塑性混凝土三軸受壓本構關系影響因素分析

胡良明 賈欣 張長輝 高丹盈

摘要：基于15種配合比制作21組塑性混凝土立方體試件，進行定側壓三軸試驗，實測三軸受壓荷載作用下試件的應力應變曲線，分析不同因素對塑性混凝土三軸受壓應力應變關系的影響。結果表明：當應力水平較低時，水膠比、砂率、黏土用量及膨潤土用量對塑性混凝土的應力應變關系影響不大，塑性混凝土的應變隨著圍壓的增大而增大；當應力水平較高時，在應力相同的情況下，水膠比、黏土用量、膨潤土用量的增大導致塑性混凝土應變逐漸增大，砂率的增大導致塑性混凝土應變逐漸減小；當應變相同時，塑性混凝土應力水平隨著砂率、水泥用量、圍壓的增大而升高，隨著水膠比、黏土用量及膨潤土用量的增大而降低。

關鍵詞：三軸試驗；應力應變關系；配合比；塑性混凝土

中圖分類號：TV431.9：TUs28

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.031

塑性混凝土是用黏土或膨潤土取代普通混凝土中部分水泥而形成的一種介于普通混凝土與黏土之間的柔性工程復合材料，有時為了改善塑性混凝土的性能、節約水泥、降低工程投資，還會摻人粉煤灰和外加劑等。塑性混凝土具有流動性好、強度低、彈性模量小、變形大和抗滲性能可控等優點，近年來已被廣泛應用于水利工程、高層建筑基礎防滲工程、垃圾填埋工程和污水處理工程中。20世紀70年代以來，國外學者對塑性混凝土進行了大量的試驗研究。Uzomakao J研究了水膠比對塑性混凝土強度、峰值應力與峰值應變關系的影響：Khristova Y等利用超聲波技術對塑性混凝土的動態特征變化進行了研究：Evans J C等的試驗研究表明，塑性混凝土與其他防滲墻材料相比具有適宜的強度和較低的滲透系數，抵御有機物侵蝕的能力較強，有良好的抗滲性能和優異的耐久性能，適合工程應用：Ahmad Mahboubi等進行了塑性混凝土三軸試驗：Hinchbergers S等對塑性混凝土的基本力學性能以及裂縫的形成原因、裂縫深度計算、防止裂縫擴展等進行了試驗研究和理論分析。我國對塑性混凝土的試驗研究工作起步雖然比國外晚一二十年，但進展非常迅速。清華大學于玉貞對塑性混凝土的特性尤其是圍壓對塑性混凝土力學性能的影響以及在高壩中的應用進行了理論分析：鄭州大學李清富等對塑性混凝土進行了配合比和基本力學性能方面的試驗研究：清華大學鄧明基結合東平湖防滲工程進行了黏土塑性混凝土和膨潤土塑性混凝土單軸壓縮力學性能的研究：南昌大學王宣子對塑性混凝土的基本力學性能、工作性能及耐久性進行了試驗研究：武漢理工大學胡瑜明進行了塑性混凝土的高性能優化研究。

在工程應用中，混凝土的應力狀態很少出現單軸受壓或受拉的情況，一般處于三維受壓狀態，且三個方向主應力值不等（σ1≠σ1≠σ3），因此，需要通過三軸試驗才能較好地反映其受力性能和破壞特征。由于塑性混凝土原材料的性質和組成差別很大，其力學性能復雜、多變而且具有很大的離散性，其多軸強度和變形又隨三軸應力狀態的不同而有很大差異，因此需要從混凝土原材料的性質、組成和制備工藝等原始條件研究其三軸力學性能。目前，較現實和合理的方法是通過試驗直接測定，然而國內外針對塑性混凝土進行的真三軸試驗還很少，因此有必要分析水膠比、砂率、水泥用量、黏土用量、膨潤土用量在不同圍壓情況下對塑性混凝土三軸受壓應力應變關系的影響，為塑性混凝土的理論分析及工程應用提供試驗依據。

1 試驗原材料

試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥、河南信陽平橋生產的鈣基膨潤土、鄭州鄭東新區龍子湖成湖區的粉質黏土，并將粉質黏土取回晾干后以350目的粒度標準磨細至粉狀。以上材料各項指標均符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規定。試驗所用粗骨料為粒徑5～20mm的碎石：細骨料為天然河砂，細度模數為2.7，屬中砂，級配曲線位于Ⅱ區。粗細骨料均滿足《建設用砂》（GB/T14684-2011）和《水工混凝土施工規范》（DL/T5144-2015）的要求。

2 塑性混凝土配合比設計方案

塑性混凝土試驗參數包括砂率、水膠比、水泥用量、黏土用量、膨潤土用量等，本次試驗的配合比設計采取質量法，即以1m3混凝土中各組成材料的質量表示，如水泥336kg、砂654kg、石子1215kg和水195kg，單方材料質量假定為2050kg。為達到最優設計，在確定最終配合比的過程中，邊澆筑邊調整，以避免出現拌和物太離析的情況。試驗的最終配合比及參數變化情況見表1。

本次試驗混凝土配合比設計主要確定水膠比、砂率、單位用水量3個參數。這三個參數與塑性混凝土的各項性能之間有著密切的關系。水膠比是水與膠凝材料之比，膠凝材料是指水泥、黏土和膨潤土；砂率是砂與砂石總量之比：水泥漿與骨料之間的比例關系常用單位用水量來反映。具體配合比設計方案見表2。

3 試驗方法

根據表2中的15種配合比，共制作了21組150mmx150mmx150mm立方體塑性混凝土試件。其中：15組用于測試配合比參數對三軸受壓的影響，每組3個同一參數發生變化的試件：另外6組用于測試不同圍壓比對三軸受壓的影響，每組3個特定配合比（WB075、WB087、S04、S06、CL220、Bl00）的試件。試件澆筑成型后在標準養護條件下進行養護，養護齡期為540d。此時，塑性混凝土的強度發展趨于穩定，可以忽略試驗過程中齡期對強度的影響。

采用LY-C拉壓真三軸儀進行塑性混凝土的三軸受壓試驗。其單軸最大壓力為450kN、單軸最大拉力為75kN，荷載誤差小于5%。設備壓力室由下方固定柱頭、左右前后和上方5個活動柱頭合圍而成，通過氣壓控制設定和調整各軸荷載目標值，通過油壓控制施加荷載，3個方向上的荷載獨立控制、垂直正交。試樣側面對稱布置位移計，計算機自動采集位移數據。

試驗為定側壓的三軸受壓試驗，在進行三軸抗壓破壞試驗時，同時施加σ1、σ2、σ3，使σ1、σ2，至預定圍壓值保持不變，繼續施加σ3直至試件破壞，σ3方向的應力峰值即為三軸抗壓強度。單軸抗壓強度測試參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行。取3個試件測值的算術平均值作為該組試件的抗壓強度（精確至0.1MPa）；3個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，則把最大及最小值一并舍去，取中間值作為該組試件的抗壓強度：如最大值和最小值與中間值之差均超過中間值的15%時，則該組試件的試驗結果無效。

試驗條件以塑性混凝土心墻壩為例進行模擬，結合工程經驗，設定三種圍壓情況：①σ1=0.2MPa、σ2=0.4MPa；②σ1=0.4MPa、σ2=0.6MPa；③σ1=0.4MPa、σ2=0.8MPa。

4 試驗結果及分析

4.1 水膠比的影響

水膠比變化時，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應力應變關系曲線見圖1。由圖l可見：應力相同時，塑性混凝土水膠比較大時，其應變也較大：應變相同時，塑性混凝土水膠比較大時，其應力水平較低：當應力水平較低時，應變增長較為迅速，表現出較大的初始變形，但水膠比對塑性混凝土應力應變關系的影響不明顯：隨著水膠比的減小，應力應變曲線的初始斜率逐漸增大，破壞應力逐漸提高。

4.2 砂率的影響

砂率變化時，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應力應變關系曲線見圖2。由圖2可見，除圍壓①情況下S05試件外，總體上呈現如下規律：應力相同時，塑性混凝土砂率較大時，其應變較小：應變相同時，塑性混凝土砂率較大時，其應力水平較高：當應力水平較低時，砂率對塑性混凝土應力應變關系的影響不明顯。

4.3 水泥用量的影響

水泥用量變化時，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應力應變關系曲線見圖3。由圖3可見：塑性混凝土的彈性模量隨水泥用量的增加而減小：應力水平較高時，應變相同情況下，水泥用量較大時，塑性混凝土應力水平較高。

4.4 黏土用量的影響

黏土用量變化時，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應力應變關系曲線見圖4。由圖4可見：塑性混凝土的黏土用量為180、220kg/m3時，其應力應變關系幾乎一致：應變相同情況下，黏土用量為260kg/m3時的應力水平較黏土用量為180、220kg/m3時的低；應力水平相同情況下，黏土用量為260kg/m3時的應變較黏土用量為180、220kg/m3時的顯著增大；當應力水平較低時，黏土用量對塑性混凝土應力應變關系的影響較小。

4.5 膨潤土用量的影響

膨潤土用量變化時，塑性混凝土在不同圍壓情況下的三軸受壓應力應變關系曲線見圖5。由圖5可見：當應力水平較低時，膨潤土用量對塑性混凝土的應力應變關系影響不大：當應力水平較高時，除圍壓③情況下B40試件外，總體上呈現應變隨膨潤土用量的增大而增大。

4.6 圍壓的影響

在配比相同情況下，不同圍壓塑性混凝土三軸受壓應力應變關系曲線見圖6。由圖6可見：圍壓②和圍壓③情況下的塑性混凝土應力應變關系幾乎一致：與低圍壓（圍壓①）相比，高圍壓下的應力應變曲線的上升段斜率更大，峰值壓力有所提高：應變相同情況下，圍壓①情況下塑性混凝土承受的應力水平比圍壓②和圍壓③情況下的應力水平低：應力水平相同情況下，圍壓①情況下塑性混凝土產生的應變比圍壓②和圍壓③情況下的應變要大。

5 結論

（1）當應力水平較低時，水膠比、砂率、黏土用量以及膨潤土用量對塑性混凝土的應力應變關系影響不大：隨著水泥用量的增加，塑性混凝土的彈性模量減小。

（2）在應力水平較高時，應力相同的情況下，水膠比、黏土用量、膨潤土用量的增大導致塑性混凝土應變逐漸增大，砂率的增大導致塑性混凝土應變逐漸減小。

（3）當應變相同時，塑性混凝土砂率、水泥用量越大其應力水平越高，水膠比、黏土用量、膨潤土用量越大其應力水平越低。

（4）圍壓②和圍壓③情況下的塑性混凝土應力應變關系幾乎一致，與圍壓①相比，高圍壓下的應力應變曲線的上升段斜率更大，峰值壓力有所提高：應變相同時，塑性混凝土承受的應力水平隨圍壓的減小而降低：應力水平相同時，塑性混凝土產生的應變隨圍壓的減小而增大。