硅灰掺量对CSG材料力学性能影响的试验研究

白 卫 峰，李 思 蕾，朱 小 超，徐 存 东

(1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046； 2.黄河建工集团有限公司，河南 郑州 450045)

胶凝砂砾石(CSG)材料[1-2]是一种类似于碾压混凝土的新型材料，由水、砂砾石料和胶凝材料如硅酸盐水泥和粉煤灰组成。CSG材料具有不同的胶凝材料含量、骨料含量和级配，已被用于各种基础设施应用，如堤防、土壤处理、农村小型水电结构的加固，最常见的是用于大坝建设[3]。随着CSG材料在水利工程中的推广应用，对其配比设计及相应的力学性能进行研究至关重要。胶凝砂砾石是一种典型的弹塑性材料，其应力-应变曲线与混凝土相似，但其强度和弹性模量均低于混凝土[4]。自20世纪90年代以来，学者们一直在研究胶凝砂砾石。一些研究人员[5-6]通过一系列抗压强度试验，获得了CSG材料强度特性的结果。但目前关于胶凝砂砾石力学性能的影响因素，国内外学者一般关注较多的是水泥掺量、粉煤灰掺量、骨料级配、砂率、水胶比、试件尺寸、龄期等[6-9]，而关于硅灰掺量对胶凝砂砾石力学性能的影响却鲜有报道。

硅灰具有火山灰效应和微填料效应[10]，可以显著提高混凝土、砂浆等材料的强度、抗渗性和耐久性，在水利工程中有着广泛的应用。硅灰不仅应用于高性能、高强度混凝土，也应用于一些如塑性混凝土类的低强度混凝土[11]。由于胶凝砂砾石坝存在强度低、抗渗性差、耐久性差的问题，需要进一步研究提高其强度、抗渗性和耐久性的相关技术。本文通过开展不同硅灰掺量下的CSG材料单轴压缩试验，获得单轴压缩应力-应变全曲线，研究硅灰掺量对CSG材料抗压强度和变形性能的影响规律，为工程应用提供试验依据。结合白卫峰等[12-14]提出的统计损伤理论，建立与硅灰掺量相关的本构模型，分析硅灰掺量对CSG单轴压缩过程损伤演化机制的影响规律。本文中应力以受拉为正，受压为负。

1 试验材料与试件制备

试验采用河南丰博天瑞生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰，砂为天然河砂(细度模数2.92，中砂)。硅灰采用巩义硅灰，其各项性能指标见表1。砂砾石料是在河南省北汝河汝州县城段附近料场购买的未经处理的原状砂砾料破碎、筛分后获得，粒径范围均为5～40 mm，拌合水为郑州市自来水。参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》测试砂砾石骨料的性能指标(见表2)。

本次试验中，保持水胶比(1.0)和胶凝材料总量(100 kg/m3)不变，粉煤灰掺量占胶凝材料总量的30%，砂率20%，大石(d=20～40 mm)和小石(d=5～20 mm)的比值为3∶2。分别用0，2%，5%，8%，10%，12%的硅灰等量取代水泥，共6组配合比(见表3)，研究硅灰掺量对CSG材料力学性能的影响。参照DL/T 5433—2009《水工碾压混凝土试验规程》的要求，采用人工振筛法筛分砂砾石骨料，按照配合比进行人工拌合。试件制成直径150 mm、高300 mm的圆柱体，每组3个，共18个试件。分2次进行装模，各插捣25下，放置于振动台振动20 s。采用相同配比的水泥砂浆将试件上表面抹平，常温静置2 d后，放入标准养护室内养护至28 d龄期，之后对6组试件S1～S6分别进行单轴压缩试验。

表1 硅灰各项性能指标Tab.1 Performance indicators of silica fume

表2 砂砾石料的基本性能Tab.2 Basic properties of cement sand and gravel

表3 胶凝砂砾石配合比Tab.3 Mixture ratio of cement sand and gravel

2 试验结果与分析

在WAW-1000电液伺服万能试验机上，采用位移方式控制加载，加载速率为0.36 mm/min，模拟准静态加载过程。试验过程中试件的纵向变形及轴向力均由试验机测试系统自动采集，用位移计测量试件两端的位移。试验前对试件端面研磨整平，涂抹减摩剂。正式试验前对每个试件进行预加载，加载速率同上。每组测试3个相同的样品，选取一条典型应力-应变曲线作为该组试验结果。

图1显示了6种不同硅灰掺量下的应力-应变全曲线。可以看出，曲线形式相似，且随着硅灰掺量的增加，曲线的变化趋势呈现出明显的规律性：峰值应力、弹性模量均逐渐增大，峰值应变先减小后增大。具体试验结果见表4。

图1 单轴压缩应力-应变全曲线Fig.1 Complete stress-strain curves under uniaxial compression

表4 试验结果

2.1 峰值应力

CSG 材料的胶凝材料用量远低于普通混凝土材料，随着硅灰掺量的提高，其抗压强度变化规律如图2所示。从图2中可以看出，硅灰掺量的改变对CSG压缩峰值应力的影响非常显著。硅灰掺量为0时，胶凝砂砾石试件抗压强度为-4.40 MPa。在S2 ～S6共5组试件中，随着硅灰掺量的提高，峰值应力分别增加了13.41%，26.59%，34.09%，54.77%，76.14%。掺入硅灰后，抗压强度呈明显增长趋势。这是由于CSG材料中加入的硅灰发生了火山灰反应，即生成稳定的胶凝物质水化硅酸钙(C-S-H )和微填料作用，使水泥浆与骨料界面过渡区改善，并使孔结构细化从而引起强度增加。

2.2 弹性模量

采用应力-应变曲线直线段的斜率作为 CSG材料的弹性模量，弹性模量E随硅灰掺量的变化趋势如图3所示。由图3可知，随着硅灰的掺入，CSG 材料的弹性模量E逐渐增大。硅灰掺量为0时，胶凝砂砾石试件弹性模量为749.11 MPa。在S2～S6共5组试件中，硅灰分别以2%，5%，8%，10%，12%替代水泥时，对应的弹性模量分别增加了21.75%，45.12%，73.88%，94.69%，108.49%。通过线性拟合得到E随硅灰掺量S变化的表达式：

E/E1=9.23S+1

(1)

式中：E1为S=0时CSG试块对应的弹性模量；S为硅灰替代水泥掺量的百分比，0≤S≤12%。

图2 峰值应力Fig.2 Peak stress

图3 弹性模量Fig.3 Elastic modulus

2.3 峰值应变

CSG试件的峰值应变随硅灰掺量的变化规律如图4所示。从图4中可以看出，峰值应变随硅灰掺量的增加先减小后增大。硅灰掺量为0时，CSG试件峰值应变为-7.58×10-3。在S2 ～S6共5组试件中，峰值应变分别减小了6.33%，13.06%，27.97%，25.46%，10.95%，其中硅灰掺量为8%时试件峰值应变减小幅度最大。

2.4 变形破坏特征

CSG材料圆柱体试件受压破坏的整个过程(见图5)为：在初始受力阶段，整个试件均匀受力变形。在应力-应变曲线上升段，试件表面未出现明显宏观裂缝；随着轴向应变的增大，垂直方向上压应力增大，试件产生纵向变形。第1条可见裂缝出现在峰值应力附近，裂缝都出现在砂浆中，与受力方向平行，同时在该部位形成明显鼓胀区，骨料基本未破碎；继续加载，随着应力下降，局部鼓胀区变形进一步增大，首先产生纵向裂缝，其次出现斜向裂缝，最终破坏。随着硅灰掺量的提高，裂纹更细密，骨料之间的粘结力更强，达到最终破坏时的破碎程度更小。CSG材料破坏主要是由于骨料与浆体分离，而骨料并未破坏，属于粘结破坏。这是由于CSG材料最主要的工程特性是水泥用量少[9]，因而胶凝材料粘结面在受力的情况下极为脆弱。

图4 峰值应变Fig.4 Peak strain

结合文中试验，以出现局部鼓胀的状态作为临界状态，将CSG单轴压缩过程分为分布损伤和局部破坏2个阶段。

图5 单轴压缩过程典型破坏特征Fig.5 Typical damage characteristics in the process of uniaxial compression

3 损伤本构模型

胶凝砂砾石的应力-应变曲线与混凝土类似，因此文献中常用混凝土的方法研究胶凝砂砾石的力学性能。本节采用白卫峰等[12-14]建立的统计损伤本构模型，该模型将单轴压缩整个过程分为分布损伤和局部破坏2个阶段，2阶段的连接点为临界状态。其中，分布损伤阶段是损伤累积演化的主要阶段，包含应力-应变曲线上升段和部分下降段；临界状态后达到局部破坏阶段，对应的应力-应变曲线具有明显的尺寸效应。引入变量ε+(ε+>0，与压缩方向正交)定义为压缩方向对应的等效传递拉损伤应变。ε+=-νε，ν为泊松比，取ν=0.21[15]。分布损伤阶段对应的本构关系可表示如下：

σ=E(1-Dy)(1-DR)ε

(2)

σE=E(1-Dy)ε

(3)

(4)

(5)

式中：σ和σE分别为压缩方向对应的名义应力和有效应力；DR和Dy分别为断裂、屈服损伤变量，分别表征微裂纹的萌生扩展和受力骨架的优化调整；q(ε+)和p(ε+)分别表示断裂、屈服损伤对应的概率密度函数，假设均服从三角形分布：

(6)

(7)

H=DR(εb)

(8)

式中：εa为初始损伤应变；εh为p(ε+)峰值对应应变；εb为最大屈服损伤应变，同时为q(ε+)峰值对应应变；H为临界状态对应断裂损伤值。

该模型包括5个特征参数：E、εa、εh、εb、H。其中，E已由试验曲线的初始斜率确定；εa、εh、εb和H反映不同硅灰掺量对细观非均质损伤演化过程的影响，利用Matlab工具箱遗传算法模块通过多元回归分析得到，具体参考文献[16]。计算参数见表5。

表5 计算参数Tab.5 Results for calculation parameter

基于统计损伤本构模型，分别绘制出6种不同硅灰掺量的名义/有效应力-应变曲线(见图6～7)。分布损伤阶段对应的名义应力-应变曲线和试验曲线吻合良好：名义应力σ先增大后减小，中间存在峰值名义应力状态。图7是预测的有效应力应变曲线，本文模型从有效应力的角度理解胶凝砂砾石单轴压缩变形破坏全过程：有效应力σE单调增大，在临界状态达到最大值，此时为局部破坏的前兆。

图6 名义应力-应变曲线Fig.6 Nominal stress-strain curves

图7 有效应力-应变曲线Fig.7 Effective stress-strain curves

图8～9显示了硅灰掺量S对4个特征参数εa、εh、εb、H的影响曲线，随着硅灰掺量的增加，4个参数均呈现出明显的规律性。可以看出，随着S的增大，εa、εh、εb和H均以硅灰掺量8%为界，表现出不同的变化趋势。其中，εa、εh、εb先由0.790×10-3，1.290×10-3，2.076×10-3缓慢下降到0.587×10-3，0.908×10-3，1.736×10-3，再逐渐增加到0.685×10-3，0.972×10-3，1.787×10-3；H则呈现相反的趋势，先从0.175缓慢增长到0.192，然后逐渐下降到0.163。通过多项式拟合得到4个参数随硅灰掺量S变化的表达式，见式(9)～(12)。

εa/εa，1=1-3.47S-16.13S2+297.55S3

(9)

εh/εh，1=1-4.57S-1.81S2+190.95S3

(10)

εb/εb，1=1-1.62S-20.57S2+203.48S3

(11)

H/H1=1+0.13S+53.60S2-492.62S3

(12)

式中：εa，1、εh，1、εb，1、H1分别为S=0时CSG试块对应的4个特征参数；0≤S≤12%。

图8 硅灰掺量-ε+关系曲线Fig.8 S-εa、εh、εb curves

图9 硅灰掺量-断裂损伤关系曲线Fig.9 S-H curve

图10～11分别显示了不同硅灰掺量下2种损伤变量Dy、DR的演化过程曲线。将CSG材料变形破坏过程理解为2种损伤模式的连续损伤演化过程。掺加硅灰后，改变了连续损伤演化过程，从而改变了宏观应力-应变行为。从变形的角度分析，随着硅灰掺量的增加，损伤演化进程加快，达到临界状态时对应的延性降低，在S=8%时延性最低，之后，随着硅灰掺量的继续增加，延性有所改善。

图10 Dy-ε关系曲线Fig.10 Dy-ε curves

图11 DR-ε关系曲线Fig.11 DR-ε curves

4 结 论

(1) 随着硅灰掺量的提高，单轴压缩应力-应变曲线的上升部分呈明显的陡化趋势；峰值应力、弹性模量均线性增长，峰值应变先减小后增大。硅灰掺量8%时，CSG试件峰值应变最小。

(2) CSG材料胶凝材料用量少，与普通混凝土相比，材料脆性特征更为明显。CSG试块在破坏时基本不产生表面裂缝，典型的破坏形式为局部压碎后迅速崩解，试块内骨料没有破碎迹象。

(3) 建立了考虑硅灰含量影响的CSG统计损伤模型，确定了硅灰掺量与5个特征参数E、εa、εh、εb、H之间的关系式。发现除了弹性模量E，其余4个参数均以硅灰掺量8%为界，前后两侧表现出不同的演化规律。分析了不同硅灰掺量下损伤变量Dy和DR的演化规律，发现随着硅灰掺量的提高，CSG材料的延性性能反而降低，在硅灰掺量8%时达到最低。