不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变特性

陈国庆; 简大华; 陈宇航; 万亿; 林之恒

doi:10.11779/CJGE202104008

不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变特性 English Version

1.
成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川　成都　610059
2.
中铁二院工程集团有限责任公司,四川　成都　610031

基金项目:

国家自然科学基金项目 41972284

国家自然科学基金项目 41521002

中铁二院工程集团有限责任公司科研项目 KYY2019066（19-20）

详细信息

作者简介:
陈国庆(1982—),男,教授,主要从事岩石力学、地质灾害防治研究工作。E-mail: chgq1982@126.com

中图分类号: TU458
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-16
- 网络出版日期: 2022-12-04
- 刊出日期: 2021-03-31

Shear creep characteristics of red sandstone after freeze-thaw with different water contents

1.
State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
2.
China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China

摘要

摘要: 针对高海拔地区岩体在冻融作用及含水状态下的劣化特征及长期稳定性,对不同含水率红砂岩进行了冻融后核磁共振检测及剪切蠕变试验,揭示了冻融循环及含水率变化对红砂岩细观结构及蠕变特性的影响机制,据此构建合理的剪切蠕变模型。研究结果表明：在冻融作用下,饱水红砂岩呈现出由小尺寸孔隙增长向中小尺寸孔隙共同增长的趋势,而饱和红砂岩主要以中、大孔隙增长为主。在长期荷载作用下,随着含水率的增加,冻融后红砂岩的蠕变量普遍增大,而长期强度及长期折减系数显著降低,破坏前试样更易出现加速蠕变特征,破坏后试样宏观形态更为碎裂。根据红砂岩的冻融损伤及时效性损伤效应,建立了红砂岩冻融剪切蠕变模型,并对模型进行了参数优化辨识,借此验证了模型的正确性及合理性。研究结果对于冻融岩质灾害的防控和评价具有参考价值。
- 剪切蠕变 /
- 含水率 /
- 冻融 /
- 红砂岩 /
- 本构模型
Abstract: According to the deterioration characteristics and long-term stability of rock mass in high altitude under the action of freeze-thaw and in water-saturated state, the nuclear magnetic resonance (NMR) technique is used to test the red sandstone samples subjected to freeze-thaw cycles under different water contents, and the shear creep experiments are conducted. Based on the experimental phenomena, the effects of freeze-thaw cycles and water content on the microstructure and creep characteristics of red sandstone are analyzed, and a reasonable creep model is proposed. The results show that the microstructure of wet red sandstone evolves from the main increase of small-size pore to the mutual increase of small-size pore and mesopore with the increasing freeze-thaw cycles, while the mesopore and macropore propagate mainly inside the saturated red sandstone. With the increase of water content, the creep strain of red sandstone generally increases, while the long-term strength and long-term reduction coefficient decrease significantly, the accelerated creep characteristics of red sandstone appear more easily before rock failure, and the macroscopic modes become more fragmented after rock failure. Considering the effects of freeze-thaw damage and time-dependent damage, a new shear creep model for red sandstone subjected to freeze-thaw cycles is established. The parameters of the model are identified by applying the 1stOpt mathematical analysis software, and the correctness and rationality of the model are verified. The research results have reference value for the prevention and evaluation of rock disasters in cold regions.
- shear creep /
- water content /
- freeze-thaw /
- red sandstone /
- constitutive model

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0.   引言

在水利工程建设与湖泊、河道的清淤疏浚过程中会产生大量的高含水率疏浚淤泥。在工程上因其力学性质差难以直接利用,通常进行抛泥处理,造成大量的资源浪费和严重的环境污染。水泥固化法处理高含水率淤泥,在填海工程中被大量使用^[1]。在水泥固化土的研究中,有学者就水泥固化土强度影响参数方面展开了研究,也有学者为提高水泥土材料的力学特性,研究了掺入其它材料的影响^[2-4]。

另一方面,中国每年产生的废弃砖块约占建筑垃圾总量的30%～50%。关于废砖细骨料再生研究中,Letelier等^[5]利用再生骨料和废砖粉作为水泥替代品,研究了结构混凝土的力学性能。Kumar等^[6]利用废砖细骨料、混凝土细骨料和pozzol烷材料制备砌块,测试了砌块养护28 d后湿压强度、吸水率和吸湿率等特性。中国目前仍存在建筑垃圾排放量大,回收利用率低等问题^[7]。

在疏浚土等不良土的处理方法中,还可掺混不同粒径的砂土,通过改变粒径级配达到改善不良土力学特性的目的^[8]。基于此,本文在传统水泥固化土方法基础上提出用水泥-废砖细骨料双掺固化处理高含水率黏土的方法,通过测定不同龄期和不同配合比试样的无侧限抗压强度,分析了双掺固化土的应力-应变关系、抗压强度-破坏应变关系及废砖细骨料的掺入对强度的影响。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

（1）通过预试验确定本试验所用细骨料的粒径范围为2～5 mm,密度1.306 g/cm³,吸水率为10.57%。

（2）所取原状土的物理力学性质指标见表1,通过加入水使其达到本文所设计的含水率72.4%。

表 1 黏土的物理力学性质指标

Table 1. Physical and mechanical properties of clay

含水率/% 孔隙比液限/% 塑限/% 液性指数塑性指数

32.06 0.397 55.11 15.11 0.42 40.00

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（3）采用工程上常用的普通硅酸盐水泥,即P.O 42.5R水泥。

1.2   试验方法

考虑废砖细骨料掺量分别为0%,8%,10%和12%,水泥掺量分别为6%,8%和10%（均为黏土干质量的百分比）等多种情况,设置7 d和28 d两种养护龄期。每组配合比条件下分别制作3个压缩试样,测定其无侧限抗压强度。试样的制备步骤如下：

（1）混合底泥进行搅拌。加入计算所需的相应固化剂和细骨料,使用搅拌器匀速搅拌5 min制备一定含水率的黏土-水泥-废砖细骨料混合物,搅拌均匀后制成混合泥浆。

（2）开展试样制作。为方便后期脱模,在装入混合料前,在模具（直径为3.91 cm,高度为8 cm）内壁均匀涂上一层凡士林。将制备好的混合泥浆,分3次延模具壁一侧缓缓滑入,一次倒入1/3模具容积,每次倒入后作一段时间振捣,使小气泡从表面破出,避免内部气泡间隙对试样强度的影响。灌制满后,用刮刀进行刮平,铺垫保鲜膜后封盖。

（3）开展试样养护。将试样密封后置于充满水的水箱中,并放置在标准养护室（20±3℃,湿度>95%）内,养护至设计龄期。

2.   试验结果与分析

2.1   废砖细骨料掺量对强度的影响

图1为废砖细骨料掺量与无侧限抗压强度在水泥掺量在10%条件下的关系曲线图。由图1可知：当废砖细骨料掺量从10%增加到12%,试样强度均有了较大幅度的提升；但养护龄期为28 d增长率比7 d时略小。分析认为：当养护龄期达到28 d时,近似认为废砖细骨料中的水分达到饱和,此时细骨料的湿润度与周围水泥土湿润度相当,根据再生废砖骨料的吸水返水特性^[9]分析可知,此时细骨料的返水能力比吸水能力强,双掺固化土中的水分会有所增加,故出现龄期为28 d的水泥-废砖细骨料双掺固化土的强度增长速率较7 d变缓的现象；在相同废砖细骨料掺量情况下,双掺固化土抗压强度随试样养护龄期的增加而增大,且28 d无侧限抗压强度相较7 d无侧限抗压强度平均提升了1.63倍。

图 1 废砖细骨料掺量对强度的影响

Figure 1. Influences of amount of waste brick fine aggregate on strength

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2.2   水泥掺量对强度的影响

图2为废砖细骨料掺量在10%条件下,水泥掺量与无侧限抗压强度的关系曲线图。由图2可知：当养护龄期为7 d时,试样强度随水泥掺量的增加成线性增长；养护龄期为28 d,当水泥掺量大于8%时,强度增长速率有减小的趋势。分析认为：这一现象与废砖骨料的吸水返水特性有关；在相同水泥掺量情况下,双掺固化土抗压强度随试样养护龄期的增加而增大,且28 d无侧限抗压强度相较7 d无侧限抗压强度平均提升了约1.44倍。

图 2 水泥掺量对强度的影响

Figure 2. Influences of cement content on strength

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2.3   双掺固化土与水泥固化土的对比

通过对两种固化土的强度特性进行对比分析（图3）发现,龄期为7 d的水泥固化土,随水泥掺量的增加成非直线增长,这与郑少辉等^[3]分析不同水灰比固化土的强度所得研究结果相近,即当水泥剂量小于16%时无侧限抗压强度随水泥剂量的增加呈非线性增长。在两种养护龄期下,均出现双掺固化土强度的总体增长速率比水泥固化土强度增长速率高的现象。分析可知,再生废砖细骨料具有孔隙率高、吸水性强等特征,能够吸收土体中部分多余水分,且废砖细骨料含量越多吸水性越强,从而有效降低土体含水率,进而随之强化水泥在低含水率下的固化效率,加快了双掺固化土强度的形成。对7 d龄期条件,当水泥剂量大于等于8%时,废砖细骨料的掺入,明显提高了固化土的强度,说明要使废砖细骨料在改善固化土强度方面发挥作用,对水泥掺量存在一个最低剂量要求。

图 3 废砖颗粒掺入对强度的影响

Figure 3. Influences of waste brick particle on strength

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废砖细骨料为颗粒状,在固化土体中可视为游离状态,在制作无侧限抗压试样时,由于分层振捣处理导致废砖颗粒分布不均,形成的受力骨架也有所差异,故测出的强度不一,导致随着龄期和废砖细骨料含量的增长,强度的变异系数明显变大。

综上所述,在水泥剂量满足最低要求（本文测的最低剂量为8%）的情况下,废砖细骨料掺入和龄期增长都有利于固化土强度的提升；废砖细骨料的掺入,在增大固化土强度的同时也会增大固化土的变异性。

2.4   双掺固化土的破坏形态

图4为双掺固化土无侧限抗压强度试验的破坏形态。试样受压破坏后出现多条裂缝,主裂缝不突出不明显,破坏后试样破碎成块状,为塑性剪切破坏。故水泥-废砖细骨料双掺固化土的破坏形态主要表现为塑性剪切破坏。

图 4 破坏形态

Figure 4. Failure modes

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2.5   压缩变形特性

图5为用水泥-废砖细骨料双掺法处理高含水率黏土的固化土应力-应变曲线图。由图可见其破坏应变分布在2.5%～3%,与水泥固化土的破坏应变一般介于0.5%～2%的认识^{[8, 11-14]}有一定的偏差。分析其原因有两点：①由于废砖骨料在试样中成悬浮分布状态,当其掺量较小时,颗粒之间并没有形成骨架；②当骨料的湿润度与周围水泥土湿润度相当时,骨料表现出返水能力比吸水能力强的特性,使土体的水分略微增加所致。

图 5 双掺固化土试样应力-应变关系

Figure 5. Stress-strain relationship of DMSC samples

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图6为双掺固化土破坏应变与抗压强度的关系曲线。由图6可知,破坏应变随着抗压强度增大呈先略微减小后明显增大的趋势,这与其他学者得出的破坏应变随抗压强度增大而减小的试验结果^{[8, 10-14]}有一定的偏差。分析其原因,主要是废砖的掺入使固化土的韧性在一定程度上得到提升。

图 6 固化土破坏应变与抗压强度的关系

Figure 6. Relationship between failure strain and compressive strength of DMSC samples

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3.   结论

（1）废砖细骨料对高含水率水泥固化土的强度有显著的提升效果,且早期强度增长速率比后期快。

（2）要发挥废砖细骨料的作用,水泥掺量需满足最低剂量8%的要求；掺入废砖细骨料在提高固化土强度的同时,也增加了固化土的变异性。控制变异性可提高其在工程建设上应用的安全可靠性。

（3）双掺法处理高含水率黏土固化土的破坏形态主要表现为塑性剪切破坏,其破坏应变在2.5%～3%,韧性比一般固化土的韧性好。

图 1 MacroMR12-15OH-I核磁共振分析系统

Figure 1. MacroMR12-15OH-I NMR system

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图 2 YZJL-300岩石直剪流变仪

Figure 2. YZJL-300 rock direct shear creep apparatus

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图 3 T₂谱分布变化曲线

Figure 3. T₂ distribution of red sandstone samples subjected to freeze-thaw cycles under different water contents

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图 4 冻融后红砂岩孔隙率与冻融循环次数拟合曲线

Figure 4. Fitting curves between porosity and freeze-thaw cycles of red sandstone samples

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图 5 不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变曲线

Figure 5. Shear creep curves of red sandstone samples subjected to freeze-thaw cycles under different water contents

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图 6 不同含水率冻融后红砂岩分别加载剪切蠕变曲线

Figure 6. Separated by loaded shear creep curves of red sandstone samples subjected to 120 freeze-thaw cycles under different water contents

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图 7 长期折减系数及长期剪切强度随冻融循环次数的变化

Figure 7. Long-term shear strengths and reduction coefficients of red sandstone samples varying with freeze-thaw cycles

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图 8 试验曲线与理论曲线对比

Figure 8. Comparison between creep data and theoretical curves

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表 1 NMR试样T₂谱总面积及孔隙率变化

Table 1 Total areas of T₂ distribution and NMR porosities of red sandstone samples subjected to freeze-thaw cycles under different water contents

含水率/%	冻融循环次数N/次	T₂谱总面积	谱面积变化率/%	孔隙率/%
1.5	30	13014	0	10.28
	60	13711	5.36	10.83
	90	14915	14.61	11.78
	120	17972	38.10	14.19
2.4	30	13189	0	10.92
	60	13965	5.88	11.87
	90	16372	24.13	13.53
	120	20476	55.25	16.14
3.78	30	14885	0	11.75
	60	16885	13.44	13.33
	90	19974	34.19	15.77
	120	27608	85.48	21.80

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表 2 不同含水率冻融后红砂岩长期剪切强度及长期折减系数

Table 2 Long-term shear strengths and reduction coefficients of red sandstone samples determined by steady creep rate method

含水率/%	冻融次数N/次	剪切蠕变长期强度τ_∞/MPa	剪切蠕变破坏强度τ_f/MPa	长期折减系数(τ_∞/τ_f)
0	0	41.74	45	0.928
	30	41.51	44	0.943
	60	33.91	38	0.892
	90	29.40	33	0.891
	120	28.43	32	0.888
1.5	0	35.77	42	0.852
	30	34.48	40	0.862
	60	29.46	34	0.866
	90	26.02	30	0.867
	120	20.31	24	0.846
3.78	0	35.34	41	0.862
	30	25.01	30	0.834
	60	19.19	24	0.800
	90	18.36	24	0.765
	120	13.35	18	0.742

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表 3 不同含水率冻融0,60和120次后红砂岩剪切蠕变破坏形态

Table 3 Shear creep failure modes of red sandstone samples subjected to freeze-thaw cycles of 0, 60 and 120 under different water contents

含水率/%	冻融0次		冻融60次		冻融120次
含水率/%	断面特征	破坏形态	断面特征	破坏形态	断面特征	破坏形态
0 (干燥)
0 (干燥)	断面较为平整,断面四周保持较好的完整性		断面较为平整,颗粒间黏聚紧密,边缘出现轻微脱落现象		断面出现小部分面积的起伏,大体还算平整,边缘有轻微碎裂
1.5 (饱水)
1.5 (饱水)	断面上残留一部分错动擦痕,擦痕上夹杂着许多细微粉末,断面四周出现小部分脱落。		断面凹凸不平,上部还残留大块松动的颗粒碎片,四周岩块小面积脱落		断面粗糙度相较于冻融60次有所增加,四周岩块脱落面积更大
3.78 (饱和)
3.78 (饱和)	断面上粗糙度增加,上部残留着许多细微粉末,断面四周出现小部分脱落。		断面出现多组裂纹贯通,四周岩块大面积脱落		多个劈裂面相互组合,加上四周掉块严重,散碎程度大,成形度低

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表 4 不同含水率冻融后红砂岩蠕变模型参数

Table 4 Identified parameters of red sandstone samples

含水率/%	剪应力/MPa	$G_{e}$ /GPa	$G_{ve}$ /GPa	$η_{ve}$ /(GPa·h^-1)	$η_{vs}$ /(GPa·h^-1)	m	n
1.5	6	0.61	1.68	0.35	—	—	—
	12	1.55	13.81	3.71	—	—	—
	18	1.18	25.22	9.59	—	—	—
	24	2.05	32.55	11.32	15.2	7.6	1.2
3.78	6	0.25	1.47	0.13	—	—	—
	12	1.27	11.6	2.51	—	—	—
	18	1.54	19.75	7.16	8.3	9.8	3.2

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施引文献(15)

期刊类型引用(3)

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3.	肖源杰，王政，AMINU Umar Faruk，王萌，李昀博，孔坤锋，陈宇亮，周震，李志勇. 不同建筑固废再生骨料取代率下粗粒土填料永久变形试验及预估模型. 中国公路学报. 2023(10): 17-29 . 百度学术