(1. 北方民族大學(xué) a. 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院， b. 國(guó)家民委化工技術(shù)基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750021; 2. 神華寧煤集團(tuán)公司能源工程公司 煤礦設(shè)計(jì)研究院， 寧夏 銀川 750021； 3. 寧夏旭日眾粒環(huán)?？萍加邢薰荆?寧夏 銀川 750200)

我國(guó)80%的沙漠集中于西北地區(qū)， 近年來(lái)， 隨著西北荒漠地帶基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大， 建筑用砂需求量越來(lái)越大， 但是采購(gòu)及運(yùn)費(fèi)居高不下， 在很大程度上提高了工程造價(jià)[1]， 利用沙漠砂替代部分建筑用砂的研究已經(jīng)迫在眉睫。 在這種背景下， 本課題組綜合中外現(xiàn)有技術(shù)[2-6]， 制備出新型輕質(zhì)填筑類材料——沙漠砂可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)混凝土。

沙漠砂EPS混凝土是一種以沙漠砂為主要細(xì)骨料， 取代傳統(tǒng)EPS混凝土中砂石骨料而制備的一種新型EPS混凝土， 具有自密實(shí)、 輕質(zhì)、 隔熱、 隔音等優(yōu)點(diǎn)[7-9]， 可以廣泛應(yīng)用于防止軟基上填土沉降、 橋臺(tái)背回填、 屋面及外墻保溫等房屋建設(shè)及道路工程[10-12]。 與傳統(tǒng)建材相比， 沙漠砂EPS混凝土在降低造價(jià)的同時(shí)， 還可以實(shí)現(xiàn)就地取材， 是西北荒漠地帶中可規(guī)?；瘧?yīng)用的填筑類材料。 近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)傳統(tǒng)EPS混凝土進(jìn)行了大量研究[13-16]， 但是針對(duì)沙漠砂制備EPS混凝土的相關(guān)研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

本文中通過(guò)對(duì)不同密度等級(jí)的沙漠砂EPS混凝土立方體試塊進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)與現(xiàn)有普通混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出適用于沙漠砂EPS混凝土的本構(gòu)模型，以期為沙漠砂EPS混凝土在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要實(shí)驗(yàn)材料包括： P.O32.5硅酸鹽水泥， 寧夏賽馬水泥有限公司生產(chǎn)； 沙漠砂， 取自寧夏境內(nèi)毛烏素沙漠， 表觀密度為2 622 kg/m3， 細(xì)度模數(shù)為0.183， 屬于特細(xì)砂； EPS顆粒， 球型， 粒徑為5 ～8 mm， 自然堆積密度約為10 kg/m3； 硅灰， 產(chǎn)自寧夏寧東能源基地， 平均粒徑為0.1 ～0.5 μm， 比表面積約為20 m2/g。 為了改善沙漠砂EPS混凝土拌合物的和易性及試塊的均質(zhì)性，加入一定量本課題組自配復(fù)合添加劑， 詳細(xì)配合比如表1所示。 需要說(shuō)明的是， 沙漠砂EPS混凝土的主要用途為處理荒漠地區(qū)軟土路基沉降， 考慮到安全儲(chǔ)備與控制材料自重， 干密度范圍取為500～1 000 kg/m3。

表1 沙漠砂可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)混凝土配比

1.2 試塊的制備與養(yǎng)護(hù)

參照表1所示配合比進(jìn)行沙漠砂EPS混凝土試塊的制備。首先按照配合比將水泥、沙漠砂、微硅灰放入攪拌機(jī)進(jìn)行混合攪拌，攪拌均勻后加入水和復(fù)合添加劑繼續(xù)攪拌，最后加入EPS顆粒，攪拌至EPS顆粒被水泥砂漿完全均勻包裹。將攪拌好的沙漠砂EPS混凝土拌合物倒入邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試模。室溫靜置48 h后脫模，脫模試塊放入溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)28 d。

2 單軸壓縮應(yīng)力 -應(yīng)變曲線實(shí)驗(yàn)

2.1 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)用壓力機(jī)對(duì)同一批次沙漠砂EPS混凝土試塊進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，加載速度為1 ～5 mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表可知，制備的沙漠砂EPS混凝土均質(zhì)性較好，抗壓強(qiáng)度隨著干密度的增大而增大，在控制成本的同時(shí)提高了材料強(qiáng)度， 使其在沙漠地帶的基建工程中可以有效應(yīng)用。

表2 沙漠砂可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)混凝土單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 沙漠砂EPS混凝土應(yīng)力 -應(yīng)變曲線

不同干密度試塊單軸壓縮應(yīng)力 -應(yīng)變曲線如圖1所示，其中每組取3個(gè)試塊數(shù)據(jù)的平均值。從圖中可以看出，隨著干密度等級(jí)的增大，沙漠砂EPS混凝土的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線略有不同，干密度等級(jí)為500 kg/m3時(shí)延性最好， 曲線下降段較短， 整體以延性變化為主。干密度為600～1 100 kg/m3的試塊的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線總體可分為3段： 1)壓密段。 自初始加載至應(yīng)力峰值處。 初始加載開始， 隨著應(yīng)力的增大， 試塊內(nèi)部空隙逐漸壓實(shí)， 試塊應(yīng)力持續(xù)增大，此過(guò)程中未見試塊明顯破壞。 2)下降段。 自峰值應(yīng)變至應(yīng)變約為2%， 此過(guò)程試塊內(nèi)部空隙完全壓實(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值， 試塊結(jié)構(gòu)受擠壓開始呈現(xiàn)失穩(wěn)趨勢(shì)， 應(yīng)力衰減至約為峰值應(yīng)力的40% ～60%， 此過(guò)程試塊表面出現(xiàn)宏觀裂紋。 3)穩(wěn)定段。 自應(yīng)變約為2%開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束， 該階段試塊再次呈現(xiàn)出壓實(shí) -破壞現(xiàn)象， 曲線延性特征明顯，此過(guò)程試塊表面裂紋逐漸變大。

3 單軸壓縮本構(gòu)模型

3.1 常用普通混凝土單軸壓縮本構(gòu)模型

3.1.1 Rüsch模型

該模型是Rüsch于1960年表述普通混凝土本構(gòu)模型的本構(gòu)方程。該模型由上升段曲線和水平直線組成，形式簡(jiǎn)單、直觀，應(yīng)用廣泛。模型表達(dá)式為

(1)

3.1.2 規(guī)范模型

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]，普通混凝土應(yīng)力 -應(yīng)變曲線規(guī)范模型為

(a)干密度等級(jí)為500 kg/m3(b)干密度等級(jí)為600 kg/m3(c)干密度等級(jí)為700 kg/m3(d)干密度等級(jí)為800 kg/m3(e)干密度等級(jí)為900 kg/m3(f)干密度等級(jí)為1 000 kg/m3圖1 沙漠砂可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

y=(1-dc)Ecx

，

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：αc為混凝土單軸受壓應(yīng)力 -應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值， 按標(biāo)準(zhǔn)附錄C.2.4[19]取值；fc,r為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度代表值， 可根據(jù)實(shí)際需要取峰值應(yīng)力fc、 軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck， 本文中取fc；εc,r為與單軸抗壓強(qiáng)度相應(yīng)的峰值壓應(yīng)變；dc為混凝土單軸壓縮損傷演化系數(shù)；Ec為彈性模量；ρc、n均為系數(shù)。

3.1.3 過(guò)鎮(zhèn)海模型

該模型是過(guò)鎮(zhèn)海于1982年基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的混凝土單軸壓縮應(yīng)力 -應(yīng)變曲線分段式方程

(7)

式中αa、αd分別為曲線上升段、下降段的本構(gòu)參數(shù)， 本文中取文獻(xiàn)[19]中的建議值αa=2.2,αd=0.4。

3.2 實(shí)驗(yàn)曲線與普通混凝土單軸壓縮本構(gòu)模型對(duì)比

為了使提出的沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)模型更接近實(shí)驗(yàn)曲線， 本文中將實(shí)驗(yàn)所得平均曲線與幾種常用的普通混凝土應(yīng)力 -應(yīng)變模型進(jìn)行對(duì)比， 以評(píng)估其對(duì)沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)關(guān)系的適用性， 從而對(duì)提出的沙漠砂EPS混凝土的本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

圖2所示為沙漠砂EPS混凝土實(shí)驗(yàn)曲線與普通混凝土本構(gòu)模型對(duì)比。由圖可知，無(wú)論是上升段還是下降段，這3種常用普通混凝土應(yīng)力 -應(yīng)變模型與實(shí)驗(yàn)所得曲線均存在一定差異。在曲線上升段，Rüsch模型、規(guī)范模型、過(guò)鎮(zhèn)海模型曲線差別不大，但是均未體現(xiàn)沙漠砂EPS混凝土初始加載時(shí)的壓實(shí)過(guò)程，對(duì)材料承載力存在高估現(xiàn)象；在曲線下降段，Rüsch模型雖然較好地展現(xiàn)出本構(gòu)關(guān)系中的延性過(guò)程，但是過(guò)于平直，并未表現(xiàn)試塊下降過(guò)程中的應(yīng)力衰減趨勢(shì)；規(guī)范模型與過(guò)鎮(zhèn)海模型在曲線下降段的區(qū)別隨試塊干密度的增大而減小，也較好地描述了曲線在下降段的應(yīng)力衰減及延性表現(xiàn)，但是所描繪的應(yīng)力衰減段過(guò)于平緩并且衰減量過(guò)大，忽略了試塊壓實(shí)后所表現(xiàn)的脆性，同樣不太適用于沙漠砂EPS混凝土。

3.3 沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)模型

實(shí)驗(yàn)全曲線與普通混凝土單軸壓縮本構(gòu)模型對(duì)比結(jié)果表明，如果直接采用Rüsch模型、規(guī)范模型、過(guò)鎮(zhèn)海模型3種普通混凝土本構(gòu)模型，規(guī)范模型及過(guò)鎮(zhèn)海模型可以較好地體現(xiàn)沙漠砂EPS混凝土峰后力學(xué)特性，總體來(lái)說(shuō)是較合適的選擇，但是這2種模型主要針對(duì)的是普通混凝土等脆性材料，在未對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變范圍限制及本構(gòu)參數(shù)修改前，并不適用于沙漠砂EPS混凝土。規(guī)范模型受標(biāo)準(zhǔn)所限，不宜于對(duì)本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改動(dòng)。鑒于此，本文中在對(duì)3種混凝土單軸壓縮本構(gòu)模型的合理性及缺陷性進(jìn)行總結(jié)及對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的基礎(chǔ)上，參考應(yīng)用范圍較廣泛的過(guò)鎮(zhèn)海模型，提出適用于沙漠砂EPS混凝土的本構(gòu)模型，模型分為2組。

第1組適用于干密度等級(jí)為500 kg/m3的情況，

(8)

(9)

式中α1、α2分別為應(yīng)力 -應(yīng)變曲線的本構(gòu)參數(shù)， 經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，取α1=4，α2=0.2。

第2組適用于干密度等級(jí)為600～1 100 kg/m3的情況，

(10)

式中b1、b2、b3分別為應(yīng)力 -應(yīng)變曲線的本構(gòu)參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，取b1=4，b2=7，b3=0.65。

3.4 實(shí)驗(yàn)曲線與沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)模型對(duì)比

實(shí)驗(yàn)曲線與本文中提出的沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)模型對(duì)比如圖3所示。 由圖可以看出， 沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)模型與實(shí)驗(yàn)曲線吻合度較好， 體現(xiàn)了沙漠砂EPS混凝土初始加載時(shí)的壓實(shí)過(guò)程及峰后應(yīng)力快速衰減后的延性階段。 需要說(shuō)明的是，此本構(gòu)模型對(duì)曲線后期延性段的壓實(shí) -破壞過(guò)程表現(xiàn)欠佳， 但是處于此階段的試塊破碎程度較高， 喪失工程應(yīng)用價(jià)值， 因此對(duì)實(shí)際影響可以忽略不計(jì)。

(a)平均干密度為543 kg/m3(b)平均干密度為643 kg/m3(c)平均干密度為737 kg/m3(d)平均干密度為853 kg/m3(e)平均干密度為943 kg/m3(f)平均干密度為1 042 kg/m3σ—應(yīng)力; fc—峰值應(yīng)力;ε—相應(yīng)于應(yīng)力的應(yīng)變;εc—相應(yīng)于峰值應(yīng)力的應(yīng)變。圖2 不同平均干密度沙漠砂可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)混凝土實(shí)驗(yàn)曲線與普通混凝土本構(gòu)模型對(duì)比

4 結(jié)論

本文中對(duì)6組不同密度等級(jí)的沙漠砂EPS混凝土進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與普通混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到以下主要結(jié)論：

1)相比于普通混凝土， 沙漠砂EPS混凝土的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線峰前段存在明顯的壓密過(guò)程， 峰后應(yīng)力衰減至峰值應(yīng)力的40% ～60%后，更多呈現(xiàn)出延性趨勢(shì)，并且存在多次壓實(shí) -破壞過(guò)程。

(a)平均干密度為543 kg/m3(b)平均干密度為643 kg/m3(c)平均干密度為737 kg/m3(d)平均干密度為853 kg/m3(e)平均干密度為943 kg/m3(f)平均干密度為1 042 kg/m3σ—應(yīng)力; fc—峰值應(yīng)力;ε—相應(yīng)于應(yīng)力的應(yīng)變;εc—相應(yīng)于峰值應(yīng)力的應(yīng)變。圖3 不同平均干密度沙漠砂可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)混凝土實(shí)驗(yàn)曲線與本構(gòu)模型對(duì)比

2)由于適用條件不同，因此基于3種普通混凝土本構(gòu)模型與實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比結(jié)果均存在一定差異，在未對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)前并不適用于沙漠砂EPS混凝土。

3)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并總結(jié)現(xiàn)有普通混凝土本構(gòu)方程，提出了適用于沙漠砂EPS混凝土的本構(gòu)模型，結(jié)果表明，該模型可較好地描述本實(shí)驗(yàn)制備的沙漠砂EPS混凝土本構(gòu)關(guān)系。