膠凝堆石料強度和彈性模量隨齡期變化規(guī)律研究

， ，，

(1.黃河水利科學研究院，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，鄭州 450003；3.黃河水利委員會 建設與管理局，鄭州 450003)

1 研究背景

膠凝堆石料是以各地普遍存在的砂礫石、礦山棄渣、開采石料等為主要原料，添加少量膠凝材料(用量低于碾壓混凝土)形成的一種改性堆石料。這種材料取材方便、價格低廉、對環(huán)境的負面影響小，利用這種材料建成的新壩型——膠凝堆石壩，具有較強的抵御洪水漫頂沖刷和適應較軟壩基的能力，近幾年來受到國內(nèi)外壩工界的青睞，也取得了很多的研究成果[1-8]。

然而，這種新壩型自20世紀90年代才被人們認識，并逐漸開始應用，與已廣泛應用的碾壓混凝土壩和面板堆石壩相比，其理論及設計技術(shù)尚不成熟。其中膠凝堆石料力學性能研究是膠凝面板堆石壩設計技術(shù)發(fā)展的基礎和關鍵。但由于膠凝堆石料主要采用河床砂礫石作為原材料，材料級配變化大，齡期、摻加膠凝材料的配合比及其用量等都對其強度影響較大，這些都使得膠凝堆石料的質(zhì)量尤其是強度很難控制。本研究在單軸抗壓試驗基礎上，探討膠凝堆石料抗壓強度和彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律，可為膠凝堆石料的工程(膠凝堆石壩)應用及技術(shù)設計提供參考依據(jù)。

2 原材料

2.1 水 泥

試驗所用水泥采用由天瑞集團鄭州水泥物理力學性能有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。其技術(shù)性質(zhì)見表1所示。

表1 水泥物理力學性能

2.2 粉煤灰和水

試驗所用粉煤灰由鄭州金龍源粉煤灰有限公司生產(chǎn)，主要性能指標見表2所示。拌和與養(yǎng)護用水均為鄭州市飲用自來水。

表2 粉煤灰性能指標

2.3 骨料級配

試驗所用骨料取自國家重點水利工程—河口村水庫圍堰用料。試驗需制150 mm×150 mm×150 mm(尺寸1)及100 mm×100 mm×300 mm(尺寸2)2種試樣，試驗限制最大粒徑不超過20 mm，超粒徑采用等量替代法替換[9]。顆粒組成見表3和表4所示，顆分曲線見圖1所示。

表3 原始顆粒級配

表4 替換后的顆粒級配

圖1 試驗原始顆分曲線及替代后的顆分曲線

3 試驗過程

3.1 試驗方案

膠凝堆石料強度和彈性模量主要通過單軸抗壓試驗得到。齡期選擇7，14，28，60 d共4組，每組試樣共有2個尺寸，各試件級配如圖1，試驗用膠凝材料為粉煤灰和水泥，二者比例為1∶1，總膠凝材料用量65 kg/m3，試驗方案和試驗條件分別見表5和表6所示。

表5 試驗方案

表6 試驗條件

3.2 試件成型

按照以上試驗的設計，按不同骨料級配、不同配合比、不同膠材用量，將稱量好的骨料、水泥和粉煤灰攪拌均勻，然后將事先確定好比例的水加入后繼續(xù)攪拌，待以上原材料充分混合均勻后按下述方法制樣。

采用人工拌和，每個試件分層裝料，表面平整后振搗壓實，第1層經(jīng)搗棒插搗15次之后再裝第2層，下層振動壓實后再裝上層料，最上層振搗直到壓實為止，然后抹平養(yǎng)護，養(yǎng)護期間試樣表面保持濕潤狀態(tài)。

3.3 試驗方法

膠凝堆石料單軸抗壓試驗儀器為CMT5000新三思萬能試驗機。目前針對于這種材料的強度和彈性模量測試還沒有相應的規(guī)程規(guī)范，因此，試驗方法參照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)[10]和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[11]。試驗前將制備好的試樣表面擦拭干凈、測量好尺寸后，將試樣放在試驗機下壓板正中間，上下壓板與試樣之間墊鋼板?？箟簭姸葴y試采用0.3～0.5 MPa/s的速率均勻加載直至破壞，記錄破壞荷載和軸向應變控制值。每個齡期做3個試樣，以3個試樣的平均值作為該組試樣的抗壓強度和彈性模量試驗結(jié)果。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 應力-應變曲線分析

圖2 60 d齡期膠凝堆石料應力-應變關系曲線

試驗對7，14，28，60 d的4組齡期試樣進行單軸抗壓試驗，各齡期試驗壓縮曲線較為相似，以60 d齡期為例，其膠凝堆石料應力-應變關系曲線見圖2。

根據(jù)膠凝堆石料單軸抗壓試驗結(jié)果，試樣具有明顯的應力峰值和應變軟化現(xiàn)象。在低應力水平下材料表現(xiàn)出線彈性特征，應力與應變呈線性關系，隨應變的增加，應力呈線性增長直至彈性極限強度，繼續(xù)增加壓力，應力-應變曲線逐漸偏離直線而向應變軸彎曲，隨應變的增加，應力非線性增長至材料峰值強度；壓力再繼續(xù)增加，試件發(fā)生剪切破壞。材料彈性極限強度為峰值強度的70%左右，當應力超過彈性極限強度后，有明顯的殘余變形。

4.2 抗壓強度

4.2.1 試驗結(jié)果分析

不同齡期各試樣的單軸抗壓試驗結(jié)果見表7所示。從表7可看出，7，14，28，60 d齡期膠凝堆石料抗壓強度隨齡期的增長而增長，齡期越長，強度越大。

4.2.2 抗壓強度與齡期內(nèi)在關系分析

從表7試驗結(jié)果可以看出，整體上膠凝堆石料的單軸抗壓強度隨齡期的增長而增長，后期(60 d以后)還有很強的增長趨勢，具有強度儲備的性質(zhì)。但由于添加粉煤灰的緣故，膠凝堆石料強度前期增長較慢。

表7 不同齡期試樣單軸抗壓強度測試結(jié)果

分析膠凝堆石料單軸抗壓強度與齡期關系曲線特征，并參照與其更加接近的碾壓混凝土抗壓強度與齡期的關系[12]，在試驗結(jié)果的基礎上，為消除量綱，初步選用數(shù)學模型：

fcu(τ)/fcu(28)=ln(m+nτ) 。

(1)

式中：τ為齡期(d)；fcu(τ)為齡期為τ時的單軸抗壓強度(MPa)；fcu(28)為28 d齡期混凝土抗壓強度(MPa)；m和n為待求試驗常數(shù)。

進而對單軸抗壓強度數(shù)據(jù)進行回歸分析，即可得到膠凝堆石料單軸抗壓強度與齡期的關系為

fcu(τ)/fcu(28)=ln(0.663+0.073 5τ) 。

(2)

圖3 單軸抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律

函數(shù)擬合結(jié)果見圖3。

通過對單軸抗壓強度試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，初步建立了含有m,n兩個試驗常數(shù)的數(shù)學模型，且曲線擬合相似度R2=0.999，繼而也驗證了膠凝堆石料單軸抗壓強度與齡期數(shù)學模型的正確性和合理性。

4.3 彈性模量

在不同齡期情況下所測得的彈性模量見表8所示，彈性模量隨齡期的變化曲線如圖4所示。

4.3.1 試驗結(jié)果分析

從表8和圖4可以看出：

(1) 膠凝堆石料的彈性模量較低，僅為常規(guī)混凝土的1/10左右(常規(guī)混凝土彈性模量一般大于2×104MPa)。

表8 不同齡期試樣彈性模量測試結(jié)果

圖4 膠凝堆石料彈性模量隨齡期變化曲線

(2) 試驗所采用的骨料級配，在灰粉比1∶1、膠材用量65 kg/m3的情況下，制作的膠凝堆石料7，14，28，60 d齡期的彈性模量為140.54～285.18 MPa，彈性模量隨齡期的增加而不斷提高，但在早期(14 d內(nèi))彈性模量增長較快，之后彈性模量以接近斜線方式緩慢增長。從既有試驗數(shù)據(jù)分析，60 d后膠凝堆石料彈性模量仍有增長空間。

4.3.2 彈性模量與齡期內(nèi)在關系分析

由圖4可知，膠凝堆石料彈性模量與齡期之間存在非線性關系，曲線開始階段上升較快，隨后逐漸變慢，且其單軸抗壓應力-應變關系與混凝土相似，參考混凝土單軸壓縮模量隨齡期的發(fā)展趨勢，可假設彈性模量隨齡期增長的函數(shù)E(τ)與齡期τ為復合指數(shù)關系或雙曲線關系等。已有研究結(jié)果表明[13-14]：對于常規(guī)混凝土，復合指數(shù)公式的計算精度較好；對于碾壓混凝土，因大量摻加粉煤灰，則雙曲線公式的精度較好。由于膠凝堆石料在施工方法和材料組成上更接近碾壓混凝土，因此，選用形式比較簡單且精度較好的雙曲線公式[13],即

(3)

式中：c為待求系數(shù)；E0為最終彈性模量(MPa)。

式(3)可改寫為

(4)

圖5 τ/E(τ)-τ關系曲線

因此，以齡期τ為橫坐標，τ/E(τ)為縱坐標，由各齡期試驗結(jié)果可擬合一直線，其截距為c/E0，其斜率為1/E0，如圖5所示。

對膠凝堆石料各齡期彈性模量試驗值做上述變換，并對各試驗值進行回歸分析，進而得到膠凝堆石料τ/E(τ)-τ關系曲線,如圖6所示。

由圖6可得

(5)

進一步求解可得c=8.33,E0=333.33。

圖6 膠凝堆石料τ/E(τ)-τ關系曲線

5 結(jié) 論

根據(jù)膠凝堆石料試樣的單軸抗壓試驗結(jié)果，得到了應力-應變關系曲線，并對其曲線特征進行了分析，分析了抗壓強度及彈性模量隨齡期的變化規(guī)律，主要得出如下結(jié)論：

(1) 膠凝堆石料抗壓強度具有類似混凝土的性質(zhì)，強度隨齡期的增長而增長。

(2) 膠凝堆石料的彈性模量低于一般混凝土的彈性模量，且隨齡期的增加而不斷提高，但在早期(14 d內(nèi))彈性模量增長較快，之后彈性模量以接近斜線方式緩慢增長。

(3) 本文分析了齡期對膠凝堆石料強度和彈性模量的影響規(guī)律，并借鑒碾壓混凝土強度和彈性模量與齡期的關系函數(shù)，分別建立了膠凝堆石料強度和彈性模量與齡期的數(shù)學模型，從而為齡期強度和齡期彈性模量公式的適用性進行一定的拓展，進而為工程界提供必要的設計、施工參考依據(jù)。

參考文獻：

[1] BATMAZ S. Cindere Dam - 107m High Roller Compacted Hardfill Dam (RCHD) in Turkey[C]∥Proceedings of the 4th International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams. Madrid, Spain, November 17-19, 2003: 121-126.

[2] GURDIL A F, BATMAZ S. Structural Design of Cindere Dam[C]∥Proceedings of the 4th International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams. Madrid, Spain, November 17-19, 2003: 439-446.

[3] 唐新軍,陸述遠.膠結(jié)堆石料的力學性能初探[J]. 武漢水利電力大學學報, 1997,30(6):15-18. (TANG Xin-jun, LU Shu-yuan. Preliminary Research on Mechanical Behaviors of Cemented Rockfill Material[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering, 1997,30(6):15-18. (in Chinese))

[4] 陸述遠,唐新軍.一種新壩型—面板膠結(jié)堆石壩簡介[J]. 長江科學院院報, 1998,15(2):54-56. (LU Shu-yuan, TANG Xin-jun. Brief Introduction to a New Type of Dam Called Face Plate Cementing Rockfill Dam[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 1998,15(2):54-56. (in Chinese))

[5] 李永新,何蘊龍,樂治濟.膠結(jié)砂礫石壩應力與穩(wěn)定有限元分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2005，(7):35-38. (LI Yong-xin, HE Yun-long, LE Zhi-ji. Analysis of the Stress and Finite Element Stability for the Cemented Sand & Gravel Dam[J]. China Rural Water and Hydropower, 2005, (7):35-38. (in Chinese))

[6] 楊首龍.CSG壩筑壩材料特性與抗荷載能力研究[J]. 土木工程學報, 2007,40(2):97-103. (YANG Shou-long. Characteristics and Load Carrying Capacity of CSG Dam Construction Materials[J]. China Civil Engineering Journal, 2007,40(2):97-103. (in Chinese))

[7] 何蘊龍,彭云楓,熊 堃.Hardfill壩筑壩材料工程特性分析[J].水利與建筑工程學報,2007,5(4):1-6. (HE Yun-long, PENG Yun-feng, XIONG Kun. Analysis on Material Property of Hardfill Dam[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2007,5(4):1-6. (in Chinese))

[8] 曾 力, 李建成, 何蘊龍. Hardfill壩的發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J]. 人民長江, 2010,41(1):38-41. (ZENG Li, LI Jian-cheng, HE Yun-long. Summary of the Present Development of Hardfill Dam[J]. Yangtze River, 2010,41(1):38-41. (in Chinese))

[9] SL 237—1999，土工試驗規(guī)程[S]. 北京：中國水利水電出版社,1999. (SL 237—1999, Specification of Soil Test[S]. Beijing: China Water Power Press, 1999. (in Chinese))

[10] SL 352—2006, 水工混凝土試驗規(guī)程[S]. 北京：中國水利水電出版社,2006. (SL 352—2006, Specification of Hydraulic Concrete Test[S]. Beijing: China Water Power Press, 2006. (in Chinese))

[11] GB/T 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003. (GB/T 50081—2002, Standard for Test Method of Mechanical Properties[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2003. (in Chinese))[12]石 妍,方坤河,高鐘偉.碾壓混凝土強度特性的研究[J].水力發(fā)電學報,2006,25(1):85-89.(SHIYan,FANGKun-he,GAOZhong-wei.ResearchonStrengthofRollerCompactedConcrete[J].JournalofHydroelectricEngineering,2006,25(1):85-89.(inChinese))

[13] 朱伯芳.再論混凝土彈性模量的表達式[J]. 水利學報,1996，(3):89-91. (ZHU Bo-fang. On the Formula for Modulus of Elasticity of Concrete[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1996，(3):89-91. (in Chinese))

[14] 吳夢喜,杜 斌,姚元成, 等. 筑壩硬填料三軸試驗及本構(gòu)模型研究[J].巖土力學, 2011,32(8):2241-2250. (WU Meng-xi, DU Bin, YAO Yuan-cheng,etal. Triaxial Tests and a New Constitutive Model of Hardfill Material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(8):2241-2250. (in Chinese))