粒徑對珊瑚砂壓縮性能影響的試驗分析*

□ 程普鋒 □ 熊雪梅 □ 鐘東海 □ 鄭宇軒 □ 周風華

寧波大學沖擊與安全工程教育部重點實驗室 浙江寧波 315211

1 試驗分析背景

我國南海島礁工程的建設與開發正在如火如荼進行。為了降低成本,遵循就地取材的原則,在地基、路基上大量使用珊瑚砂,作為回填材料。珊瑚砂還是構建珊瑚砂混凝土的重要原料[1],具有多孔、易碎、形狀不規則等特征[2-4]。珊瑚砂的物理力學性質是指導島礁工程建設與施工的關鍵。近年來,國內外研究人員對珊瑚砂的壓縮力學性能及其影響因素進行了大量試驗研究。研究發現,珊瑚砂顆粒在壓縮過程中經常會發生顆粒破碎,并且珊瑚砂的顆粒形狀及形成的環境均會對導致顆粒破碎的壓力產生影響[5-7]。與此同時,珊瑚砂的顆粒尺寸、顆粒級配、預壓力對珊瑚砂的壓縮特性也有較大影響[8-13]。Coop[14]和劉崇權等[15]通過研究發現,珊瑚砂的壓縮特性與黏土類似,超過一定壓力時,對珊瑚砂壓縮性能起主導作用的是顆粒破碎。Wang Xinzhi等[16]通過試驗發現,珊瑚砂的壓縮變形屬于不可恢復的塑性變形,同時還發現含水量、密實度對珊瑚砂壓縮性能有較大的影響。馬啟鋒等[17]對粒徑為0.6～1 mm的珊瑚砂顆粒進行壓縮試驗,發現壓力為2 MPa～10 MPa時大量顆粒發生破碎。

筆者為研究不同粒徑珊瑚砂試樣的壓縮特性,選取南海某島礁珊瑚砂為研究對象,對珊瑚砂試樣進行篩分試驗,得出不同粒徑珊瑚砂的分組和顆粒級配曲線,采用萬能材料試驗機對不同粒徑的珊瑚砂進行系列準靜態壓縮試驗,分析不同粒徑珊瑚砂的壓縮力學性能,對島礁工程建設與實施有一定參考價值。

2 珊瑚砂試樣情況

試驗所用珊瑚砂試樣取自南海某島礁。原始珊瑚砂試樣如圖1所示,顏色為灰白色,主要成分為碳酸鈣,粒徑范圍較廣,形狀復雜多樣,含有少量粒徑大于10 mm的大塊珊瑚石塊及貝殼。珊瑚砂試樣具有一定含水量,部分砂礫呈粘結狀態。大粒徑珊瑚砂試樣表面粗糙多孔,棱角較多,形狀極不規則,小粒徑珊瑚砂試樣外形則較為一致。

3 珊瑚砂試樣篩分

將原始珊瑚砂試樣在恒溫110 ℃下烘干至完全干燥,珊瑚砂顆粒充分分散,無粘結。根據土工試驗規程中的篩分法進行珊瑚砂篩分試驗,采用8411型振篩機進行篩分,振篩時間為20 min,八組孔篩的孔徑分別為9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm。珊瑚砂試樣篩分試驗如圖2所示。

根據篩分試驗,可以計算得到不同粒徑珊瑚砂試樣占試樣總質量的百分比,如圖3所示。從圖3中可知,22.05%的珊瑚砂試樣粒徑為0.3～0.6 mm,占比最高,大約有63%的珊瑚砂試樣粒徑小于1 mm,粒徑大于9.5 mm的珊瑚砂試樣僅有一顆,占比最小,在單次取樣中具有偶然性。

4 準靜態壓縮試驗

采用萬能材料試驗機對珊瑚砂試樣進行應變率為10-3s-1的準靜態側限壓縮試驗,如圖4所示。側限套筒內徑為37 mm,壁厚為5 mm,高度為62 mm,材料采用高強鋼,在整個壓縮過程中可以近似等效為剛體?？紤]到珊瑚砂的分散性,每組對比試驗均進行三次試驗。每次試驗珊瑚砂試樣質量約為24 g,試驗前均經過烘干處理,去除多余水分,直到珊瑚砂試樣充分分散且無粘結。

▲圖2 珊瑚砂試樣篩分試驗

為研究粒徑和相對密度對珊瑚砂壓縮性能的影響,將珊瑚砂試樣根據粒徑分成七組,分別進行壓縮試驗,試驗數據見表1。

表1 珊瑚砂試樣壓縮試驗數據

在壓縮試驗前對珊瑚砂試樣進行受力約為100 N的預壓處理,以避免自然堆積過程中產生的多余空隙。預壓處理發現,粒徑越大,同等質量的珊瑚砂試樣預壓后初始長度越大,即初始密度越小。

5 珊瑚砂試樣干燥

為保證試驗的一致性,珊瑚砂試樣均烘干至完全干燥。烘干過程中,每隔2 h將珊瑚砂試樣取出,稱量質量并記錄。恒溫時間為2 h、4 h、6 h、8 h,分別獲得四個恒溫時間階段珊瑚砂試樣的水分含量,得到珊瑚砂試樣水分含量隨干燥時間的變化曲線,如圖5所示。從圖5中可以看出,隨著干燥時間的增加,蒸發的水分不斷增加,直到在6 h停止增加,由此認為此時珊瑚砂試樣完全干燥,后續試驗干燥時間均采用6 h。

▲圖3 不同粒徑珊瑚砂試樣質量百分比

▲圖4 準靜態壓縮試驗

6 珊瑚砂顆粒級配

根據珊瑚砂試樣不同粒徑的質量百分比,可以得到珊瑚砂顆粒級配曲線,如圖6所示。對級配曲線進行非線性擬合,通過擬合后的曲線方程,可以得出d10為0.06 mm,d30為0.21 mm,d60為0.75 mm,從而可得不均勻因數cu為12.80,曲率因數cc為0.98。其中,di為占總質量i%的珊瑚砂試樣對應的粒徑。結果表明,所選用的珊瑚砂試樣是連續性較好、級配良好的砂。

▲圖5 珊瑚砂試樣水分含量隨干燥時間變化曲線

▲圖6 珊瑚砂顆粒級配曲線

7 粒徑對珊瑚砂壓縮性能的影響

不同粒徑珊瑚砂試樣的應力應變曲線如圖7所示。雖然處于同一粒徑分組,但是珊瑚砂試樣粒徑仍然存在小范圍分布,因此應力應變關系呈現一定的離散性。隨著粒徑的增大,珊瑚砂試樣整體壓縮性能越來越好,并且在壓縮初期,珊瑚砂試樣具有更佳的壓縮性能。

為了便于分析粒徑對珊瑚砂壓縮性能的影響,對不同粒徑分組的試驗結果取平均值,獲得不同粒徑分組珊瑚砂試樣在準靜態壓縮下的平均應力應變曲線,如圖8所示。從圖8中可見,粒徑小于0.6 mm的四個粒徑分組珊瑚砂試樣和粒徑大于0.6 mm的三個粒徑分組珊瑚砂試樣的平均應力應變曲線具有顯著差異。當珊瑚砂試樣的粒徑小于0.6 mm時,壓縮前期的應力增大較快。粒徑大于0.6 mm時,應力增大較緩?？梢?粒徑小的珊瑚砂試樣比粒徑大的珊瑚砂試樣在壓縮前期具有更高的模量。在壓縮后期,無論哪種粒徑的珊瑚砂試樣,表現出的壓縮模量相差不大。

▲圖8 不同粒徑珊瑚砂試樣平均應力應變曲線

不同粒徑珊瑚砂試樣在不同應力時的應變曲線如圖9所示。應力水平為5 MPa、10 MPa、15 MPa時,珊瑚砂試樣的應變隨粒徑的增大而增大,基本遵循相似對數關系。當珊瑚砂試樣受到大于5 MPa的應力時,大粒徑的珊瑚砂顆粒將會破碎成小顆粒,不同粒徑分組的珊瑚砂試樣最后的壓縮性能將趨同。

8 初始密度對珊瑚砂壓縮性能的影響

不同相對密度的珊瑚砂試樣應力應變曲線如圖10所示。從圖10中可以看出,雖然處于同一粒徑分組,但是由于粒徑有分布,加之顆粒形貌會造成珊瑚砂試樣的初始差異,因此珊瑚砂試樣壓縮性能也不盡相同。另一方面,無論是分組內部,還是跨粒徑分組,在固定應力水平時,珊瑚砂試樣的應變隨初始密度的增大而減小。處于0.6～1.18 mm粒徑范圍內的15號試樣中,初始相對密度為0.979,在固定應力水平時,應變仍大于處于1.18～2.36 mm粒徑范圍內的17號試樣。由此可見,對于單一粒徑而言,初始密度對珊瑚砂試樣的壓縮性能起到關鍵性作用。

▲圖9 不同粒徑珊瑚砂試樣不同應力時應變曲線

▲圖10 不同相對密度珊瑚砂試樣應力應變曲線

9 結束語

筆者對南海某島礁珊瑚砂進行篩分試驗和準靜態壓縮試驗。通過分析,該島礁的珊瑚砂不均勻因數cu為12.80,曲率因數cc為0.98,是一種連續性較好、級配良好的砂。

整體而言,在給定初始預壓力的情況下,粒徑越大,同等質量的珊瑚砂初始密度越小。在固定應力水平的情況下,珊瑚砂的壓縮應變隨粒徑的增大而增大,基本遵循相似對數關系。珊瑚砂粒徑小的分組比粒徑大的分組在壓縮前期具有更高的模量,在壓縮后期,兩者的壓縮模量則相差不明顯。

單一粒徑的珊瑚砂,應力應變曲線和初始密度具有極大相關性。在固定應力水平的情況下,初始密度越大,珊瑚砂的壓縮應變越小。