胶凝堆石料强度和弹性模量随龄期变化规律研究

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(1.黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，郑州 450003；3.黄河水利委员会 建设与管理局，郑州 450003)

1 研究背景

胶凝堆石料是以各地普遍存在的砂砾石、矿山弃渣、开采石料等为主要原料，添加少量胶凝材料(用量低于碾压混凝土)形成的一种改性堆石料。这种材料取材方便、价格低廉、对环境的负面影响小，利用这种材料建成的新坝型——胶凝堆石坝，具有较强的抵御洪水漫顶冲刷和适应较软坝基的能力，近几年来受到国内外坝工界的青睐，也取得了很多的研究成果[1-8]。

然而，这种新坝型自20世纪90年代才被人们认识，并逐渐开始应用，与已广泛应用的碾压混凝土坝和面板堆石坝相比，其理论及设计技术尚不成熟。其中胶凝堆石料力学性能研究是胶凝面板堆石坝设计技术发展的基础和关键。但由于胶凝堆石料主要采用河床砂砾石作为原材料，材料级配变化大，龄期、掺加胶凝材料的配合比及其用量等都对其强度影响较大，这些都使得胶凝堆石料的质量尤其是强度很难控制。本研究在单轴抗压试验基础上，探讨胶凝堆石料抗压强度和弹性模量随龄期的发展规律，可为胶凝堆石料的工程(胶凝堆石坝)应用及技术设计提供参考依据。

2 原材料

2.1 水 泥

试验所用水泥采用由天瑞集团郑州水泥物理力学性能有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。其技术性质见表1所示。

表1 水泥物理力学性能

2.2 粉煤灰和水

试验所用粉煤灰由郑州金龙源粉煤灰有限公司生产，主要性能指标见表2所示。拌和与养护用水均为郑州市饮用自来水。

表2 粉煤灰性能指标

2.3 骨料级配

试验所用骨料取自国家重点水利工程—河口村水库围堰用料。试验需制150 mm×150 mm×150 mm(尺寸1)及100 mm×100 mm×300 mm(尺寸2)2种试样，试验限制最大粒径不超过20 mm，超粒径采用等量替代法替换[9]。颗粒组成见表3和表4所示，颗分曲线见图1所示。

表3 原始颗粒级配

表4 替换后的颗粒级配

图1 试验原始颗分曲线及替代后的颗分曲线

3 试验过程

3.1 试验方案

胶凝堆石料强度和弹性模量主要通过单轴抗压试验得到。龄期选择7，14，28，60 d共4组，每组试样共有2个尺寸，各试件级配如图1，试验用胶凝材料为粉煤灰和水泥，二者比例为1∶1，总胶凝材料用量65 kg/m3，试验方案和试验条件分别见表5和表6所示。

表5 试验方案

表6 试验条件

3.2 试件成型

按照以上试验的设计，按不同骨料级配、不同配合比、不同胶材用量，将称量好的骨料、水泥和粉煤灰搅拌均匀，然后将事先确定好比例的水加入后继续搅拌，待以上原材料充分混合均匀后按下述方法制样。

采用人工拌和，每个试件分层装料，表面平整后振捣压实，第1层经捣棒插捣15次之后再装第2层，下层振动压实后再装上层料，最上层振捣直到压实为止，然后抹平养护，养护期间试样表面保持湿润状态。

3.3 试验方法

胶凝堆石料单轴抗压试验仪器为CMT5000新三思万能试验机。目前针对于这种材料的强度和弹性模量测试还没有相应的规程规范，因此，试验方法参照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)[10]和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[11]。试验前将制备好的试样表面擦拭干净、测量好尺寸后，将试样放在试验机下压板正中间，上下压板与试样之间垫钢板。抗压强度测试采用0.3～0.5 MPa/s的速率均匀加载直至破坏，记录破坏荷载和轴向应变控制值。每个龄期做3个试样，以3个试样的平均值作为该组试样的抗压强度和弹性模量试验结果。

4 试验结果分析

4.1 应力-应变曲线分析

图2 60 d龄期胶凝堆石料应力-应变关系曲线

试验对7，14，28，60 d的4组龄期试样进行单轴抗压试验，各龄期试验压缩曲线较为相似，以60 d龄期为例，其胶凝堆石料应力-应变关系曲线见图2。

根据胶凝堆石料单轴抗压试验结果，试样具有明显的应力峰值和应变软化现象。在低应力水平下材料表现出线弹性特征，应力与应变呈线性关系，随应变的增加，应力呈线性增长直至弹性极限强度，继续增加压力，应力-应变曲线逐渐偏离直线而向应变轴弯曲，随应变的增加，应力非线性增长至材料峰值强度；压力再继续增加，试件发生剪切破坏。材料弹性极限强度为峰值强度的70%左右，当应力超过弹性极限强度后，有明显的残余变形。

4.2 抗压强度

4.2.1 试验结果分析

不同龄期各试样的单轴抗压试验结果见表7所示。从表7可看出，7，14，28，60 d龄期胶凝堆石料抗压强度随龄期的增长而增长，龄期越长，强度越大。

4.2.2 抗压强度与龄期内在关系分析

从表7试验结果可以看出，整体上胶凝堆石料的单轴抗压强度随龄期的增长而增长，后期(60 d以后)还有很强的增长趋势，具有强度储备的性质。但由于添加粉煤灰的缘故，胶凝堆石料强度前期增长较慢。

表7 不同龄期试样单轴抗压强度测试结果

分析胶凝堆石料单轴抗压强度与龄期关系曲线特征，并参照与其更加接近的碾压混凝土抗压强度与龄期的关系[12]，在试验结果的基础上，为消除量纲，初步选用数学模型：

fcu(τ)/fcu(28)=ln(m+nτ) 。

(1)

式中：τ为龄期(d)；fcu(τ)为龄期为τ时的单轴抗压强度(MPa)；fcu(28)为28 d龄期混凝土抗压强度(MPa)；m和n为待求试验常数。

进而对单轴抗压强度数据进行回归分析，即可得到胶凝堆石料单轴抗压强度与龄期的关系为

fcu(τ)/fcu(28)=ln(0.663+0.073 5τ) 。

(2)

图3 单轴抗压强度随龄期的变化规律

函数拟合结果见图3。

通过对单轴抗压强度试验数据的回归分析，初步建立了含有m,n两个试验常数的数学模型，且曲线拟合相似度R2=0.999，继而也验证了胶凝堆石料单轴抗压强度与龄期数学模型的正确性和合理性。

4.3 弹性模量

在不同龄期情况下所测得的弹性模量见表8所示，弹性模量随龄期的变化曲线如图4所示。

4.3.1 试验结果分析

从表8和图4可以看出：

(1) 胶凝堆石料的弹性模量较低，仅为常规混凝土的1/10左右(常规混凝土弹性模量一般大于2×104MPa)。

表8 不同龄期试样弹性模量测试结果

图4 胶凝堆石料弹性模量随龄期变化曲线

(2) 试验所采用的骨料级配，在灰粉比1∶1、胶材用量65 kg/m3的情况下，制作的胶凝堆石料7，14，28，60 d龄期的弹性模量为140.54～285.18 MPa，弹性模量随龄期的增加而不断提高，但在早期(14 d内)弹性模量增长较快，之后弹性模量以接近斜线方式缓慢增长。从既有试验数据分析，60 d后胶凝堆石料弹性模量仍有增长空间。

4.3.2 弹性模量与龄期内在关系分析

由图4可知，胶凝堆石料弹性模量与龄期之间存在非线性关系，曲线开始阶段上升较快，随后逐渐变慢，且其单轴抗压应力-应变关系与混凝土相似，参考混凝土单轴压缩模量随龄期的发展趋势，可假设弹性模量随龄期增长的函数E(τ)与龄期τ为复合指数关系或双曲线关系等。已有研究结果表明[13-14]：对于常规混凝土，复合指数公式的计算精度较好；对于碾压混凝土，因大量掺加粉煤灰，则双曲线公式的精度较好。由于胶凝堆石料在施工方法和材料组成上更接近碾压混凝土，因此，选用形式比较简单且精度较好的双曲线公式[13],即

(3)

式中：c为待求系数；E0为最终弹性模量(MPa)。

式(3)可改写为

(4)

图5 τ/E(τ)-τ关系曲线

因此，以龄期τ为横坐标，τ/E(τ)为纵坐标，由各龄期试验结果可拟合一直线，其截距为c/E0，其斜率为1/E0，如图5所示。

对胶凝堆石料各龄期弹性模量试验值做上述变换，并对各试验值进行回归分析，进而得到胶凝堆石料τ/E(τ)-τ关系曲线,如图6所示。

由图6可得

(5)

进一步求解可得c=8.33,E0=333.33。

图6 胶凝堆石料τ/E(τ)-τ关系曲线

5 结 论

根据胶凝堆石料试样的单轴抗压试验结果，得到了应力-应变关系曲线，并对其曲线特征进行了分析，分析了抗压强度及弹性模量随龄期的变化规律，主要得出如下结论：

(1) 胶凝堆石料抗压强度具有类似混凝土的性质，强度随龄期的增长而增长。

(2) 胶凝堆石料的弹性模量低于一般混凝土的弹性模量，且随龄期的增加而不断提高，但在早期(14 d内)弹性模量增长较快，之后弹性模量以接近斜线方式缓慢增长。

(3) 本文分析了龄期对胶凝堆石料强度和弹性模量的影响规律，并借鉴碾压混凝土强度和弹性模量与龄期的关系函数，分别建立了胶凝堆石料强度和弹性模量与龄期的数学模型，从而为龄期强度和龄期弹性模量公式的适用性进行一定的拓展，进而为工程界提供必要的设计、施工参考依据。

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