pressure［J］.Journal of Shandong University(Engineering Science)，2013，43(2):89－95.

［9］Yuan Pu，Xu Ying，Liu Ya-zhou，et al.Uniaxial impact compression tests and analyses on cemented sand similar material in various sand-cemented ratios［J］.Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2014，19(Y):8991－9002.

［10］Consoli N C，Cruz R C，Floss M F.Variable controlling strength of artificially cemented sand:influence of curing time［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2011，23(5):692－696.

［11］Wang Y H，Leung S C.A particulate-scale investigation of cemented sand behavior［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，45(1):29－44.

［12］蔣明鏡，肖俞，孫渝剛，等.水泥膠結顆粒的微觀力學模型試驗［J］.巖土力學，2012，33(5):1293－1299.JIANG Ming-jing， XIAO Yu， SUN Yu-gang， et al.Experimental investigation on micromechanical model of cement-bended particles［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33(5):1293－1299.

［13］馬芹永，張經雙，陳文峰，等.人工凍土圍壓SHPB試驗與沖擊壓縮特性分析［J］.巖土力學，2014，35(3):637－640.MA Qin-yong，ZHANG Jing-shuang，CHEN Wen-feng，et al.Analysis of SHPB test and impact compression in confining pressure for artificial frozen soil［J］. Rock and Soil Mechanics，2014，35(3):637 －640.

［14］袁璞，馬芹永，張海東.輕質泡沫混凝土SHPB試驗與分析［J］.振動與沖擊，2014，33(17):116－119.YUAN Pu，MA Qin-yong，ZHANG Hai-dong.SHPB tests forlight weight foam concrete［J］.Journal of Vibration and Shock，2014，33(17):116 －119.

［15］Pankow M，Attard C，Waas A M.Specimen size and shape effect in split Hopkinson pressure bar testing［J］.The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2009，44(8):689－698.

［16］蘇灝揚，許金余，白二雷，等.陶瓷纖維混凝土的抗沖擊性能試驗研究［J］.建筑材料學報，2013，16(2):237－243.SU Hao-yang，XU Jun-yu，BAI Er-lei，et al.Experimental study on anti-impact performance ceramic fiber reinforced concrete［J］.Journal of Building Materials，2013，16(2):237－243.

［17］劉鵬，余志武，陳令坤.養護齡期對水泥混凝土性能和微觀結構的影響［J］.建筑材料學報，2012，15(5):717－723.LIU Peng，YU Zhi-wu，CHEN Ling-kun.Influence of curing age on properties and micro structure of concrete［J］.Journal of Building Materials，2012，15(5):717 －723.