塑性混凝土单轴受压性能尺寸效应的试验研究

高玉琴，郭博文，宋 力，刘 忠

（1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003）

塑性混凝土是一种以膨润土或黏土替代部分水泥的新型柔性材料，具有低弹性模量、变形性能强、抗渗性高的特点［1］，广泛应用于大坝除险加固工程、大坝围堰工程及结构基础工程［2］。近年来，国内外水文地质学、材料学、环境化学、岩土力学等诸多方面的学者，开展了其工程应用、配合比、力学特性及本构关系等方面的研究，王清友［3］较早开展了工程应用中采用塑性混凝土防渗墙的配合比设计，高丹盈等［4］、Su等［5］、Bagheri等［6］开展了配合比及不同类型组分对塑性混凝土力学性能的影响。高丹盈等［7］、王四巍等［8］提出了弹性模量计算公式中p1、p2与破坏荷载的关系及弹性模量与峰值应力的试验统计关系式，并分别建立塑性混凝土单轴受压本构关系［9］。宋力等［10］提出了塑性混凝土应力应变曲线上升段和下降段的数学物理模型。常芳芳等［11］分析围压对塑性混凝土应力应变曲线的影响，并提出了上升段曲线的本构模型。宋帅奇等［12］通过比较100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm塑性混凝土试样峰值应力试验结果，初步得出塑性混凝土强度存在尺寸效应现象。苏捷等［13－14］对普通混凝土的尺寸效应进行了试验研究：通过对普通混凝土54个不同强度等级棱柱体的单轴受压性能进行试验研究，得到其在弹性变形阶段尺寸效应不明显，但进入弹塑性阶段后其应力应变曲线呈现较明显的尺寸效应；并通过27组边长为100、150、200 mm的普通混凝土和高强混凝土立方体试样的抗压试验，发现混凝土的峰值应力越高其尺寸效应越明显，由此建立了立方体抗压强度尺寸效应律的计算公式。王亚云等［15］则通过比较不同矿渣掺量和强度等级的200 mm×200 mm×200 mm、250 mm×250 mm×250 mm、300 mm×300 mm×300 mm三级配混凝土试样峰值应力试验，初步得出三级配混凝土强度存在尺寸效应现象，且强度等级的影响显著于矿渣掺量。

塑性混凝土力学性能与其尺寸、形状等密切相关，且与普通混凝土的尺寸效应［16］相似，受压时其峰值应力及应变等特性指标尺寸效应明显；同时，其单轴无侧限抗压强度试验试样最终破坏时，未出现粗骨料破碎现象，有别于普通混凝土。因此，本文通过室内试验，考虑不同配合比和高径比因素，设置不同底面尺寸的棱柱体和圆柱体，重点研究不同试验条件下峰值应力应变的变化规律，开展塑性混凝土峰值应力尺寸效应试验研究。

1 试验概况

1.1 试样模型及原材料

塑性混凝土试样形状为棱柱体和圆柱体，棱柱体试样底面边长分别为100、150、200、250、300 mm，高径比分别为1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1，圆柱体试样底面直径与相同高径比的棱柱体底面边长相等。每一尺寸试样包含3个配合比，即3个不同强度。

试验用水泥为中国建筑材料科学研究总院生产的强度等级为42.5的袋装基准水泥；膨润土采用钠基膨润土，其目数为200～400目；粗骨料采用5～20 mm粒径的连续级配碎石；减水剂采用河南省建筑科学研究院生产的聚羧酸型减水剂，掺量为1%；砂采用河砂（RS），具体参数见表1。

表1 河砂的性能参数及颗粒级配

1.2 试样制备及养护

根据试验目的主要进行两种条件下的单轴无侧限抗压强度试验，具体为：相同高径比不同配合比和试样底面尺寸、相同配合比不同高径比和试样底面尺寸，每种条件下制作3个平行试样，取其算术平均值作为试验实测值，共计制备了150个试样。

根据试配确定3个配合比分批制作塑性混凝土试样，试样制备采用自落式搅拌机搅拌，投料顺序为砂、石、水泥、膨润土、水、减水剂。在砂、石、水泥、膨润土投料完成后干搅30 s，然后注入本批试样所需水量的1／2后搅拌60 s，之后注入拌和均匀的剩余水和减水剂，再湿拌90 s，保证搅拌时无团状体的情况出现。浇筑之前测量塑性混凝土拌和物坍落度和表观密度，满足预设指标后在自行研制的试样成型模具中进行浇筑成型，采用振捣棒振捣，运至标准养护室静置48 h后拆模，拆模后养护28 d龄期后开始试验，养护条件为温度（20±2）℃、湿度大于95%。

1.3 试验仪器和试验方法

单轴无侧限峰值应力试验采用改装后的电液伺服粗粒土动静三轴试验机，加装上下加压面和传力底座，其具有自动控制、自动采集和辅助数据处理能力，主要技术指标为：轴向静荷载0～500 kN（精度0.1 kN），轴向位移行程300 mm（精度0.01 mm），轴向变形控制速率0.01～5 mm／min（测量误差优于±0.5%）；光栅位移传感器设置在压板的上端，测量精度0.001 mm，采用全标距法采集应力应变试验数据。

塑性混凝土的受压性能试验参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB／T 50081—2019）和《土工试验方法标准》（GB／T 50123—2019）：试样养护至28 d龄期后，采用自制装置将试样运送至传力底座，测量试样底面边长（或直径）、高度，选择静力加载模式，设定加载速率0.07%／min，输入试样周长和体积等参数后开始试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

相同高径比不同配合比、相同配合比不同高径比条件下，塑性混凝土棱柱体和圆柱体随底面尺寸增大的峰值应力及应变实测值见表2。

表2 不同试验条件下塑性混凝土峰值应力及应变实测值

续表2

由表2可知，受配合比和高径比影响，塑性混凝土峰值应力及应变大小不同，整体来看随底面边长或直径增大而减小，且试样底面边长≥200 mm后其峰值应力及应变减小的趋势逐步放缓，且峰值应力变异系数均小于8%，表明试验结果的离散性较小。

2.2 相同高径比不同配合比条件下峰值应力及应变

引入尺寸效应系数γ对塑性混凝土试样峰值应力的尺寸效应进行定量描述。以底面边长或直径为100 mm的试样为基准尺寸试样，定义非基准尺寸试样（底面边长或直径为150、200、250、300 mm）峰值应力与基准尺寸试样（底面边长或直径为100 mm）峰值应力间的差值占基准尺寸试样峰值应力的百分率为尺寸效应系数，如γ150＝（f100－f150）／f100×100%，其他类推，峰值应变尺寸效应系数计算过程同峰值应力。

相同高径比、不同配合比和试样底面尺寸情况下，塑性混凝土棱柱体和圆柱体试样峰值应力及应变尺寸效应系数见表3、图1、图2。

表3 试样峰值应力及应变尺寸效应系数

图1 相同高径比棱柱体试样峰值应力尺寸效应系数

图2 相同高径比圆柱体试样峰值应力尺寸效应系数

2.2.1 峰值应力尺寸效应系数

由表3、图1及图2可知，相同高径比情况下，随塑性混凝土配合比（强度）变化及底面尺寸增大，峰值应力尺寸效应系数具有以下规律：①随塑性混凝土配合比变化（强度增大）无明显变化规律，这不同于普通混凝土立方体峰值应力尺寸效应［14］：随混凝土强度等级的提高，混凝土立方体峰值应力尺寸效应现象越显著；②相同配合比（强度）情况下，圆柱体峰值应力尺寸效应系数大于棱柱体峰值应力尺寸效应系数，即圆柱体峰值应力尺寸效应显著；③圆柱体峰值应力尺寸效应系数受配合比（强度）变化影响较小，3种配合比下峰值应力尺寸效应系数落在相对狭窄的带宽内。

塑性混凝土和普通混凝土相比，峰值应力相对较低，塑性混凝土的密实度和匀质度较普通混凝土差，内部初始微裂纹的数量相对较多，在初始荷载作用下塑性混凝土裂纹发展速度较慢，且塑性混凝土破坏时发生损伤的断裂破损区域相对较大，但因其峰值应力相对较小，故破坏时所需能量相对较均匀；另外，塑性混凝土破坏大多为延性破坏，从而导致塑性混凝土峰值应力尺寸效应系数随其强度增大变化不明显。

塑性混凝土圆柱体和棱柱体相比：首先，成型方式不同，圆柱体浇筑时成型模具竖向放置，同高度方向塑性混凝土分配均匀度趋向一致，裂缝形成的薄弱面亦随机分布；其次，在轴向受压过程中，其受压端受力相对较均匀，而棱柱体受压端由于4个面的4条棱分割，消除了部分能量，加上受压端的环箍效应，致使圆柱体峰值应力尺寸效应系数不同于棱柱体。

2.2.2 峰值应变尺寸效应系数

由表3可知，相同高径比情况下，除个别点具有一定的离散性外，随塑性混凝土配合比即强度变化及底面尺寸增大，峰值应变尺寸效应系数具有以下规律：①峰值应变尺寸效应系数随塑性混凝土强度增大无明显变化规律，强度最小者其峰值应变尺寸效应系数高于强度较大者；②圆柱体峰值应变尺寸效应系数受其配合比影响较小，3种配合比下峰值应变尺寸效应系数值落在相对狭窄的带宽内。

2.3 相同配合比不同高径比条件下峰值应力及应变

相同配合比、改变高径比和试样底面尺寸情况下，塑性混凝土棱柱体和圆柱体试样峰值应力及应变尺寸效应系数见表4、图3、图4。

表4 试样峰值应力及应变尺寸效应系数

图3 配合比2棱柱体试样峰值应力尺寸效应系数

图4 配合比2圆柱体试样峰值应力尺寸效应系数

2.3.1 峰值应力尺寸效应系数

由表4、图3及图4可知，相同配合比（强度）条件下，随塑性混凝土高径比及底面尺寸增大，峰值应力尺寸效应系数具有以下规律：①峰值应力尺寸效应系数随高径比增大而增大，即高径比越大其峰值应力衰减越大，尺寸效应显著；②相同高径比条件下，圆柱体峰值应力尺寸效应系数大于棱柱体，即圆柱体峰值应力降幅较大，尺寸效应显著。其主要是因为随高径比（长细比）增大，塑性混凝土极限承载能力明显降低，即峰值应力减小，加上破坏时发生损伤的断裂破损区域相对较大，因此破坏时所需能量相对较大，高径比越大其峰值应力尺寸效应越明显。

2.3.2 峰值应变尺寸效应系数

由表4可知，相同配合比条件下，除个别点具有一定离散性外，随塑性混凝土高径比及底面尺寸增大，峰值应变尺寸效应系数具有以下规律：①棱柱体峰值应变尺寸效应系数随高径比增大无明显变化规律，高径比为2.5∶1时尺寸效应系数最大，高径比为1.5∶1、2.0∶1时尺寸效应系数接近；②圆柱体峰值应变尺寸效应系数受高径比变化影响较小，3种高径比下峰值应变尺寸效应系数落在相对狭窄的带宽内。

3 结 论

（1）相同高径比不同配合比（强度）条件下，塑性混凝土峰值应力应变均具有较明显的尺寸效应，但随配合比（强度）增大峰值应力尺寸效应无明显变化规律，这不同于普通混凝土立方体抗压强度尺寸效应，且相同条件下圆柱体峰值应力尺寸效应较棱柱体显著，同时圆柱体峰值应力尺寸效应受配合比（强度）变化影响较小。

（2）相同配合比即强度条件下，塑性混凝土峰值应力尺寸效应系数随高径比增大而大幅衰减，尺寸效应显著，且相同高径比时圆柱体峰值应力尺寸效应系数大于棱柱体，即圆柱体峰值应力尺寸效应较显著。

（3）相同高径比不同配合比（强度）情况下，峰值应变尺寸效应系数随塑性混凝土强度增大无明显变化规律，强度最小者其峰值应变尺寸效应系数大于强度较大者，且圆柱体峰值应变尺寸效应系数受其配合比影响较小。

（4）相同配合比（强度）条件下，棱柱体峰值应变尺寸效应系数随高径比增大无明显变化规律，圆柱体峰值应变尺寸效应系数受高径比变化影响较小。