不同圍壓下水泥砂漿三軸壓縮試驗研究

冉少鵬　王蘇生　向志鵬

(河海大學 巖土工程科學研究所， 南京　210098)

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不同圍壓下水泥砂漿三軸壓縮試驗研究

冉少鵬王蘇生向志鵬

(河海大學 巖土工程科學研究所， 南京210098)

摘要：對圓柱型水泥砂漿試樣進行了不用圍壓、相同滲壓下的三軸壓縮試驗，并對其強度特征和滲透規律進行了研究．結果表明，隨著圍壓的增加，試樣的峰值強度增大，圍壓提高了試樣的強度；當偏應力達到臨界值后，試樣損傷隨著偏應力的增大而增加；損傷與滲透率呈指數關系，滲透率隨損傷的增大而增加．

關鍵詞：水泥砂漿；三軸壓縮試驗；損傷；滲透率；強度特征

水泥砂漿是建筑工程中用量大、用途廣的建筑材料，廣泛用于隧道、大壩、核電站等大型建筑，在建筑工程中起主體結構和傳遞應力的作用．大型建筑工程所處地質環境復雜，受應力、溫度、地下水等多方面因素影響，而建筑工程使用壽命均為幾十年甚至上百年，因此開展對水泥砂漿力學特性的研究尤為重要．

國內相關學者對于水泥砂漿力學特性的研究己經取得了不少的成果．常留紅等[1]進行了水泥砂漿單軸條件下的強度試驗，研究了其在不同應變率條件下的本構關系．李英華等[2]采用液壓伺服試驗機研究了水泥砂漿的動態力學行為，提出了砂漿在沖擊荷載下的損失演化規律．鄭文翔等[3]通過在水泥砂漿試樣中預置鐵片，研究了單軸壓縮條件下水泥砂漿的力學特性和裂紋擴展規律．蒲成志等[4]通過預制多裂隙水泥砂漿試樣進行壓縮試驗，研究了裂隙角度對其強度的影響規律．薛云亮等[5]利用液壓伺服試驗系統和聲波監測儀對水泥砂漿混凝土進行了聲發射試驗研究，研究了其損傷變量和聲發射參數之間的函數關系．速寶玉等[6]研究了水泥砂漿在水力劈裂條件下的破壞特征．薛志剛等[7]利用分離式霍普金森壓桿討論了應力加載路徑及應變率對水泥砂漿力學性能的影響．

水泥砂漿可視為一種類巖石材料，其力學特性受應力加載路徑影響很大，表現為隨著圍壓的增大，其強度變高．本文對水泥砂漿試樣進行了應力、滲流條件下三軸壓縮試驗，研究了不同圍壓下水泥砂漿力學特性、損傷演化和滲透特性．

1試驗條件及方案

1.1試驗方案

參考巖石力學試驗標準，根據《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266-99)以及國際巖石力學學會(ISRM)推薦標準，本試驗所用試樣為上下端面水平，側面光滑的50 mm×100 mm圓柱樣(見圖1)．

圖1　水泥砂漿試樣

幾何尺寸見表1，試件材料為水泥砂漿，砂子采用普通建筑河砂，經過篩分后取粒徑小于1.0 mm的細砂進行配比，水泥采用型號為52.5 MPa硅酸鹽水泥．砂漿配比為m水泥∶m砂∶m水=1∶0.5∶0.4．

表1　試樣基本物理參數

1.2試驗設備

三軸壓縮試驗在巖石三軸滲流流變系統上進行．該設備由三軸壓力室、高壓泵伺服系統、軸向應變和側向應變測量系統，水壓系統以及微機處理系統組成．其中控制圍壓、偏壓和滲透水壓的3個高精度高壓泵，可以實現各項壓力的伺服控制．

2試驗結果分析

2.1不同圍壓下試樣強度特征

對砂漿試樣進行了滲壓1 MPa，圍壓2 MPa，4 MPa和6 MPa下的常規三軸壓縮試驗．試樣的軸向應變ε1和側向應變ε3均由變形測量系統測得，所以，試樣的體積應變可由式(1)計算：

圖2　應力應變曲線

不同圍壓下類砂漿試樣的應力-應變關系曲線如圖2所示．由圖2可見，試樣開始進行偏壓加載后，很快進入彈性階段，其應力-應變曲線成近似直線型．隨著偏壓繼續加載，試樣進入屈服階段，應力-應變曲線斜率降低并趨于水平，此階段軸向應變和側向應變快速增大．當試樣承載力達到峰值強度后，試樣發生破壞，承載力降低．根據應力應變曲線可以得到試樣的力學參數見表2．

表2　類巖石材料強度參數

圍壓對試樣的強度影響顯著．由表2可見，圍壓2 MPa、4 MPa、6 MPa下，峰值強度分別為50.08 MPa、59.39 MPa和61.13 MPa．峰值強度對應的軸向應變分別是8.95×10-3、11.14×10-3和14.04×10-3，峰值軸向應變和圍壓擬合曲線的擬合關系是ε1=1.274σ3+6.28，相關系數R2=0.98，呈良好的線性相關性．由此可知，試樣達到峰值強度破壞時軸向應變隨著圍壓的增大而增大．

Coulomb準則是巖土工程中應用最廣泛的強度理論之一，黏聚力和內摩擦角是反映材料抗剪強度的兩個重要參數．

圖3為依據Coulomb準則得到的試樣圍壓2、4、6 MPa下三軸壓縮的峰值強度分析．由圖3可見，對3組試樣的峰值強度進行回歸分析，結果為Q(2.76，45.82)，相關系數R2為0.73，由此計算得到的水泥砂漿類巖石材料黏聚力為13.79 MPa，內摩擦角為27.91°．

圖3　試樣Coulomb準則強度分析

2.2損傷分析

損傷是指試樣在加載過程中，其內部的微裂紋和微裂隙擴展貫通引起的劣化過程．如圖2中試樣的應力應變曲線所示，在試樣達到峰值強度之前，其軸向應變和側向應變曲線呈非線性．假設當試樣應力低于某應力閥值時，應力應變曲線屬于線彈性，此時試樣處于無損狀態；當外荷載超過該應力閥值時，試樣不斷損傷，其彈性模量等參數逐漸劣變[8]．

按照材料等價假設，受損材料的應力-應變關系可參照無損材料的應力-應變關系獲得[8-9]：

式中，D為損傷變量，D=0對應無損傷狀態，D=1對應完全損傷狀態，0

為了研究水泥砂漿試樣三軸壓縮下的破壞損傷過程，引入裂紋應變的概念，假定水泥砂漿試樣的應變是由彈性應變和裂紋應變兩部分組成[8，10]，即

根據水泥砂漿試樣三軸試驗結果，利用上式損傷計算公式得出了不同圍壓下的軸向和側向損傷，并繪制出損傷變量與軸向應變、環向應變之間的關系曲線，如圖4所示．由圖4可以看出，水泥砂漿試樣在三軸壓縮狀態下，其軸向和環向表現出損傷的程度是不同的，圍壓2 MPa下試樣環向損傷變量約為軸向損傷變量的1.78倍，圍壓4 MPa下試樣環向損傷變量約為軸向損傷變量的1.11倍，6 MPa下試樣環向損傷變量約為軸向損傷變量的1.12倍．

圖4　三軸壓縮試驗損傷過程曲線

從不同圍壓下的損傷變量可以看出，在加載過程中，試樣的軸向損傷和側向損傷均隨著應變的增大而增加；而比較不同圍壓下可知，高圍壓下的軸向損傷要比低圍壓下的軸向損傷大，2 MPa下試樣達到峰值破壞時軸向損傷為0.34，4 MPa下損傷為0.51，6 MPa下損傷為0.54；說明圍壓越大，試樣峰值破壞時損傷越大．

2.3圍壓對滲透率的影響

為了便于研究不同圍壓條件下試樣的滲透特性，試樣視為連續介質．試樣滲透壓力為1 MPa，試驗過程中實時采集每一時刻通過試樣的滲流量．根據達西定律可以推導出滲透率計算公式為

式中，k為試樣的滲透率(m2)；V為時刻滲流流體流入體積(m3)；μ為水的動力粘滯系數，μ=1×10-3Pa·s(T=20℃)；L為試樣的高度(m)；Δt為時間(s)；A為試樣的橫截面面積(m2)；ΔP為試樣兩端滲透壓差(Pa)．

試驗得出的不同圍壓下應變-滲透率曲線如圖5所示．

圖5　滲透率和偏應力與軸向應變的關系

可以看出，在1 MPa滲透水壓作用下，隨著圍壓的增加，滲透率明顯降低．這是由于圍壓越大，試樣內部的裂隙壓密程度越大，而裂隙主要提供流動通道，所以圍壓越大，滲透率越低．

3個圍壓下試樣隨著偏應力的加載，滲透率先減少后增大；這是因為未充分壓密的微裂隙在偏應力作用下進一步壓密閉合，試樣滲透率降低．而隨著偏應力的繼續增加，試樣內部開始損傷，裂紋萌生擴展成為裂隙，試樣內部出現大量的連通裂隙，試樣滲透率增加．

裂隙是滲流的通道，裂隙是試樣內部損傷的結果，隨著荷載的增加，試樣不斷發生損傷．對于滲流過程來講，損傷的結果使得試樣的滲透性增加．在二者之間建立適當的關系，對于研究滲流應力耦合有重要

意義．

當前，滲流應力耦合研究主要集中在建立滲透系數與應力-應變之間的關系方程[10]．謝興華等[9]人基于損傷理論，推導了類巖石材料損傷與滲透率之間的關系方程，可以用來描述材料損傷過程中的滲透率變化．類巖石材料損失過程中的滲透率演化方程為

Ki=K0(Di=0)

(7)

Ki=K0(10Dj+10Dk)(0

(8)

式中，K0為初始滲透率，Di，Dj為軸向和側向損傷．

根據上文已經推導出的試樣損傷量，利用式(7)和式(8)進行理論滲透率計算，得到了試樣的計算滲透率曲線．從圖6中可以看出，通過公式計算的到的滲透率曲線和實際試驗曲線具有一定的吻合度，說明滲透率和損傷符合上述關系．

圖6　三軸壓縮試驗損傷過程曲線

3結論

本文進行了圍壓2、4、6 MPa，滲壓1 MPa下的水泥砂漿三軸壓縮試驗，以試驗結果為基礎，對試樣的強度特征、損傷、滲透特性進行了研究，得到以下主要結論：

1)通過繪制出試樣在三軸壓縮過程中的應力一應變曲線，得出了彈性模量、峰值強度、黏聚力和內摩擦角等力學參數；隨著圍壓的增加，試樣破壞時的強度和應變均增大．

2)當偏應力達到臨界值后，試樣損傷隨著應變的增大而增加；而隨圍壓的增大，高圍壓下的軸向損傷要比低圍壓下的軸向損傷大．

3)試樣的滲透率與損傷呈指數關系，滲透率隨損傷的增大而增加．

參考文獻：

[1]常留紅，陳建康．單軸壓縮下水泥砂漿本構關系的試驗研究[J]．水利學報，2007(2)：217-220．

[2]李英華．脆性材料水泥砂漿多軸應力下的動態響應分析[J]．振動與沖擊，2011(10)：216-220．

[3]鄭文翔，趙延林，王敏．單軸壓縮條件下預制裂隙類巖石材料實驗研究[J]．湖南科技大學學報：自然科學版，2013(4)：1-6．

[4]蒲成志．單軸壓縮下多裂隙類巖石材料強度試驗與數值分析[J]．巖土力學，2010(11)：3661-3666．

[5]薛云亮．類巖石材料聲發射參數與應力和應變耦合本構關系[J]．北京科技大學學報，2011(6)：664-670．

[6]速寶玉，謝興華，王國慶．水泥砂漿水力劈裂試驗研究[J]．巖石力學與工程學報，2006(S1)：2952-2957．

[7]薛志剛，胡時勝．水泥砂漿在圍壓下的動態力學性能[J]．工程力學，2008(12)：184-188，201．

[8]謝紅強，何江達，徐進．巖石加卸載變形特性及力學參數試驗研究[J]．巖土工程學報，2003(3)：336-338．

[9]謝興華，鄭穎人，張茂峰．巖石變形與滲透性變化關系研究[J]．巖石力學與工程學報，2009(S1)：2657-2661．

[10] 朱澤奇，盛謙，張占榮．脆性巖石側向變形特征及損傷機理研究[J]．巖土力學，2008(8)：2137-2143．

[責任編輯周文凱]

Expermental Study of Mechanical Characteristics of Cement

Mortar under Different Confining Pressures

Ran ShaopengWang SushengXiang Zhipeng

(Geotechnical Research Institute, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractIn order to study the mechanical characteristics of cement mortar, the triaxial compression tests under different confining pressures were conducted. Experimental results show that the peak strength of specimen increases as the confining pressure increase. When deviatoric stress exceeds the critical value, the damage of specimen increases as the deviatoric stress increase. The relationship between damage and permeability can be well described with an exponential function; and the permeability of specimen increases along with the damage increase.

Keywordscement mortar;triaxial compression tests;damage;permeability;strength characteristics

基金項目：國家自然科學基金(51208176)；中國博士后科學基金(2012M511187、2013T60493)

收稿日期：2015-04-09

中圖分類號：TU502+.6

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0020-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.004

通信作者：冉少鵬(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向為巖石力學與工程．E-mail：408603872@qq.com