粒径对珊瑚砂压缩性能影响的试验分析*

□ 程普锋 □ 熊雪梅 □ 钟东海 □ 郑宇轩 □ 周风华

宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室 浙江宁波 315211

1 试验分析背景

我国南海岛礁工程的建设与开发正在如火如荼进行。为了降低成本,遵循就地取材的原则,在地基、路基上大量使用珊瑚砂,作为回填材料。珊瑚砂还是构建珊瑚砂混凝土的重要原料[1],具有多孔、易碎、形状不规则等特征[2-4]。珊瑚砂的物理力学性质是指导岛礁工程建设与施工的关键。近年来,国内外研究人员对珊瑚砂的压缩力学性能及其影响因素进行了大量试验研究。研究发现,珊瑚砂颗粒在压缩过程中经常会发生颗粒破碎,并且珊瑚砂的颗粒形状及形成的环境均会对导致颗粒破碎的压力产生影响[5-7]。与此同时,珊瑚砂的颗粒尺寸、颗粒级配、预压力对珊瑚砂的压缩特性也有较大影响[8-13]。Coop[14]和刘崇权等[15]通过研究发现,珊瑚砂的压缩特性与黏土类似,超过一定压力时,对珊瑚砂压缩性能起主导作用的是颗粒破碎。Wang Xinzhi等[16]通过试验发现,珊瑚砂的压缩变形属于不可恢复的塑性变形,同时还发现含水量、密实度对珊瑚砂压缩性能有较大的影响。马启锋等[17]对粒径为0.6～1 mm的珊瑚砂颗粒进行压缩试验,发现压力为2 MPa～10 MPa时大量颗粒发生破碎。

笔者为研究不同粒径珊瑚砂试样的压缩特性,选取南海某岛礁珊瑚砂为研究对象,对珊瑚砂试样进行筛分试验,得出不同粒径珊瑚砂的分组和颗粒级配曲线,采用万能材料试验机对不同粒径的珊瑚砂进行系列准静态压缩试验,分析不同粒径珊瑚砂的压缩力学性能,对岛礁工程建设与实施有一定参考价值。

2 珊瑚砂试样情况

试验所用珊瑚砂试样取自南海某岛礁。原始珊瑚砂试样如图1所示,颜色为灰白色,主要成分为碳酸钙,粒径范围较广,形状复杂多样,含有少量粒径大于10 mm的大块珊瑚石块及贝壳。珊瑚砂试样具有一定含水量,部分砂砾呈粘结状态。大粒径珊瑚砂试样表面粗糙多孔,棱角较多,形状极不规则,小粒径珊瑚砂试样外形则较为一致。

3 珊瑚砂试样筛分

将原始珊瑚砂试样在恒温110 ℃下烘干至完全干燥,珊瑚砂颗粒充分分散,无粘结。根据土工试验规程中的筛分法进行珊瑚砂筛分试验,采用8411型振筛机进行筛分,振筛时间为20 min,八组孔筛的孔径分别为9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm。珊瑚砂试样筛分试验如图2所示。

根据筛分试验,可以计算得到不同粒径珊瑚砂试样占试样总质量的百分比,如图3所示。从图3中可知,22.05%的珊瑚砂试样粒径为0.3～0.6 mm,占比最高,大约有63%的珊瑚砂试样粒径小于1 mm,粒径大于9.5 mm的珊瑚砂试样仅有一颗,占比最小,在单次取样中具有偶然性。

4 准静态压缩试验

采用万能材料试验机对珊瑚砂试样进行应变率为10-3s-1的准静态侧限压缩试验,如图4所示。侧限套筒内径为37 mm,壁厚为5 mm,高度为62 mm,材料采用高强钢,在整个压缩过程中可以近似等效为刚体。考虑到珊瑚砂的分散性,每组对比试验均进行三次试验。每次试验珊瑚砂试样质量约为24 g,试验前均经过烘干处理,去除多余水分,直到珊瑚砂试样充分分散且无粘结。

▲图2 珊瑚砂试样筛分试验

为研究粒径和相对密度对珊瑚砂压缩性能的影响,将珊瑚砂试样根据粒径分成七组,分别进行压缩试验,试验数据见表1。

表1 珊瑚砂试样压缩试验数据

在压缩试验前对珊瑚砂试样进行受力约为100 N的预压处理,以避免自然堆积过程中产生的多余空隙。预压处理发现,粒径越大,同等质量的珊瑚砂试样预压后初始长度越大,即初始密度越小。

5 珊瑚砂试样干燥

为保证试验的一致性,珊瑚砂试样均烘干至完全干燥。烘干过程中,每隔2 h将珊瑚砂试样取出,称量质量并记录。恒温时间为2 h、4 h、6 h、8 h,分别获得四个恒温时间阶段珊瑚砂试样的水分含量,得到珊瑚砂试样水分含量随干燥时间的变化曲线,如图5所示。从图5中可以看出,随着干燥时间的增加,蒸发的水分不断增加,直到在6 h停止增加,由此认为此时珊瑚砂试样完全干燥,后续试验干燥时间均采用6 h。

▲图3 不同粒径珊瑚砂试样质量百分比

▲图4 准静态压缩试验

6 珊瑚砂颗粒级配

根据珊瑚砂试样不同粒径的质量百分比,可以得到珊瑚砂颗粒级配曲线,如图6所示。对级配曲线进行非线性拟合,通过拟合后的曲线方程,可以得出d10为0.06 mm,d30为0.21 mm,d60为0.75 mm,从而可得不均匀因数cu为12.80,曲率因数cc为0.98。其中,di为占总质量i%的珊瑚砂试样对应的粒径。结果表明,所选用的珊瑚砂试样是连续性较好、级配良好的砂。

▲图5 珊瑚砂试样水分含量随干燥时间变化曲线

▲图6 珊瑚砂颗粒级配曲线

7 粒径对珊瑚砂压缩性能的影响

不同粒径珊瑚砂试样的应力应变曲线如图7所示。虽然处于同一粒径分组,但是珊瑚砂试样粒径仍然存在小范围分布,因此应力应变关系呈现一定的离散性。随着粒径的增大,珊瑚砂试样整体压缩性能越来越好,并且在压缩初期,珊瑚砂试样具有更佳的压缩性能。

为了便于分析粒径对珊瑚砂压缩性能的影响,对不同粒径分组的试验结果取平均值,获得不同粒径分组珊瑚砂试样在准静态压缩下的平均应力应变曲线,如图8所示。从图8中可见,粒径小于0.6 mm的四个粒径分组珊瑚砂试样和粒径大于0.6 mm的三个粒径分组珊瑚砂试样的平均应力应变曲线具有显著差异。当珊瑚砂试样的粒径小于0.6 mm时,压缩前期的应力增大较快。粒径大于0.6 mm时,应力增大较缓。可见,粒径小的珊瑚砂试样比粒径大的珊瑚砂试样在压缩前期具有更高的模量。在压缩后期,无论哪种粒径的珊瑚砂试样,表现出的压缩模量相差不大。

▲图8 不同粒径珊瑚砂试样平均应力应变曲线

不同粒径珊瑚砂试样在不同应力时的应变曲线如图9所示。应力水平为5 MPa、10 MPa、15 MPa时,珊瑚砂试样的应变随粒径的增大而增大,基本遵循相似对数关系。当珊瑚砂试样受到大于5 MPa的应力时,大粒径的珊瑚砂颗粒将会破碎成小颗粒,不同粒径分组的珊瑚砂试样最后的压缩性能将趋同。

8 初始密度对珊瑚砂压缩性能的影响

不同相对密度的珊瑚砂试样应力应变曲线如图10所示。从图10中可以看出,虽然处于同一粒径分组,但是由于粒径有分布,加之颗粒形貌会造成珊瑚砂试样的初始差异,因此珊瑚砂试样压缩性能也不尽相同。另一方面,无论是分组内部,还是跨粒径分组,在固定应力水平时,珊瑚砂试样的应变随初始密度的增大而减小。处于0.6～1.18 mm粒径范围内的15号试样中,初始相对密度为0.979,在固定应力水平时,应变仍大于处于1.18～2.36 mm粒径范围内的17号试样。由此可见,对于单一粒径而言,初始密度对珊瑚砂试样的压缩性能起到关键性作用。

▲图9 不同粒径珊瑚砂试样不同应力时应变曲线

▲图10 不同相对密度珊瑚砂试样应力应变曲线

9 结束语

笔者对南海某岛礁珊瑚砂进行筛分试验和准静态压缩试验。通过分析,该岛礁的珊瑚砂不均匀因数cu为12.80,曲率因数cc为0.98,是一种连续性较好、级配良好的砂。

整体而言,在给定初始预压力的情况下,粒径越大,同等质量的珊瑚砂初始密度越小。在固定应力水平的情况下,珊瑚砂的压缩应变随粒径的增大而增大,基本遵循相似对数关系。珊瑚砂粒径小的分组比粒径大的分组在压缩前期具有更高的模量,在压缩后期,两者的压缩模量则相差不明显。

单一粒径的珊瑚砂,应力应变曲线和初始密度具有极大相关性。在固定应力水平的情况下,初始密度越大,珊瑚砂的压缩应变越小。