不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究

冉少鹏　王苏生　向志鹏

(河海大学 岩土工程科学研究所， 南京　210098)



不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究

冉少鹏王苏生向志鹏

(河海大学 岩土工程科学研究所， 南京210098)

摘要：对圆柱型水泥砂浆试样进行了不用围压、相同渗压下的三轴压缩试验，并对其强度特征和渗透规律进行了研究．结果表明，随着围压的增加，试样的峰值强度增大，围压提高了试样的强度；当偏应力达到临界值后，试样损伤随着偏应力的增大而增加；损伤与渗透率呈指数关系，渗透率随损伤的增大而增加．

关键词：水泥砂浆；三轴压缩试验；损伤；渗透率；强度特征

水泥砂浆是建筑工程中用量大、用途广的建筑材料，广泛用于隧道、大坝、核电站等大型建筑，在建筑工程中起主体结构和传递应力的作用．大型建筑工程所处地质环境复杂，受应力、温度、地下水等多方面因素影响，而建筑工程使用寿命均为几十年甚至上百年，因此开展对水泥砂浆力学特性的研究尤为重要．

国内相关学者对于水泥砂浆力学特性的研究己经取得了不少的成果．常留红等[1]进行了水泥砂浆单轴条件下的强度试验，研究了其在不同应变率条件下的本构关系．李英华等[2]采用液压伺服试验机研究了水泥砂浆的动态力学行为，提出了砂浆在冲击荷载下的损失演化规律．郑文翔等[3]通过在水泥砂浆试样中预置铁片，研究了单轴压缩条件下水泥砂浆的力学特性和裂纹扩展规律．蒲成志等[4]通过预制多裂隙水泥砂浆试样进行压缩试验，研究了裂隙角度对其强度的影响规律．薛云亮等[5]利用液压伺服试验系统和声波监测仪对水泥砂浆混凝土进行了声发射试验研究，研究了其损伤变量和声发射参数之间的函数关系．速宝玉等[6]研究了水泥砂浆在水力劈裂条件下的破坏特征．薛志刚等[7]利用分离式霍普金森压杆讨论了应力加载路径及应变率对水泥砂浆力学性能的影响．

水泥砂浆可视为一种类岩石材料，其力学特性受应力加载路径影响很大，表现为随着围压的增大，其强度变高．本文对水泥砂浆试样进行了应力、渗流条件下三轴压缩试验，研究了不同围压下水泥砂浆力学特性、损伤演化和渗透特性．

1试验条件及方案

1.1试验方案

参考岩石力学试验标准，根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-99)以及国际岩石力学学会(ISRM)推荐标准，本试验所用试样为上下端面水平，侧面光滑的50 mm×100 mm圆柱样(见图1)．

图1　水泥砂浆试样

几何尺寸见表1，试件材料为水泥砂浆，砂子采用普通建筑河砂，经过筛分后取粒径小于1.0 mm的细砂进行配比，水泥采用型号为52.5 MPa硅酸盐水泥．砂浆配比为m水泥∶m砂∶m水=1∶0.5∶0.4．

表1　试样基本物理参数

1.2试验设备

三轴压缩试验在岩石三轴渗流流变系统上进行．该设备由三轴压力室、高压泵伺服系统、轴向应变和侧向应变测量系统，水压系统以及微机处理系统组成．其中控制围压、偏压和渗透水压的3个高精度高压泵，可以实现各项压力的伺服控制．

2试验结果分析

2.1不同围压下试样强度特征

对砂浆试样进行了渗压1 MPa，围压2 MPa，4 MPa和6 MPa下的常规三轴压缩试验．试样的轴向应变ε1和侧向应变ε3均由变形测量系统测得，所以，试样的体积应变可由式(1)计算：

图2　应力应变曲线

不同围压下类砂浆试样的应力-应变关系曲线如图2所示．由图2可见，试样开始进行偏压加载后，很快进入弹性阶段，其应力-应变曲线成近似直线型．随着偏压继续加载，试样进入屈服阶段，应力-应变曲线斜率降低并趋于水平，此阶段轴向应变和侧向应变快速增大．当试样承载力达到峰值强度后，试样发生破坏，承载力降低．根据应力应变曲线可以得到试样的力学参数见表2．

表2　类岩石材料强度参数

围压对试样的强度影响显著．由表2可见，围压2 MPa、4 MPa、6 MPa下，峰值强度分别为50.08 MPa、59.39 MPa和61.13 MPa．峰值强度对应的轴向应变分别是8.95×10-3、11.14×10-3和14.04×10-3，峰值轴向应变和围压拟合曲线的拟合关系是ε1=1.274σ3+6.28，相关系数R2=0.98，呈良好的线性相关性．由此可知，试样达到峰值强度破坏时轴向应变随着围压的增大而增大．

Coulomb准则是岩土工程中应用最广泛的强度理论之一，黏聚力和内摩擦角是反映材料抗剪强度的两个重要参数．

图3为依据Coulomb准则得到的试样围压2、4、6 MPa下三轴压缩的峰值强度分析．由图3可见，对3组试样的峰值强度进行回归分析，结果为Q(2.76，45.82)，相关系数R2为0.73，由此计算得到的水泥砂浆类岩石材料黏聚力为13.79 MPa，内摩擦角为27.91°．

图3　试样Coulomb准则强度分析

2.2损伤分析

损伤是指试样在加载过程中，其内部的微裂纹和微裂隙扩展贯通引起的劣化过程．如图2中试样的应力应变曲线所示，在试样达到峰值强度之前，其轴向应变和侧向应变曲线呈非线性．假设当试样应力低于某应力阀值时，应力应变曲线属于线弹性，此时试样处于无损状态；当外荷载超过该应力阀值时，试样不断损伤，其弹性模量等参数逐渐劣变[8]．

按照材料等价假设，受损材料的应力-应变关系可参照无损材料的应力-应变关系获得[8-9]：

式中，D为损伤变量，D=0对应无损伤状态，D=1对应完全损伤状态，0

为了研究水泥砂浆试样三轴压缩下的破坏损伤过程，引入裂纹应变的概念，假定水泥砂浆试样的应变是由弹性应变和裂纹应变两部分组成[8，10]，即

根据水泥砂浆试样三轴试验结果，利用上式损伤计算公式得出了不同围压下的轴向和侧向损伤，并绘制出损伤变量与轴向应变、环向应变之间的关系曲线，如图4所示．由图4可以看出，水泥砂浆试样在三轴压缩状态下，其轴向和环向表现出损伤的程度是不同的，围压2 MPa下试样环向损伤变量约为轴向损伤变量的1.78倍，围压4 MPa下试样环向损伤变量约为轴向损伤变量的1.11倍，6 MPa下试样环向损伤变量约为轴向损伤变量的1.12倍．

图4　三轴压缩试验损伤过程曲线

从不同围压下的损伤变量可以看出，在加载过程中，试样的轴向损伤和侧向损伤均随着应变的增大而增加；而比较不同围压下可知，高围压下的轴向损伤要比低围压下的轴向损伤大，2 MPa下试样达到峰值破坏时轴向损伤为0.34，4 MPa下损伤为0.51，6 MPa下损伤为0.54；说明围压越大，试样峰值破坏时损伤越大．

2.3围压对渗透率的影响

为了便于研究不同围压条件下试样的渗透特性，试样视为连续介质．试样渗透压力为1 MPa，试验过程中实时采集每一时刻通过试样的渗流量．根据达西定律可以推导出渗透率计算公式为

式中，k为试样的渗透率(m2)；V为时刻渗流流体流入体积(m3)；μ为水的动力粘滞系数，μ=1×10-3Pa·s(T=20℃)；L为试样的高度(m)；Δt为时间(s)；A为试样的横截面面积(m2)；ΔP为试样两端渗透压差(Pa)．

试验得出的不同围压下应变-渗透率曲线如图5所示．

图5　渗透率和偏应力与轴向应变的关系

可以看出，在1 MPa渗透水压作用下，随着围压的增加，渗透率明显降低．这是由于围压越大，试样内部的裂隙压密程度越大，而裂隙主要提供流动通道，所以围压越大，渗透率越低．

3个围压下试样随着偏应力的加载，渗透率先减少后增大；这是因为未充分压密的微裂隙在偏应力作用下进一步压密闭合，试样渗透率降低．而随着偏应力的继续增加，试样内部开始损伤，裂纹萌生扩展成为裂隙，试样内部出现大量的连通裂隙，试样渗透率增加．

裂隙是渗流的通道，裂隙是试样内部损伤的结果，随着荷载的增加，试样不断发生损伤．对于渗流过程来讲，损伤的结果使得试样的渗透性增加．在二者之间建立适当的关系，对于研究渗流应力耦合有重要

意义．

当前，渗流应力耦合研究主要集中在建立渗透系数与应力-应变之间的关系方程[10]．谢兴华等[9]人基于损伤理论，推导了类岩石材料损伤与渗透率之间的关系方程，可以用来描述材料损伤过程中的渗透率变化．类岩石材料损失过程中的渗透率演化方程为

Ki=K0(Di=0)

(7)

Ki=K0(10Dj+10Dk)(0

(8)

式中，K0为初始渗透率，Di，Dj为轴向和侧向损伤．

根据上文已经推导出的试样损伤量，利用式(7)和式(8)进行理论渗透率计算，得到了试样的计算渗透率曲线．从图6中可以看出，通过公式计算的到的渗透率曲线和实际试验曲线具有一定的吻合度，说明渗透率和损伤符合上述关系．

图6　三轴压缩试验损伤过程曲线

3结论

本文进行了围压2、4、6 MPa，渗压1 MPa下的水泥砂浆三轴压缩试验，以试验结果为基础，对试样的强度特征、损伤、渗透特性进行了研究，得到以下主要结论：

1)通过绘制出试样在三轴压缩过程中的应力一应变曲线，得出了弹性模量、峰值强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数；随着围压的增加，试样破坏时的强度和应变均增大．

2)当偏应力达到临界值后，试样损伤随着应变的增大而增加；而随围压的增大，高围压下的轴向损伤要比低围压下的轴向损伤大．

3)试样的渗透率与损伤呈指数关系，渗透率随损伤的增大而增加．

参考文献：

[1]常留红，陈建康．单轴压缩下水泥砂浆本构关系的试验研究[J]．水利学报，2007(2)：217-220．

[2]李英华．脆性材料水泥砂浆多轴应力下的动态响应分析[J]．振动与冲击，2011(10)：216-220．

[3]郑文翔，赵延林，王敏．单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究[J]．湖南科技大学学报：自然科学版，2013(4)：1-6．

[4]蒲成志．单轴压缩下多裂隙类岩石材料强度试验与数值分析[J]．岩土力学，2010(11)：3661-3666．

[5]薛云亮．类岩石材料声发射参数与应力和应变耦合本构关系[J]．北京科技大学学报，2011(6)：664-670．

[6]速宝玉，谢兴华，王国庆．水泥砂浆水力劈裂试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2006(S1)：2952-2957．

[7]薛志刚，胡时胜．水泥砂浆在围压下的动态力学性能[J]．工程力学，2008(12)：184-188，201．

[8]谢红强，何江达，徐进．岩石加卸载变形特性及力学参数试验研究[J]．岩土工程学报，2003(3)：336-338．

[9]谢兴华，郑颖人，张茂峰．岩石变形与渗透性变化关系研究[J]．岩石力学与工程学报，2009(S1)：2657-2661．

[10] 朱泽奇，盛谦，张占荣．脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究[J]．岩土力学，2008(8)：2137-2143．

[责任编辑周文凯]

Expermental Study of Mechanical Characteristics of Cement

Mortar under Different Confining Pressures

Ran ShaopengWang SushengXiang Zhipeng

(Geotechnical Research Institute, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractIn order to study the mechanical characteristics of cement mortar, the triaxial compression tests under different confining pressures were conducted. Experimental results show that the peak strength of specimen increases as the confining pressure increase. When deviatoric stress exceeds the critical value, the damage of specimen increases as the deviatoric stress increase. The relationship between damage and permeability can be well described with an exponential function; and the permeability of specimen increases along with the damage increase.

Keywordscement mortar;triaxial compression tests;damage;permeability;strength characteristics

基金项目：国家自然科学基金(51208176)；中国博士后科学基金(2012M511187、2013T60493)

收稿日期：2015-04-09

中图分类号：TU502+.6

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0020-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.004

通信作者：冉少鹏(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩石力学与工程．E-mail：408603872@qq.com