胡良明 贾欣 张长辉 高丹盈

摘要：基于15种配合比制作21组塑性混凝土立方体试件，进行定侧压三轴试验，实测三轴受压荷载作用下试件的应力应变曲线，分析不同因素对塑性混凝土三轴受压应力应变关系的影响。结果表明：当应力水平较低时，水胶比、砂率、黏土用量及膨润土用量对塑性混凝土的应力应变关系影响不大，塑性混凝土的应变随着围压的增大而增大；当应力水平较高时，在应力相同的情况下，水胶比、黏土用量、膨润土用量的增大导致塑性混凝土应变逐渐增大，砂率的增大导致塑性混凝土应变逐渐减小；当应变相同时，塑性混凝土应力水平随着砂率、水泥用量、围压的增大而升高，随着水胶比、黏土用量及膨润土用量的增大而降低。

关键词：三轴试验；应力应变关系；配合比；塑性混凝土

中图分类号：TV431.9：TUs28

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.031

塑性混凝土是用黏土或膨润土取代普通混凝土中部分水泥而形成的一种介于普通混凝土与黏土之间的柔性工程复合材料，有时为了改善塑性混凝土的性能、节约水泥、降低工程投资，还会掺人粉煤灰和外加剂等。塑性混凝土具有流动性好、强度低、弹性模量小、变形大和抗渗性能可控等优点，近年来已被广泛应用于水利工程、高层建筑基础防渗工程、垃圾填埋工程和污水处理工程中。20世纪70年代以来，国外学者对塑性混凝土进行了大量的试验研究。Uzomakao J研究了水胶比对塑性混凝土强度、峰值应力与峰值应变关系的影响：Khristova Y等利用超声波技术对塑性混凝土的动态特征变化进行了研究：Evans J C等的试验研究表明，塑性混凝土与其他防渗墙材料相比具有适宜的强度和较低的渗透系数，抵御有机物侵蚀的能力较强，有良好的抗渗性能和优异的耐久性能，适合工程应用：Ahmad Mahboubi等进行了塑性混凝土三轴试验：Hinchbergers S等对塑性混凝土的基本力学性能以及裂缝的形成原因、裂缝深度计算、防止裂缝扩展等进行了试验研究和理论分析。我国对塑性混凝土的试验研究工作起步虽然比国外晚一二十年，但进展非常迅速。清华大学于玉贞对塑性混凝土的特性尤其是围压对塑性混凝土力学性能的影响以及在高坝中的应用进行了理论分析：郑州大学李清富等对塑性混凝土进行了配合比和基本力学性能方面的试验研究：清华大学邓明基结合东平湖防渗工程进行了黏土塑性混凝土和膨润土塑性混凝土单轴压缩力学性能的研究：南昌大学王宣子对塑性混凝土的基本力学性能、工作性能及耐久性进行了试验研究：武汉理工大学胡瑜明进行了塑性混凝土的高性能优化研究。

在工程应用中，混凝土的应力状态很少出现单轴受压或受拉的情况，一般处于三维受压状态，且三个方向主应力值不等（σ1≠σ1≠σ3），因此，需要通过三轴试验才能较好地反映其受力性能和破坏特征。由于塑性混凝土原材料的性质和组成差别很大，其力学性能复杂、多变而且具有很大的离散性，其多轴强度和变形又随三轴应力状态的不同而有很大差异，因此需要从混凝土原材料的性质、组成和制备工艺等原始条件研究其三轴力学性能。目前，较现实和合理的方法是通过试验直接测定，然而国内外针对塑性混凝土进行的真三轴试验还很少，因此有必要分析水胶比、砂率、水泥用量、黏土用量、膨润土用量在不同围压情况下对塑性混凝土三轴受压应力应变关系的影响，为塑性混凝土的理论分析及工程应用提供试验依据。

1 试验原材料

试验采用42.5号普通硅酸盐水泥、河南信阳平桥生产的钙基膨润土、郑州郑东新区龙子湖成湖区的粉质黏土，并将粉质黏土取回晾干后以350目的粒度标准磨细至粉状。以上材料各项指标均符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的规定。试验所用粗骨料为粒径5～20mm的碎石：细骨料为天然河砂，细度模数为2.7，属中砂，级配曲线位于Ⅱ区。粗细骨料均满足《建设用砂》（GB/T14684-2011）和《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2015）的要求。

2 塑性混凝土配合比设计方案

塑性混凝土试验参数包括砂率、水胶比、水泥用量、黏土用量、膨润土用量等，本次试验的配合比设计采取质量法，即以1m3混凝土中各组成材料的质量表示，如水泥336kg、砂654kg、石子1215kg和水195kg，单方材料质量假定为2050kg。为达到最优设计，在确定最终配合比的过程中，边浇筑边调整，以避免出现拌和物太离析的情况。试验的最终配合比及参数变化情况见表1。

本次试验混凝土配合比设计主要确定水胶比、砂率、单位用水量3个参数。这三个参数与塑性混凝土的各项性能之间有着密切的关系。水胶比是水与胶凝材料之比，胶凝材料是指水泥、黏土和膨润土；砂率是砂与砂石总量之比：水泥浆与骨料之间的比例关系常用单位用水量来反映。具体配合比设计方案见表2。

3 试验方法

根据表2中的15种配合比，共制作了21组150mmx150mmx150mm立方体塑性混凝土试件。其中：15组用于测试配合比参数对三轴受压的影响，每组3个同一参数发生变化的试件：另外6组用于测试不同围压比对三轴受压的影响，每组3个特定配合比（WB075、WB087、S04、S06、CL220、Bl00）的试件。试件浇筑成型后在标准养护条件下进行养护，养护龄期为540d。此时，塑性混凝土的强度发展趋于稳定，可以忽略试验过程中龄期对强度的影响。

采用LY-C拉压真三轴仪进行塑性混凝土的三轴受压试验。其单轴最大压力为450kN、单轴最大拉力为75kN，荷载误差小于5%。设备压力室由下方固定柱头、左右前后和上方5个活动柱头合围而成，通过气压控制设定和调整各轴荷载目标值，通过油压控制施加荷载，3个方向上的荷载独立控制、垂直正交。试样侧面对称布置位移计，计算机自动采集位移数据。

试验为定侧压的三轴受压试验，在进行三轴抗压破坏试验时，同时施加σ1、σ2、σ3，使σ1、σ2，至预定围压值保持不变，继续施加σ3直至試件破坏，σ3方向的应力峰值即为三轴抗压强度。单轴抗压强度测试参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行。取3个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度（精确至0.1MPa）；3个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍去，取中间值作为该组试件的抗压强度：如最大值和最小值与中间值之差均超过中间值的15%时，则该组试件的试验结果无效。

试验条件以塑性混凝土心墙坝为例进行模拟，结合工程经验，设定三种围压情况：①σ1=0.2MPa、σ2=0.4MPa；②σ1=0.4MPa、σ2=0.6MPa；③σ1=0.4MPa、σ2=0.8MPa。

4 试验结果及分析

4.1 水胶比的影响

水胶比变化时，塑性混凝土在不同围压情况下的三轴受压应力应变关系曲线见图1。由图l可见：应力相同时，塑性混凝土水胶比较大时，其应变也较大：应变相同时，塑性混凝土水胶比较大时，其应力水平较低：当应力水平较低时，应变增长较为迅速，表现出较大的初始变形，但水胶比对塑性混凝土应力应变关系的影响不明显：随着水胶比的减小，应力应变曲线的初始斜率逐渐增大，破坏应力逐渐提高。

4.2 砂率的影响

砂率变化时，塑性混凝土在不同围压情况下的三轴受压应力应变关系曲线见图2。由图2可见，除围压①情况下S05试件外，总体上呈现如下规律：应力相同时，塑性混凝土砂率较大时，其应变较小：应变相同时，塑性混凝土砂率较大时，其应力水平较高：当应力水平较低时，砂率对塑性混凝土应力应变关系的影响不明显。

4.3 水泥用量的影响

水泥用量变化时，塑性混凝土在不同围压情况下的三轴受压应力应变关系曲线见图3。由图3可见：塑性混凝土的弹性模量随水泥用量的增加而减小：应力水平较高时，应变相同情况下，水泥用量较大时，塑性混凝土应力水平较高。

4.4 黏土用量的影响

黏土用量变化时，塑性混凝土在不同围压情况下的三轴受压应力应变关系曲线见图4。由图4可见：塑性混凝土的黏土用量为180、220kg/m3时，其应力应变关系几乎一致：应变相同情况下，黏土用量为260kg/m3时的应力水平较黏土用量为180、220kg/m3时的低；应力水平相同情况下，黏土用量为260kg/m3时的应变较黏土用量为180、220kg/m3时的显著增大；当应力水平较低时，黏土用量对塑性混凝土应力应变关系的影响较小。

4.5 膨润土用量的影响

膨润土用量变化时，塑性混凝土在不同圍压情况下的三轴受压应力应变关系曲线见图5。由图5可见：当应力水平较低时，膨润土用量对塑性混凝土的应力应变关系影响不大：当应力水平较高时，除围压③情况下B40试件外，总体上呈现应变随膨润土用量的增大而增大。

4.6 围压的影响

在配比相同情况下，不同围压塑性混凝土三轴受压应力应变关系曲线见图6。由图6可见：围压②和围压③情况下的塑性混凝土应力应变关系几乎一致：与低围压（围压①）相比，高围压下的应力应变曲线的上升段斜率更大，峰值压力有所提高：应变相同情况下，围压①情况下塑性混凝土承受的应力水平比围压②和围压③情况下的应力水平低：应力水平相同情况下，围压①情况下塑性混凝土产生的应变比围压②和围压③情况下的应变要大。

5 结论

（1）当应力水平较低时，水胶比、砂率、黏土用量以及膨润土用量对塑性混凝土的应力应变关系影响不大：随着水泥用量的增加，塑性混凝土的弹性模量减小。

（2）在应力水平较高时，应力相同的情况下，水胶比、黏土用量、膨润土用量的增大导致塑性混凝土应变逐渐增大，砂率的增大导致塑性混凝土应变逐渐减小。

（3）当应变相同时，塑性混凝土砂率、水泥用量越大其应力水平越高，水胶比、黏土用量、膨润土用量越大其应力水平越低。

（4）围压②和围压③情况下的塑性混凝土应力应变关系几乎一致，与围压①相比，高围压下的应力应变曲线的上升段斜率更大，峰值压力有所提高：应变相同时，塑性混凝土承受的应力水平随围压的减小而降低：应力水平相同时，塑性混凝土产生的应变随围压的减小而增大。