深部岩体地质力学模型试验相似材料脆性的调整和表征

戴银所，王明洋，严泽臣，吴兰冬，范鹏贤

（解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京210007）

深部岩体地质力学模型试验相似材料脆性的调整和表征

戴银所*，王明洋，严泽臣，吴兰冬，范鹏贤

（解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京210007）

峰后脆性是深部岩体岩爆、分层断裂等变形破坏的决定性因素之一，因此深部岩体地质力学模型试用相似材料必须要重点考虑峰后脆性。在分析无机材料脆性机理的基础上，提出通过调整骨料粒径和水泥矿物组成以及使用掺合料等技术手段来调整水泥基相似材料的脆性；以石英砂—水泥—硅灰—水体系相似材料的破坏变形特征参数为基础，采用表观弹性模量来描述相似材料变形阶段的脆性，该参数具有数据处理简单、物理意义直观等优点。

深部岩体；相似材料；脆性；机理；调整；表观弹性模量

1　概述

随着开挖深度的增加，围岩基本行为特性与浅部岩体相比均发生了根本变化。深部岩体在微观水平上集聚和储存了可观的能量，这些能量在一定条件下可转化成宏观水平上的变形或破坏，导致岩爆、分区破裂、大变形等非线性力学行为。有些人认为深部岩体的破坏更多地表现为动态的突然破坏，即岩爆。此时岩石表现的实际就是它的峰后强度特性，峰值只是岩体的破坏点，并不会发生突然的失稳破坏，岩爆发生在峰后阶段［1］。岩石的脆性破坏是岩爆发生的必不可少的先决条件之一。

地质力学模型试验是研究深部岩体力学的重要手段，而相似材料的选择是影响模型试验科学性的基础，对相似材料物理力学性能的研究及其与岩石变形破坏过程的相似性是地质力学模型试验科学性的主要制约因素。相似材料一般是由骨料、胶结料、填料组成的复合材料，各组分的化学成分和物理构造不同，系统的性质既可以通过调节组分的性质和比重来影响，又受各组分之间的相互作用的影响。理想的模型试验相似材料需要具备以下特点：能模拟岩石在变形破坏过程中的细、微观结构变化和体积膨胀特征；能模拟岩石变形破坏的时效特性；能模拟在压力环境下储能并在卸载时或卸载后释放等。

2　无机（水泥基）相似材料的脆性控制

2.1水泥类相似材料脆性产生机理

水泥基材料和深部岩石有相当多的共性，它们都是由体积较小的矿物颗粒组成，它们都是非均质的，都含有大量的缺陷和裂纹，而且多数是脆性破坏［2］。水泥基材料折压比通常在1/10～1/20，而随着强度的提高，其脆性会进一步突出；在超高强水泥混凝土抗压试验中，试件破坏常伴随着突然的爆裂现象，这种特点正好可以模拟深部岩体的岩爆等脆性破坏现象。另外，水泥类相似材料具有原材料来源丰富、价格低廉、性能稳定、无污染等优点而被广泛使用。

由于水泥混凝土属于多相组织结构，其力学性能受到基相、分散相以及界面结合强度的综合制约和影响。在水泥混凝土中微裂主要有3种：骨料与水泥石的黏接面上的裂缝，主要沿骨料周围出现；水泥砂浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间；骨料本身的裂缝［3］。由于各级裂缝的不同尺寸，在同样应力状态下，骨料和砂浆的结合面必先发生裂纹扩展，其次是砂和水泥浆的结合面开裂，最后裂纹进入硬化水泥浆体。这一过程的发展决定了水泥混凝土材料的破坏必然是一个较长的结构变化过程。

2.2调整无机相似材料脆性的方法

2.2.1改变裂缝发展历程

在外部加荷载以前，由于施工或养护等原因，混凝土内部就存在大量裂缝或空隙。虽然水泥混凝土的断裂主要是水泥石开裂，但混凝土的脆性却比水泥石低。这主要是因为混凝土中裂缝扩展时常需绕粗骨料而行，从而使其断裂面增加；加之混凝土中有许多薄弱的界面过渡区，会形成许多界面裂缝，因此，混凝土断裂时所需断裂能比水泥石要多。断裂能和特征长度显著依赖于集料的最大尺寸，这2个参数值都随集料尺寸的增大面增大，由此可见，粗骨料对于混凝土脆性有着显著的影响。总的规律是随着抗压强度的增加，脆性系数就越大；因此，随着龄期的增长，脆性系数也相应增大。在水泥混凝土中的裂缝通常沿粗集料周围扩展使得断裂路径更曲折，使得脆性降低；因此，为了提高脆性，需要减少粗大骨料粒径，达到降低裂纹的扩展路径，减少断裂表面和特征长度的目的；表现在高强混凝土的弹性模量和抗压强度随着粗骨料粒径的增大而减小［4］。

2.2.2调整水泥水化产物晶态

水泥水化产物的结构形态包括凝胶体和结晶体；结晶体比凝胶体具有更大的脆性。Ca（OH）2晶体为六方板状结构，层间为分子键，脆性大。在3CaO·SiO2和2CaO·SiO2水化产生凝胶体的同时，也生成Ca（OH）2晶体，3CaO·SiO2比2CaO·SiO2产生的Ca（OH）2多，因此水泥中的3CaO·SiO2含量大，水泥浆体脆性也越大；3CaO·Al2O3水化产物为立方铝酸钙晶体，在Ca（OH）2溶液中能够进一步反应生成钙矾石结晶体；在液相Ca（OH）2浓度很低时，形成的钙矾石结晶速度慢，晶体能够成长很大，此时如果石膏的浓度增加，晶体变得粗壮，粗大的晶体脆性大；4CaO·Al2O3·Fe2O3水化时不仅消耗一定量的Ca（OH）2，同时还生成凝胶。因此，为了提高水泥脆性，应尽量降低水泥中的2CaO·SiO2和4CaO· Al2O3·Fe2O3含量，而提高3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3含量［5］。同样，随着龄期的增长，脆性系数也相应增大［6］。

掺合料对水泥混凝土脆性的影响比较复杂［7］。在水泥基相似材料中掺加混合材后，由于掺合料的稀释作用和二次水化作用，降低了水泥液相中的Ca（OH）2含量，此时Ca（OH）2和AFt的结晶缓慢，容易生长出粗大的颗粒；同时，掺合料水化凝胶体能够填充更多的孔隙，因而能够改善骨料表面的粘着裂缝，使得裂缝形成的绕行线路缩短，因而增加相似材料的脆性。

2.2.3养护条件的影响

在水泥基相似材料中水泥是胶凝材料，而水泥是水硬性胶凝材料，其水化时必须有水参与，如果制备的模型是在空气中自然养护，其能够参与水化的水仅为配制时的拌合水，理论上上这部分水是能够保证水泥完全水化。硅酸盐水泥的理论需水量为水胶比0.24，而实际配制时水胶比一般都不会小于0.3，因此在养护时只要保证拌合水不挥发，水泥水化就能够达到设计的强度；但如果在水中养护，水泥水化速度快，强度形成就快。

3　无机材料脆性表征方法

3.1常用表示方法

关于混凝土脆性的评价一直是相关研究的重点，各研究团队提出了不同的脆性评测体系，但这些方法并不统一，如以折压比、脆性比、断裂韧性指数、弯曲韧性指数、储能系数、脆性系数等作为硬脆特性指标。对于不同的评测体系各有优缺点，由于采用了不同的试验方法和不同的评测指标参数，因此实验结果没有可比性。

3.2表观弹性模量表征相似材料的脆性

实际岩体特别是深部岩体，在应力—应变过程的峰前整个过程中，弹性阶段仅占一部分，为了能够综合反映整个峰前阶段的变化特点，不仅要求能够反映弹性阶段，也要求能够反映非弹性阶段，因此，作者采用表观弹性模量来表征峰前整个阶段的变形性能。

定义相邻两测点间连线的斜率为表观弹性模量，即从开始弹性变形的应力与最大应力之差Δσ与从弹性变形开始到极限压力时试样的变形量Δε之比：

E′=Δσ/Δε

式中：Δσ——该段的应力差值；

Δε——应变差值。

峰前阶段表观弹性模量可以直接使用试验机测试应力应变曲线上分析结果，即最大值位移、最大值力值减去弹性起始点的位移、力值；而峰后下降阶段取拐点的位移、力值减去最大值位移、最大值力值。

表观弹性模量越大脆性越大。这种表述方法直观，易于计算，通过软件设置也可以直接在测试系统中显示出来，而且基本能够综合反映弹性阶段和非弹性阶段综合变化特点。从其应力—应变关系图线可直观地反映出其脆性大小，应力—应变曲线下降段越陡表示混凝土的脆性特征越显著。在此基础上，可以继续探索采用峰前、峰后表观弹性模量的“和”或者“比值”来综合反映脆性性能。

下面以石英砂—水泥—硅灰—水体系配制相似材料的测试结果进行探讨。

相似材料的配合比如表1所示。试样尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，在空气中干燥养护24d，在SANS公司生产的型号为PowerTest V3.0C的MTS试验机上进行单轴抗压强度测试，并用MTS试验机自带软件进行数据分析。测试结果如表2所示。

从表2可以看到：根据弹性模量定义可以计算出该材料的弹性模量（以峰前阶段的弹性阶段的应力除以应变计算而得），而这一弹性段曲线在峰前整个阶段仅占1/2～1/4，而大部分非弹性阶段变形情况就必须要采用其他的原理进行描述和计算，这样非弹性阶段分析数据就有可能与弹性模量的物理意义存在差异距，导致整个峰前变形阶段的描述就不尽科学。而采用表观弹性模量进行描述，在曲线比较光滑的情况下，不仅物理意义非常明确，而且数值上与弹性模量差距有限，该差距也正好反映峰前弹性阶段与非弹性阶段的比例。一般峰前表观弹性模量都小于弹性模量，在表2中前者为后者的70%～95%，该值越大表明峰前阶段非弹性变形阶段越少，材料脆性就越大。峰后表观弹性模量又小于峰前表观弹性模量。

表1　石英砂—水泥—硅灰—水配合比

表2　石英砂—水泥—硅灰—水体系相似材料的破坏变形特征参数（养护10d）

采用表观弹性模量对破坏阶段的脆性进行描述的方法具有物理意义直观、计算简单的优点；虽然该评价方法相对于已有的评价方法过于简单，但在相似材料的研制过程中该参数却非常适应，只用于比较峰型的特点，从而能够大幅度减少理论计算的工作量，加快相似材料的研制效率。

4　结论

（1）峰后脆性是深部岩体岩爆、分层断裂等变行破坏的决定性因素之一，因此深部岩体地质力学模型试验用相似材料必须要重点考虑这种脆性；在配制深部岩体地质力学模型试验相似材料时，在必须满足表观密度、强度、弹性模量等相似条件的基础上，建议必须满足峰后脆性的相似条件；

（2）通过改变骨料粒径、水泥矿物组成以及使用掺合料，采用不同的养护方法等技术手段，都可以对水泥基相似材料的脆性进行调整；

（3）采用表观弹性模量来描述相似材料变形阶段的脆性，能够综合反映弹性阶段和非弹性阶段的变形破坏情况，具有数据处理简单、物理意义直观等优点。

［1］李长洪，蔡美峰，乔兰，等.岩石全应力—应变曲线及其与岩爆的关系［J］.北京科技大学学报，1999，21（6）：513-515.

［2］赵斌，王芝银，伍锦鹏.矿物成分和细观结构与岩石材料力学性质的关系［J］.煤田地质与勘探，2013，41（3）：59-64.

［3］姜从盛，轻质高强混凝土脆性机理与改性研究［D］.武汉理工大学，2010.

［4］林辰，金贤玉，李宗津.粗骨料粒径和硅灰对混凝土断裂性能影响的试验研究［J］.混凝土，2004（10）：32-34.

［5］曾力，刘数华，吴定燕.水泥矿物成分和掺合料对砂浆脆性的影响［J］.水力发电学报，2003（2）：74-79.

［6］林辰，金贤玉，李宗津.影响混凝土断裂性能若干因素的试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2004（5）：7-9.

［7］肖忠明，郭俊萍，宋立春，等.混合材对水泥浆体脆性的影响及其机理的研究［J］.水泥，2011（8）：15-17.

Brittleness Adjustment and Its Characterization of Equivalent Material of Geo-Mechanical Model Test for Deep Rock Mass

DAI Yin-suo，WANG Ming-yang，YAN Ze-chen，WU Lan-dong，FAN Peng-xian
（State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact，PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007，China）

On the basis requirement of equivalent material of geomechanical model test for deep rock，the process of deformation and failure characteristics especially the post-peak brittleness should be studied；Based on analyzing the breakage mechanism of inorganic materials，technology method are put forward to improve the brittleness of inorganic equivalent materials such as adjusting the aggregate size and chemical composition of cement，using the different admixture.The apparent modulus is adopted to character the brittleness which has the virtues of easy numeration and intuition.

deep rock mass；equivalent material；brittleness；mechanism；adjustment；apparent modulus

P554

A

1004-5716（2016）10-0001-04

2015-10-31

2015-11-06

中国博士后科学基金资助项目（2014M562586）；理工大学国防工程学院铸城基金资助项目（FYZCJJ201508）。

戴银所（1971-），男（汉族），安徽无为人，讲师，现从事新型建筑功能材料的教学、科研等工作。