袁 璞，徐 颖

(1.安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

在物理相似模型试验中，选取合理的相似材料及配比往往对模型试验的结果起到决定性的作用［4］。岩土物理相似模型试验常选用颗粒胶结材料作为相似材料，如水泥胶结砂［5］、石膏胶结砂［6］、铁－晶－砂［7－8］。目前，相似材料的研究主要集中于相似材料的静动态物理力学性能方面，较少涉及养护时间。洛锋等［5］分析了相似材料模型制作及试件测试过程中的误差来源。张强勇等［8］研究表明了成型压力对相似材料的静态物理力学性能的影响。当需要考虑岩爆、爆破开挖、地震等动荷载的影响时，就需要掌握相似材料的动态力学特性。袁璞等［9］借助铝质分离式Hopkinson压杆试验装置研究了砂灰比对胶结砂相似模型材料动态单轴抗压强度的影响。

模型试验加载阶段时间相对较长，一般选在相似材料强度变化比较平缓的阶段。为尽可能缩短物理相似模型试验周期、加快模型试验进度，有必要对相似材料的合理养护时间进行研究。目前就相似材料养护时间方面的研究较少，且仅考虑静态抗压强度。如Consoli等［10］研究了养护时间对人工胶结砂静态单轴抗压强度的影响。

本文以砂为骨料、水泥和石膏为胶结剂，配制4种胶结砂相似材料，通过静态单轴压缩和单轴冲击压缩试验研究养护时间对相似材料静、动态抗压性能的影响，得到胶结砂相似材料的合理养护时间。单轴冲击压缩试验在铝质分离式Hopkinson压杆装置上进行，养护时间分别为7 d、14 d和21 d。

1 胶结砂相似材料静态力学性能

1.1 胶结砂相似材料制备

在物理相似模型试验中，相似材料的力学性能由相似准则和原型材料的力学性能确定，模型相似材料优选来源丰富、价格低廉的原材料［3］。试验用胶结砂相似材料由砂、P.C 32.5复合硅酸盐水泥、石膏和水按比例拌合而成。试验用砂粒径不大于1.18mm。将拌合后混合料放入自制模具中，并用一定的压力压实，经养护一段时间后拆模，覆膜养护。

胶结砂相似材料静态力学试验采用φ50mm×100mm的圆柱体试件，静态力学试验设计了4种配比和3个养护时间。养护时间分别为7 d、14 d和21 d。每组制作3个平行试件，试验结果取3次试验平均值。静态力学试验加载速率为0.8mm/s，加载过程见图1。

图1 静态试验加载示意图Fig.1 Schematic diagram for static loading test

为研究养护时间对胶结砂相似材料静态力学性能的影响，对不同养护时间和不同配比胶结砂相似材料试件实施单轴压缩试验，试验结果见表1。

表1 不同养护时间胶结砂相似材料基本物理力学性能Tab.1 Basic physical-mechanicalproperties of cemented sand similar material in various curing times

1.2 养护时间对静态力学特性影响

为得到养护时间对胶结砂相似材料静态物理力学性能的影响，对表1中4种不同配比相似材料的静态试验结果进行分析，以养护时间为横坐标，胶结砂相似材料静态抗压强度和纵波波速为纵坐标，绘制散点图，见图2和图3。

将手术病理检查结果作为金标准,计算出感兴趣区域小于病灶大小两倍以及感兴趣区域大于等于病灶大小两倍时,乳腺恶性病变的检查准确性、误诊率。

图3 纵波波速随养护时间变化曲线Fig.3 Curve of longitudinal wave velocity to curing time

对于胶结砂相似材料，其强度主要来自于砂颗粒间少量的水泥颗粒和石膏颗粒胶结［11－12］。随着养护时间的增长，胶结砂相似材料中水泥和石膏的水化进程不断进行，砂颗粒间的胶结强度不断增强，同时水化产物也会填充砂颗粒的孔隙，增加相似材料的密实性。因此，4种配比胶结砂相似材料的静态抗压强度和纵波波速均随着养护时间的延长而增加。

2 胶结砂相似材料动态力学性能

2.1 试验装置及试件制备

采用φ37mm铝质分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置对胶结砂相似材料实施在3种养护时间下的单轴冲击压缩试验，试验在安徽理工大学冲击动力学实验室进行，试验撞击杆为800mm，输入杆和输出杆均为2000mm。

由于胶结砂相似材料波阻抗较低，仅为铝质压杆材料波阻抗的24%～31%，试验采用半导体应变片技术测量微弱的透射信号［13－14］。凡士林被用作整形器，涂抹于入射杆杆端，改善入射脉冲加载波形，延长入射脉冲加载升时，试验实际采集入射波、反射波和透射波三个波形电压信号见图4。由于半导体应变片灵敏系数是普通箔式电阻应变片灵敏系数的50倍左右，故图4中透射波信号较明显。

图4 单轴冲击压缩试验采集波形Fig.4 Actual measured waveform in impact uniaxial compression test

在单轴冲击压缩试验中，将胶结砂相似材料加工成φ37mm×19mm的圆盘形试件，见图5，此时试件惯性效应和摩擦效应较小［15］。制作时，试件两端表面不平行度和表面平整度分别控制在0.05mm和0.02mm以内。

图5 胶结砂相似材料试件Fig.5 Cemented sand similar material specimens

2.2 单轴冲击压缩试验结果

在3种养护时间下对4种配比胶结砂相似材料试件实施单轴冲击压缩试验。由于胶结砂相似材料的非均质性，为减少SHPB试验结果的离散性，试验时选择密度与纵波波速均相近的胶结砂相似材料试件进行试验。为研究养护时间对胶结砂相似材料动力学特性的影响，同一配比条件下取相同应变率下的动态试验结果进行比较。图6为胶结砂相似材料在应变率约为305 s－1和260 s－1时的动态应力 － 应变曲线。

2.3 养护时间对动态抗压强度影响

在应变率约为305 s－1和260 s－1时4种配比胶结砂相似材料平均动态单轴抗压强度随养护时间变化见图7。

从图6、图7可以看出，在应变率一定的条件下，随着养护时间的增长、水泥和石膏水化反应的进行，胶结砂相似材料的单轴动态抗压强度逐渐增加，材料的峰值应变逐渐变小。且7 d到14 d强度增长速率较快，14 d到21 d强度增长速率较慢，如M－1相似材料在应变率为 258 s－1条件下 7 d、14 d、21 d 平均单轴动态抗压强度分别约为 4.78MPa、5.68MPa、6.53MPa，平均动态峰值应变分别约为 0.482、0.351、0.342。

当应变率约为260 s－1时，对比4种配比相似材料单轴动态抗压强度，发现相似材料平均单轴动态抗压强度随相似材料中水泥含量的增加而增强，也即随砂灰比减小而增强。

2.4 养护时间对动态强度增长因子影响

为对比不同养护时间4种配比胶结砂相似材料静动态单轴抗压强度，引入抗压强度动态增长因子DIF［16］进行分析，并定义抗压强度动态增长因子DIF为:

式中:σd、σS分别为胶结砂相似材料的动、静态单轴抗压强度，MPa。

在试验加载应变率约为305 s－1和260 s－1条件下，胶结砂相似材料抗压强度动态增长因子随养护时间变化见图8。

图8表明，在试验应变率条件下，养护7 d时，胶结砂相似材料抗压强度动态增长因子DIF最大。随着养护时间的延长，胶结砂相似材料抗压强度动态增长因子DIF大体上呈现出逐渐降低的趋势，且砂灰比越大，胶结砂相似材料抗压强度动态增长因子DIF越大，下降趋势也越明显。

图6 不同养护时间胶结砂相似材料动态应力－应变曲线Fig.6 Dynamic stress-strain curves for cemented sand similar material specimens under various curing times

图7 动态单轴抗压强度随养护时间变化曲线Fig.7 Curve of dynamic uniaxial compressive strength to curing time

图8 胶结砂相似材料DIF随养护时间变化曲线Fig.8 Curve of DIF to curing time of cemented sand similar material

当应变率为260 s－1时，对比4种配比相似材料的抗压强度动态增长因子DIF，发现相似材料M－4的抗压强度动态增长因子DIF最大，然后依次是相似材料M －3、M －2、M －1。

3 分析

试验用胶结砂相似材料采用复合硅酸盐水泥和石膏作为胶结剂，胶结砂相似材料中的水泥颗粒和石膏颗粒逐渐与水发生水化反应，水化产物胶结并填充砂颗粒间的空隙，使胶结砂相似材料结构致密。随着养护时间的延长，胶结砂相似材料中水泥和石膏的水化进程不断进行，胶结砂相似材料的弹性纵波波速逐渐增加，且7 d至14 d增长速率明显较14 d至21 d增长速率大。

静、动态单轴压缩试验结果表明，胶结砂相似材料的静、动态单轴抗压强度均随养护时间的延长而增加;且7 d至14 d增长速率也较14 d至21 d增长速率大。这与胶结砂相似材料中胶结材料的水化过程相关。

随着养护时间的延长，水化进程的不断进行，胶结砂相似材料中的水泥和石膏胶结颗粒逐渐减少，水化反应趋于停止［17］，因此胶结砂相似材料强度增长在7 d至14 d增长速率较快，14 d至21 d增长速率较慢。为缩短物理相似模型试验周期，加快模型试验进度，合理的物理模型养护时间应为14 d。

4 结论

通过不同养护时间和配比的胶结砂相似材料静、动态单轴压缩试验，研究了养护时间对胶结砂相似材料抗压性能的影响，得到以下结论:

(1)随着养护时间的延长，胶结砂相似材料中胶结材料水化产物填充砂颗粒间的空隙，其纵波波速逐渐增加。

(2)胶结砂相似材料的静、动态单轴抗压强度均随养护时间的延长而增加;且7 d至14 d增长速率较14 d至21 d增长速率大。合理的模型材料养护时间为14 d。

(3)在本次试验应变率条件下，随着养护时间的延长，胶结砂相似材料抗压强度动态增长因子和动态峰值应变大体上呈现出逐渐降低的趋势。

(4)砂灰比越小，胶结砂相似材料中胶结材料越多，其静、动态单轴抗压强度越高，抗压强度动态增长因子越小。

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