塑性混凝土單軸受壓性能尺寸效應(yīng)的試驗研究

高玉琴，郭博文，宋 力，劉 忠

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

塑性混凝土是一種以膨潤土或黏土替代部分水泥的新型柔性材料，具有低彈性模量、變形性能強、抗?jié)B性高的特點［1］，廣泛應(yīng)用于大壩除險加固工程、大壩圍堰工程及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程［2］。近年來，國內(nèi)外水文地質(zhì)學、材料學、環(huán)境化學、巖土力學等諸多方面的學者，開展了其工程應(yīng)用、配合比、力學特性及本構(gòu)關(guān)系等方面的研究，王清友［3］較早開展了工程應(yīng)用中采用塑性混凝土防滲墻的配合比設(shè)計，高丹盈等［4］、Su等［5］、Bagheri等［6］開展了配合比及不同類型組分對塑性混凝土力學性能的影響。高丹盈等［7］、王四巍等［8］提出了彈性模量計算公式中p1、p2與破壞荷載的關(guān)系及彈性模量與峰值應(yīng)力的試驗統(tǒng)計關(guān)系式，并分別建立塑性混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系［9］。宋力等［10］提出了塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段和下降段的數(shù)學物理模型。常芳芳等［11］分析圍壓對塑性混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，并提出了上升段曲線的本構(gòu)模型。宋帥奇等［12］通過比較100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm塑性混凝土試樣峰值應(yīng)力試驗結(jié)果，初步得出塑性混凝土強度存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。蘇捷等［13－14］對普通混凝土的尺寸效應(yīng)進行了試驗研究：通過對普通混凝土54個不同強度等級棱柱體的單軸受壓性能進行試驗研究，得到其在彈性變形階段尺寸效應(yīng)不明顯，但進入彈塑性階段后其應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)較明顯的尺寸效應(yīng)；并通過27組邊長為100、150、200 mm的普通混凝土和高強混凝土立方體試樣的抗壓試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土的峰值應(yīng)力越高其尺寸效應(yīng)越明顯，由此建立了立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)律的計算公式。王亞云等［15］則通過比較不同礦渣摻量和強度等級的200 mm×200 mm×200 mm、250 mm×250 mm×250 mm、300 mm×300 mm×300 mm三級配混凝土試樣峰值應(yīng)力試驗，初步得出三級配混凝土強度存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，且強度等級的影響顯著于礦渣摻量。

塑性混凝土力學性能與其尺寸、形狀等密切相關(guān)，且與普通混凝土的尺寸效應(yīng)［16］相似，受壓時其峰值應(yīng)力及應(yīng)變等特性指標尺寸效應(yīng)明顯；同時，其單軸無側(cè)限抗壓強度試驗試樣最終破壞時，未出現(xiàn)粗骨料破碎現(xiàn)象，有別于普通混凝土。因此，本文通過室內(nèi)試驗，考慮不同配合比和高徑比因素，設(shè)置不同底面尺寸的棱柱體和圓柱體，重點研究不同試驗條件下峰值應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，開展塑性混凝土峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試樣模型及原材料

塑性混凝土試樣形狀為棱柱體和圓柱體，棱柱體試樣底面邊長分別為100、150、200、250、300 mm，高徑比分別為1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1，圓柱體試樣底面直徑與相同高徑比的棱柱體底面邊長相等。每一尺寸試樣包含3個配合比，即3個不同強度。

試驗用水泥為中國建筑材料科學研究總院生產(chǎn)的強度等級為42.5的袋裝基準水泥；膨潤土采用鈉基膨潤土，其目數(shù)為200～400目；粗骨料采用5～20 mm粒徑的連續(xù)級配碎石；減水劑采用河南省建筑科學研究院生產(chǎn)的聚羧酸型減水劑，摻量為1%；砂采用河砂（RS），具體參數(shù)見表1。

表1 河砂的性能參數(shù)及顆粒級配

1.2 試樣制備及養(yǎng)護

根據(jù)試驗?zāi)康闹饕M行兩種條件下的單軸無側(cè)限抗壓強度試驗，具體為：相同高徑比不同配合比和試樣底面尺寸、相同配合比不同高徑比和試樣底面尺寸，每種條件下制作3個平行試樣，取其算術(shù)平均值作為試驗實測值，共計制備了150個試樣。

根據(jù)試配確定3個配合比分批制作塑性混凝土試樣，試樣制備采用自落式攪拌機攪拌，投料順序為砂、石、水泥、膨潤土、水、減水劑。在砂、石、水泥、膨潤土投料完成后干攪30 s，然后注入本批試樣所需水量的1／2后攪拌60 s，之后注入拌和均勻的剩余水和減水劑，再濕拌90 s，保證攪拌時無團狀體的情況出現(xiàn)。澆筑之前測量塑性混凝土拌和物坍落度和表觀密度，滿足預(yù)設(shè)指標后在自行研制的試樣成型模具中進行澆筑成型，采用振搗棒振搗，運至標準養(yǎng)護室靜置48 h后拆模，拆模后養(yǎng)護28 d齡期后開始試驗，養(yǎng)護條件為溫度（20±2）℃、濕度大于95%。

1.3 試驗儀器和試驗方法

單軸無側(cè)限峰值應(yīng)力試驗采用改裝后的電液伺服粗粒土動靜三軸試驗機，加裝上下加壓面和傳力底座，其具有自動控制、自動采集和輔助數(shù)據(jù)處理能力，主要技術(shù)指標為：軸向靜荷載0～500 kN（精度0.1 kN），軸向位移行程300 mm（精度0.01 mm），軸向變形控制速率0.01～5 mm／min（測量誤差優(yōu)于±0.5%）；光柵位移傳感器設(shè)置在壓板的上端，測量精度0.001 mm，采用全標距法采集應(yīng)力應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)。

塑性混凝土的受壓性能試驗參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB／T 50081—2019）和《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—2019）：試樣養(yǎng)護至28 d齡期后，采用自制裝置將試樣運送至傳力底座，測量試樣底面邊長（或直徑）、高度，選擇靜力加載模式，設(shè)定加載速率0.07%／min，輸入試樣周長和體積等參數(shù)后開始試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

相同高徑比不同配合比、相同配合比不同高徑比條件下，塑性混凝土棱柱體和圓柱體隨底面尺寸增大的峰值應(yīng)力及應(yīng)變實測值見表2。

表2 不同試驗條件下塑性混凝土峰值應(yīng)力及應(yīng)變實測值

續(xù)表2

由表2可知，受配合比和高徑比影響，塑性混凝土峰值應(yīng)力及應(yīng)變大小不同，整體來看隨底面邊長或直徑增大而減小，且試樣底面邊長≥200 mm后其峰值應(yīng)力及應(yīng)變減小的趨勢逐步放緩，且峰值應(yīng)力變異系數(shù)均小于8%，表明試驗結(jié)果的離散性較小。

2.2 相同高徑比不同配合比條件下峰值應(yīng)力及應(yīng)變

引入尺寸效應(yīng)系數(shù)γ對塑性混凝土試樣峰值應(yīng)力的尺寸效應(yīng)進行定量描述。以底面邊長或直徑為100 mm的試樣為基準尺寸試樣，定義非基準尺寸試樣（底面邊長或直徑為150、200、250、300 mm）峰值應(yīng)力與基準尺寸試樣（底面邊長或直徑為100 mm）峰值應(yīng)力間的差值占基準尺寸試樣峰值應(yīng)力的百分率為尺寸效應(yīng)系數(shù)，如γ150＝（f100－f150）／f100×100%，其他類推，峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)計算過程同峰值應(yīng)力。

相同高徑比、不同配合比和試樣底面尺寸情況下，塑性混凝土棱柱體和圓柱體試樣峰值應(yīng)力及應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)見表3、圖1、圖2。

表3 試樣峰值應(yīng)力及應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)

圖1 相同高徑比棱柱體試樣峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)

圖2 相同高徑比圓柱體試樣峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)

2.2.1 峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)

由表3、圖1及圖2可知，相同高徑比情況下，隨塑性混凝土配合比（強度）變化及底面尺寸增大，峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)具有以下規(guī)律：①隨塑性混凝土配合比變化（強度增大）無明顯變化規(guī)律，這不同于普通混凝土立方體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)［14］：隨混凝土強度等級的提高，混凝土立方體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)現(xiàn)象越顯著；②相同配合比（強度）情況下，圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)大于棱柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)，即圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)顯著；③圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)受配合比（強度）變化影響較小，3種配合比下峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)落在相對狹窄的帶寬內(nèi)。

塑性混凝土和普通混凝土相比，峰值應(yīng)力相對較低，塑性混凝土的密實度和勻質(zhì)度較普通混凝土差，內(nèi)部初始微裂紋的數(shù)量相對較多，在初始荷載作用下塑性混凝土裂紋發(fā)展速度較慢，且塑性混凝土破壞時發(fā)生損傷的斷裂破損區(qū)域相對較大，但因其峰值應(yīng)力相對較小，故破壞時所需能量相對較均勻；另外，塑性混凝土破壞大多為延性破壞，從而導(dǎo)致塑性混凝土峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)隨其強度增大變化不明顯。

塑性混凝土圓柱體和棱柱體相比：首先，成型方式不同，圓柱體澆筑時成型模具豎向放置，同高度方向塑性混凝土分配均勻度趨向一致，裂縫形成的薄弱面亦隨機分布；其次，在軸向受壓過程中，其受壓端受力相對較均勻，而棱柱體受壓端由于4個面的4條棱分割，消除了部分能量，加上受壓端的環(huán)箍效應(yīng)，致使圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)不同于棱柱體。

2.2.2 峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)

由表3可知，相同高徑比情況下，除個別點具有一定的離散性外，隨塑性混凝土配合比即強度變化及底面尺寸增大，峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)具有以下規(guī)律：①峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)隨塑性混凝土強度增大無明顯變化規(guī)律，強度最小者其峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)高于強度較大者；②圓柱體峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)受其配合比影響較小，3種配合比下峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)值落在相對狹窄的帶寬內(nèi)。

2.3 相同配合比不同高徑比條件下峰值應(yīng)力及應(yīng)變

相同配合比、改變高徑比和試樣底面尺寸情況下，塑性混凝土棱柱體和圓柱體試樣峰值應(yīng)力及應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)見表4、圖3、圖4。

表4 試樣峰值應(yīng)力及應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)

圖3 配合比2棱柱體試樣峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)

圖4 配合比2圓柱體試樣峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)

2.3.1 峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)

由表4、圖3及圖4可知，相同配合比（強度）條件下，隨塑性混凝土高徑比及底面尺寸增大，峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)具有以下規(guī)律：①峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)隨高徑比增大而增大，即高徑比越大其峰值應(yīng)力衰減越大，尺寸效應(yīng)顯著；②相同高徑比條件下，圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)大于棱柱體，即圓柱體峰值應(yīng)力降幅較大，尺寸效應(yīng)顯著。其主要是因為隨高徑比（長細比）增大，塑性混凝土極限承載能力明顯降低，即峰值應(yīng)力減小，加上破壞時發(fā)生損傷的斷裂破損區(qū)域相對較大，因此破壞時所需能量相對較大，高徑比越大其峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)越明顯。

2.3.2 峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)

由表4可知，相同配合比條件下，除個別點具有一定離散性外，隨塑性混凝土高徑比及底面尺寸增大，峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)具有以下規(guī)律：①棱柱體峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)隨高徑比增大無明顯變化規(guī)律，高徑比為2.5∶1時尺寸效應(yīng)系數(shù)最大，高徑比為1.5∶1、2.0∶1時尺寸效應(yīng)系數(shù)接近；②圓柱體峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)受高徑比變化影響較小，3種高徑比下峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)落在相對狹窄的帶寬內(nèi)。

3 結(jié) 論

（1）相同高徑比不同配合比（強度）條件下，塑性混凝土峰值應(yīng)力應(yīng)變均具有較明顯的尺寸效應(yīng)，但隨配合比（強度）增大峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)無明顯變化規(guī)律，這不同于普通混凝土立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)，且相同條件下圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)較棱柱體顯著，同時圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)受配合比（強度）變化影響較小。

（2）相同配合比即強度條件下，塑性混凝土峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)隨高徑比增大而大幅衰減，尺寸效應(yīng)顯著，且相同高徑比時圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)系數(shù)大于棱柱體，即圓柱體峰值應(yīng)力尺寸效應(yīng)較顯著。

（3）相同高徑比不同配合比（強度）情況下，峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)隨塑性混凝土強度增大無明顯變化規(guī)律，強度最小者其峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)大于強度較大者，且圓柱體峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)受其配合比影響較小。

（4）相同配合比（強度）條件下，棱柱體峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)隨高徑比增大無明顯變化規(guī)律，圓柱體峰值應(yīng)變尺寸效應(yīng)系數(shù)受高徑比變化影響較小。