深部巖體地質力學模型試驗相似材料脆性的調整和表征

戴銀所，王明洋，嚴澤臣，吳蘭冬，范鵬賢

（解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇南京210007）

深部巖體地質力學模型試驗相似材料脆性的調整和表征

戴銀所*，王明洋，嚴澤臣，吳蘭冬，范鵬賢

（解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇南京210007）

峰后脆性是深部巖體巖爆、分層斷裂等變形破壞的決定性因素之一，因此深部巖體地質力學模型試用相似材料必須要重點考慮峰后脆性。在分析無機材料脆性機理的基礎上，提出通過調整骨料粒徑和水泥礦物組成以及使用摻合料等技術手段來調整水泥基相似材料的脆性；以石英砂—水泥—硅灰—水體系相似材料的破壞變形特征參數為基礎，采用表觀彈性模量來描述相似材料變形階段的脆性，該參數具有數據處理簡單、物理意義直觀等優點。

深部巖體；相似材料；脆性；機理；調整；表觀彈性模量

1　概述

隨著開挖深度的增加，圍巖基本行為特性與淺部巖體相比均發生了根本變化。深部巖體在微觀水平上集聚和儲存了可觀的能量，這些能量在一定條件下可轉化成宏觀水平上的變形或破壞，導致巖爆、分區破裂、大變形等非線性力學行為。有些人認為深部巖體的破壞更多地表現為動態的突然破壞，即巖爆。此時巖石表現的實際就是它的峰后強度特性，峰值只是巖體的破壞點，并不會發生突然的失穩破壞，巖爆發生在峰后階段［1］。巖石的脆性破壞是巖爆發生的必不可少的先決條件之一。

地質力學模型試驗是研究深部巖體力學的重要手段，而相似材料的選擇是影響模型試驗科學性的基礎，對相似材料物理力學性能的研究及其與巖石變形破壞過程的相似性是地質力學模型試驗科學性的主要制約因素。相似材料一般是由骨料、膠結料、填料組成的復合材料，各組分的化學成分和物理構造不同，系統的性質既可以通過調節組分的性質和比重來影響，又受各組分之間的相互作用的影響。理想的模型試驗相似材料需要具備以下特點：能模擬巖石在變形破壞過程中的細、微觀結構變化和體積膨脹特征；能模擬巖石變形破壞的時效特性；能模擬在壓力環境下儲能并在卸載時或卸載后釋放等。

2　無機（水泥基）相似材料的脆性控制

2.1水泥類相似材料脆性產生機理

水泥基材料和深部巖石有相當多的共性，它們都是由體積較小的礦物顆粒組成，它們都是非均質的，都含有大量的缺陷和裂紋，而且多數是脆性破壞［2］。水泥基材料折壓比通常在1/10～1/20，而隨著強度的提高，其脆性會進一步突出；在超高強水泥混凝土抗壓試驗中，試件破壞常伴隨著突然的爆裂現象，這種特點正好可以模擬深部巖體的巖爆等脆性破壞現象。另外，水泥類相似材料具有原材料來源豐富、價格低廉、性能穩定、無污染等優點而被廣泛使用。

由于水泥混凝土屬于多相組織結構，其力學性能受到基相、分散相以及界面結合強度的綜合制約和影響。在水泥混凝土中微裂主要有3種：骨料與水泥石的黏接面上的裂縫，主要沿骨料周圍出現；水泥砂漿中的裂縫，出現在骨料與骨料之間；骨料本身的裂縫［3］。由于各級裂縫的不同尺寸，在同樣應力狀態下，骨料和砂漿的結合面必先發生裂紋擴展，其次是砂和水泥漿的結合面開裂，最后裂紋進入硬化水泥漿體。這一過程的發展決定了水泥混凝土材料的破壞必然是一個較長的結構變化過程。

2.2調整無機相似材料脆性的方法

2.2.1改變裂縫發展歷程

在外部加荷載以前，由于施工或養護等原因，混凝土內部就存在大量裂縫或空隙。雖然水泥混凝土的斷裂主要是水泥石開裂，但混凝土的脆性卻比水泥石低。這主要是因為混凝土中裂縫擴展時常需繞粗骨料而行，從而使其斷裂面增加；加之混凝土中有許多薄弱的界面過渡區，會形成許多界面裂縫，因此，混凝土斷裂時所需斷裂能比水泥石要多。斷裂能和特征長度顯著依賴于集料的最大尺寸，這2個參數值都隨集料尺寸的增大面增大，由此可見，粗骨料對于混凝土脆性有著顯著的影響。總的規律是隨著抗壓強度的增加，脆性系數就越大；因此，隨著齡期的增長，脆性系數也相應增大。在水泥混凝土中的裂縫通常沿粗集料周圍擴展使得斷裂路徑更曲折，使得脆性降低；因此，為了提高脆性，需要減少粗大骨料粒徑，達到降低裂紋的擴展路徑，減少斷裂表面和特征長度的目的；表現在高強混凝土的彈性模量和抗壓強度隨著粗骨料粒徑的增大而減小［4］。

2.2.2調整水泥水化產物晶態

水泥水化產物的結構形態包括凝膠體和結晶體；結晶體比凝膠體具有更大的脆性。Ca（OH）2晶體為六方板狀結構，層間為分子鍵，脆性大。在3CaO·SiO2和2CaO·SiO2水化產生凝膠體的同時，也生成Ca（OH）2晶體，3CaO·SiO2比2CaO·SiO2產生的Ca（OH）2多，因此水泥中的3CaO·SiO2含量大，水泥漿體脆性也越大；3CaO·Al2O3水化產物為立方鋁酸鈣晶體，在Ca（OH）2溶液中能夠進一步反應生成鈣礬石結晶體；在液相Ca（OH）2濃度很低時，形成的鈣礬石結晶速度慢，晶體能夠成長很大，此時如果石膏的濃度增加，晶體變得粗壯，粗大的晶體脆性大；4CaO·Al2O3·Fe2O3水化時不僅消耗一定量的Ca（OH）2，同時還生成凝膠。因此，為了提高水泥脆性，應盡量降低水泥中的2CaO·SiO2和4CaO· Al2O3·Fe2O3含量，而提高3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3含量［5］。同樣，隨著齡期的增長，脆性系數也相應增大［6］。

摻合料對水泥混凝土脆性的影響比較復雜［7］。在水泥基相似材料中摻加混合材后，由于摻合料的稀釋作用和二次水化作用，降低了水泥液相中的Ca（OH）2含量，此時Ca（OH）2和AFt的結晶緩慢，容易生長出粗大的顆粒；同時，摻合料水化凝膠體能夠填充更多的孔隙，因而能夠改善骨料表面的粘著裂縫，使得裂縫形成的繞行線路縮短，因而增加相似材料的脆性。

2.2.3養護條件的影響

在水泥基相似材料中水泥是膠凝材料，而水泥是水硬性膠凝材料，其水化時必須有水參與，如果制備的模型是在空氣中自然養護，其能夠參與水化的水僅為配制時的拌合水，理論上上這部分水是能夠保證水泥完全水化。硅酸鹽水泥的理論需水量為水膠比0.24，而實際配制時水膠比一般都不會小于0.3，因此在養護時只要保證拌合水不揮發，水泥水化就能夠達到設計的強度；但如果在水中養護，水泥水化速度快，強度形成就快。

3　無機材料脆性表征方法

3.1常用表示方法

關于混凝土脆性的評價一直是相關研究的重點，各研究團隊提出了不同的脆性評測體系，但這些方法并不統一，如以折壓比、脆性比、斷裂韌性指數、彎曲韌性指數、儲能系數、脆性系數等作為硬脆特性指標。對于不同的評測體系各有優缺點，由于采用了不同的試驗方法和不同的評測指標參數，因此實驗結果沒有可比性。

3.2表觀彈性模量表征相似材料的脆性

實際巖體特別是深部巖體，在應力—應變過程的峰前整個過程中，彈性階段僅占一部分，為了能夠綜合反映整個峰前階段的變化特點，不僅要求能夠反映彈性階段，也要求能夠反映非彈性階段，因此，作者采用表觀彈性模量來表征峰前整個階段的變形性能。

定義相鄰兩測點間連線的斜率為表觀彈性模量，即從開始彈性變形的應力與最大應力之差Δσ與從彈性變形開始到極限壓力時試樣的變形量Δε之比：

E′=Δσ/Δε

式中：Δσ——該段的應力差值；

Δε——應變差值。

峰前階段表觀彈性模量可以直接使用試驗機測試應力應變曲線上分析結果，即最大值位移、最大值力值減去彈性起始點的位移、力值；而峰后下降階段取拐點的位移、力值減去最大值位移、最大值力值。

表觀彈性模量越大脆性越大。這種表述方法直觀，易于計算，通過軟件設置也可以直接在測試系統中顯示出來，而且基本能夠綜合反映彈性階段和非彈性階段綜合變化特點。從其應力—應變關系圖線可直觀地反映出其脆性大小，應力—應變曲線下降段越陡表示混凝土的脆性特征越顯著。在此基礎上，可以繼續探索采用峰前、峰后表觀彈性模量的“和”或者“比值”來綜合反映脆性性能。

下面以石英砂—水泥—硅灰—水體系配制相似材料的測試結果進行探討。

相似材料的配合比如表1所示。試樣尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，在空氣中干燥養護24d，在SANS公司生產的型號為PowerTest V3.0C的MTS試驗機上進行單軸抗壓強度測試，并用MTS試驗機自帶軟件進行數據分析。測試結果如表2所示。

從表2可以看到：根據彈性模量定義可以計算出該材料的彈性模量（以峰前階段的彈性階段的應力除以應變計算而得），而這一彈性段曲線在峰前整個階段僅占1/2～1/4，而大部分非彈性階段變形情況就必須要采用其他的原理進行描述和計算，這樣非彈性階段分析數據就有可能與彈性模量的物理意義存在差異距，導致整個峰前變形階段的描述就不盡科學。而采用表觀彈性模量進行描述，在曲線比較光滑的情況下，不僅物理意義非常明確，而且數值上與彈性模量差距有限，該差距也正好反映峰前彈性階段與非彈性階段的比例。一般峰前表觀彈性模量都小于彈性模量，在表2中前者為后者的70%～95%，該值越大表明峰前階段非彈性變形階段越少，材料脆性就越大。峰后表觀彈性模量又小于峰前表觀彈性模量。

表1　石英砂—水泥—硅灰—水配合比

表2　石英砂—水泥—硅灰—水體系相似材料的破壞變形特征參數（養護10d）

采用表觀彈性模量對破壞階段的脆性進行描述的方法具有物理意義直觀、計算簡單的優點；雖然該評價方法相對于已有的評價方法過于簡單，但在相似材料的研制過程中該參數卻非常適應，只用于比較峰型的特點，從而能夠大幅度減少理論計算的工作量，加快相似材料的研制效率。

4　結論

（1）峰后脆性是深部巖體巖爆、分層斷裂等變行破壞的決定性因素之一，因此深部巖體地質力學模型試驗用相似材料必須要重點考慮這種脆性；在配制深部巖體地質力學模型試驗相似材料時，在必須滿足表觀密度、強度、彈性模量等相似條件的基礎上，建議必須滿足峰后脆性的相似條件；

（2）通過改變骨料粒徑、水泥礦物組成以及使用摻合料，采用不同的養護方法等技術手段，都可以對水泥基相似材料的脆性進行調整；

（3）采用表觀彈性模量來描述相似材料變形階段的脆性，能夠綜合反映彈性階段和非彈性階段的變形破壞情況，具有數據處理簡單、物理意義直觀等優點。

［1］李長洪，蔡美峰，喬蘭，等.巖石全應力—應變曲線及其與巖爆的關系［J］.北京科技大學學報，1999，21（6）：513-515.

［2］趙斌，王芝銀，伍錦鵬.礦物成分和細觀結構與巖石材料力學性質的關系［J］.煤田地質與勘探，2013，41（3）：59-64.

［3］姜從盛，輕質高強混凝土脆性機理與改性研究［D］.武漢理工大學，2010.

［4］林辰，金賢玉，李宗津.粗骨料粒徑和硅灰對混凝土斷裂性能影響的試驗研究［J］.混凝土，2004（10）：32-34.

［5］曾力，劉數華，吳定燕.水泥礦物成分和摻合料對砂漿脆性的影響［J］.水力發電學報，2003（2）：74-79.

［6］林辰，金賢玉，李宗津.影響混凝土斷裂性能若干因素的試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2004（5）：7-9.

［7］肖忠明，郭俊萍，宋立春，等.混合材對水泥漿體脆性的影響及其機理的研究［J］.水泥，2011（8）：15-17.

Brittleness Adjustment and Its Characterization of Equivalent Material of Geo-Mechanical Model Test for Deep Rock Mass

DAI Yin-suo，WANG Ming-yang，YAN Ze-chen，WU Lan-dong，FAN Peng-xian
（State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact，PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007，China）

On the basis requirement of equivalent material of geomechanical model test for deep rock，the process of deformation and failure characteristics especially the post-peak brittleness should be studied；Based on analyzing the breakage mechanism of inorganic materials，technology method are put forward to improve the brittleness of inorganic equivalent materials such as adjusting the aggregate size and chemical composition of cement，using the different admixture.The apparent modulus is adopted to character the brittleness which has the virtues of easy numeration and intuition.

deep rock mass；equivalent material；brittleness；mechanism；adjustment；apparent modulus

P554

A

1004-5716（2016）10-0001-04

2015-10-31

2015-11-06

中國博士后科學基金資助項目（2014M562586）；理工大學國防工程學院鑄城基金資助項目（FYZCJJ201508）。

戴銀所（1971-），男（漢族），安徽無為人，講師，現從事新型建筑功能材料的教學、科研等工作。