动静载作用下砂浆-岩石试件断裂特性试验研究 ①

王凤琴, 汪海波, 王 浩, 宗 琦

(安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

混凝土是工程建设中广泛使用的一种材料,由于岩石和砂浆以及混凝土中粗骨料与细骨料、水泥浆间存在着交界面,而这个交界面易发展成裂隙区。在Yao Xiong等[1-5]的研究中发现,集料-砂浆界面过渡区对材料的性能和耐久性有着重要的影响,这个界面过渡区是整个结构当中最薄弱的地方,在结构受力时,界面区是最先破坏的。在实际工程中,岩体结构经常遭遇地震、爆破等动载冲击,因此研究岩体-砂浆界面过渡区的力学特性就成为一个比较重要的课题。

黄燕等[6]通过掺加矿物掺合料以及纳米材料、改性骨料等方法提高界面过渡区的粘结性从而提高界面耐久性。郭寅川等[7]采用数字图像技术得出混凝土结构中界面区为最薄弱面并确定了混凝土发生疲劳破坏时界面区的宽度范围。近些年,一些学者从微观上对界面区进行了研究,如罗明勇等[8]通过使用压汞法从微观结构上来研究养护条件对密封下净浆和砂浆的孔隙结构特征的影响。庞超明等[9]采用MIP测试水泥基材料的微孔结构,探究龄期、水胶比、粉煤灰品种及其掺量对基体抗压强度和断裂韧度的影响。Jianbo Zhu等[10]则是从微观和宏观上通过添加玄武岩纤维为添加剂以及改变交接面形态来探究在宏观和微观下界面形状与添加剂对界面性能的影响。Yang Tang[11]采用了CT扫描技术通过控制温度和湿度在地热和潮湿环境中对喷射混凝土-岩石接触处进行试验来研究粘附强度的机理。邹相国等[12]研究了水灰比对花岗岩-砂浆复合试件劈裂抗拉强度的影响,结果表明复合试件劈裂抗拉强度与水灰比呈负线性相关关系。邱豪等[13-14]则是通过动态试验分析了不同加载率组合试件动态抗拉强度,结果表明抗拉强度随加载率增加呈快速增加趋势。Lin Luo等[15]对组合试件中岩石粘结面进行处理,发现界面承载力对界面粗糙度很敏感,提出在进行岩石表面制备时其应有一定的粗糙度。在上述文献中,对界面区都进行了各方面的研究,但是现有的文献大都只关注静载或动载试验的某一方面,结合起来研究抗拉强度和破坏特征的还较少。

基于现有研究成果,研究针对砂浆-岩石双材料试件,通过控制界面粗糙度和砂子的粒径级配来研究组合试件在静态和动态劈裂试验下的性能和破坏特征。

1 试验设计

1.1 试验方案与试件制作

试件尺寸为直径50mm、厚度25mm的圆盘。试件上半部分岩石选用花岗岩和石灰岩两种,下半部分为42.5等级水泥和水以及砂子按2:1:2的比例混合浇筑的砂浆。由于双材料黏接面存在不同的粗糙度,对抗拉强度存在影响,因此试验对双材料巴西圆盘黏接面设计了2种粗糙度,分别为刀切光滑面和劈裂粗糙面。试验总试件个数为72个。

图2 静态试件破坏面

试件的表面粗糙度采用激光扫描仪进行扫描测量,通过该扫描可以得出试件表面的算数平均高度(Sa)。花岗岩的粗糙面和光滑面的Sa分别为0.2mm和0.02mm,石灰岩的粗糙面和光滑面的Sa分别为0.1mm和0.01mm。

图3 双材料试件静态抗拉强度试验结果

考虑砂子粒径对双材料试件劈裂抗拉强度的影响,砂浆的砂子选用粒径分别为小于1 mm,2mm-4mm和5mm-8mm,三种粒径尺寸的砂子分别称为细砂、中砂和粗砂。为便于试验过程中数据的记录,现为试件进行编号,用字母H代表花岗岩,S代表石灰岩,C代表粗糙面,X代表光滑面,L代表细砂,M代表中砂,B代表粗砂。例如,HCL表示粗糙界面的花岗岩-细砂砂浆巴西圆盘试件。

1.2 试验设备

为了研究双材料巴西圆盘的劈裂性能及裂缝破坏形态,对砂浆岩石组合试件进行动态和静态劈裂试验。静态测试采用单轴压缩试验机进行静态加载,加载速度为0.1mm/min。动态测试采用分离式霍普金森压杆,冲击气压为0.2MPa。

图1为典型试件的动态应力图,图中包含入射、反射、入射与反射叠加以及透射波四种波形,其中入射波加上反射波的波形与透射波的波形基本相近,图线大致重合,达到了动态应力平衡状态,因此进行动态试验的结果有效。

2 静态试验结果分析

在进行静态劈裂试验时,可以看出双材料巴西圆盘试件的破坏面,基本上是沿界面过渡区笔直进行的,如图2(a)典型试样所示。除外不论岩石种类,粗糙界面的岩石上黏附的残余砂浆比光滑面多,这是因为粗糙面与砂浆的接触面积更大,对砂浆的咬合作用比光滑面要好。另外,从图片(c)-(h)中可以看出,在粗糙面中粗砂砂浆留在岩石上的残余砂浆最多。粗砂砂浆由于粒径级配最大,砂浆在制作过程中砂子较易分布不均匀,砂子对砂浆的吸附不强,砂浆更易与岩石结合,因此劈裂后残余的砂浆也最多。

从图3中可见在试件进行加载时,抗拉强度随加载时间变长而增加,当达到试件能承受的最高值后曲线急剧下落。另外从图3中(a)和(b),(c)和(d)的对比中可见,在双材料巴西圆盘中,粗糙面相对光滑面增强了岩石对砂浆发生变形的约束作用,因此同种试件,粗糙面的抗拉强度要大于光滑面。

从图4(a),(b)中可见无论界面粗糙还是光滑,抗拉强度最高值都出现在中砂试件中,且粗糙界面的静态抗拉强度高于光滑面。光滑面花岗岩-砂浆试件与粗糙面花岗岩-砂浆试件静态抗拉强度之比为67.3%,光滑面石灰岩岩-砂浆试件与粗糙面石灰岩-砂浆试件静态抗拉强度比为56.8%,石灰岩双材料试件与花岗岩双材料试件静态抗拉强度之比为83.8%。两种岩石试件静态抗拉强度比相差10.5%,表明花岗岩双材料试件整体上比石灰岩双材料试件静态强度要高,而花岗岩本身强度要高于石灰岩,这就说明岩石本身强度对双材料试件的抗拉强度有一定的影响,自身强度高会对整个双材料试件的强度带来些许提升。另外花岗岩双材料试件光滑面与粗糙面强度比要大于石灰岩双材料试件,这就表明界面粗糙度对石灰岩双材料试件的影响较花岗岩试件更大。

图4 静态抗拉强度与砂子粒径级配的关系

(d)HX

(e)SC

(f)SX

3 动态劈裂试验结果分析

3.1 动态劈裂破碎形态

骨料粒径对动态冲击试件的整体破环形态影响较小,囿于篇幅,只列出SC,SX以及HC,HX典型试件的破坏形态如图5所示。从图(a)和(b)可见,试件破坏是随着加载沿交界面贯通的,和静态试验中的一样,试件的破坏都是从界面过渡区开始的,并且试件也是沿着加载力的方向发生横向破坏。另外从图5粗糙面(c),(e)和光滑面(d),(f)的对比来看,粗糙面的岩石上砂浆的残余量也如静态试验中的一样远大于光滑面。

图6 双材料试件应力应变曲线

3.2 试验结果分析

试件的应力应变曲线如图6所示。与静态应力相比,动态应力峰值要远大于静态,大约是静态的20倍。同时试件在达到峰值应力时的应变也是不同的,其中含中砂试件在达到峰值应力时的应变最小,粗砂试件最大。另外相比光滑面,粗糙面的峰值应变要大于光滑面。

图7反映了试件动态应变与砂子粒径级配关系。在花岗岩试件中,粗糙面中砂试件应变为粗砂试件的66.8%,为细砂试件的82.7%,光滑面中砂试件应变为粗砂试件的34.8%,为细砂试件的73.1%,光滑面与粗糙面最大应变比为82.9%。石灰岩试件中,粗糙面中砂试件应变为粗砂试件的75.7%,为细砂试件的87.3%,光滑面中砂试件应变为粗砂试件的36.1%,为细砂试件的54.8%,光滑面与粗糙面最大应变比为90.3%。通过上述数据的对比,可以看出岩石种类对双材料巴西圆盘试件的应变影响较小,界面粗糙度和砂子粒径级配对试件应变的大小影响较大。

4 结 论

(1)在试件进行静态和动态试验过程中,粒径级配和粗糙度对试件的整体破坏形态影响不大,试件都是沿着本身的薄弱面即岩石与砂浆的界面过渡区破碎。

(2)在静态试验中,粗糙度对双材料巴西圆盘试件的抗拉强度有较大影响,光滑面花岗岩-砂浆试件与粗糙面花岗岩-砂浆试件静态抗拉强度之比为67.3%,光滑面石灰岩岩-砂浆试件与粗糙面石灰岩-砂浆试件静态抗拉强度比为56.8%,粗糙面试件的抗拉强度要大于光滑面的试件,而且岩石本身强度对双材料试件的抗拉强度有一定的影响,且界面粗糙度对石灰岩双材料试件的影响较花岗岩试件更大。

(3)对试件进行动态加载,数据表明在应变中,粗糙面的峰值应变要大于光滑面,粒径级配和粗糙度对试件应变影响较大,岩石种类对试件应变影响较小,且同等条件下粗砂试件应变大于细砂和中砂试件。