碎石土室内直剪试验研究

Study on Indoor Direct Shear Test of Gravel Soil

摘要: 碎石土大多具有良好的工程性质，所以对其展开研究，了解其特性就具有非常重要的意义。为了对碎石土的力学性质有一定研究，本文以云南玉溪海通县附近碎石土为对象，进行了碎石土强度稳定性分析。在现场取土，并进行密实度测试，后续通过室内试验获取土的天然含水率和干密度，开展大型直剪试验，研究不同干密度和含水率下，施加不同竖向荷载时碎石土抗剪强度系数黏聚力c和内摩擦角的变化趋势。结果表明，含水状态对碎石土剪应力-剪切位移关系曲线有显著影响，在相同条件下，碎石土抗剪强度随含水率和竖向压力的变化呈现出特定规律。

Abstract: Most of the gravel soil has good engineering properties, so it is of great significance to study it and understand its characteristics. In order to study the mechanical properties of the gravel soil, the strength and stability analysis of the gravel soil near Haitong County, Yuxi, Yunnan province. The soil was taken on site and the compaction test was conducted. Subsequently, the natural moisture content and dry density of the soil were obtained through indoor tests, and the large-scale direct shear test was carried out to study the change trend of the shear strength coefficient cohesion c and internal friction Angle under different vertical loads. The results show that the water content state has a significant effect on the shear stress-shear displacement relationship curve of gravel soil. Under the same conditions, the shear strength of gravel soil shows a specific rule with the change of water content and vertical pressure.

1. 引言

当前，混凝土已成为工业与民用建筑领域中应用最为广泛的材料之一，天然砂作为制备混凝土不可或缺的成分。城镇化建设的迅猛发展对混凝土的需求量持续增长，导致天然砂石资源日益减少枯竭[1] [2]，许多地区开始限制或禁止开采河砂[3]。为此，一些地区采用机制砂取代河砂、湖砂等天然细骨料，但机制砂的应用伴随着环境污染[4]、来源复杂以及高石粉含量[5]等问题。因此，仍需要寻找量大、质好、经济环保的新型细骨料。

特细砂是细度模数介于0.7~1.5之间，平均粒径小于0.25 mm的砂[6] [7]。我国特细砂资源储量丰富，尤其在西部地区和两河流域，若合理开发并利用该资源生产特细砂混凝土不仅能够实现节能环保效益、降低建设成本，还可促进特细砂资源的合理利用和价值最大化，同时有效缓解天然砂石资源的短缺问题。 宓永宁等[8]-[10]发现砂率为0.27的辽河特细砂混凝土强度最高，抗冻等级达到F200。焦佳[11]发现砂率对特细砂混凝土和易性影响较大。张翠等[12]表明水胶比越小，砂率对邯郸特细砂混凝土和易性影响越大。赵书锋[13] [14]研究了砂率为0.4时开封特细砂掺量对混凝土性能的影响，发现特细砂掺量为20%~30%时混凝土抗压强度与收缩性能最优，掺量为30%时抗冻性最佳。综上所述，目前对特细砂混凝土的研究主要集中在砂率为0.27~0.32的范围内，研究焦点包括混凝土的工作性能、力学性能与耐久性能，但对于砂率超过0.4的黄河特细砂混凝土的力学特性，试验研究还相对较少。

因此，本文以特细砂替代率(0%、20%、30%、40%)和粉煤灰替代率(18%、28%)为变量，制备特细砂混凝土立方体与棱柱体试块，通过对比相关的力学参数，分析特细砂与粉煤灰替代率对特细砂混凝土力学性能的影响规律，为高砂率黄河特细砂混凝土的工程应用提供试验依据。

2. 原材料及试验方法

2.1. 原材料

特细砂混凝土由粗骨料、机制砂、特细砂、粉煤灰、水泥、外加剂与水组成。水泥采用宁夏赛马水泥厂生产PO42.5R级水泥；粉煤灰采用宁夏大坝电厂生产的I级粉煤灰，物理性质见表1；机制砂取自幸德源砼业有限公司，细度模数3.4；特细砂为宁夏金樾府基坑开挖出的黄河特细砂，物理性能见表2；粗骨料采用宁夏镇北堡生产人工碎石，属于II级配，粒径5~25 mm；外加剂选用萘系液体减水剂，减水效果为15%~25%；拌合水均采用宁夏本地自来水。

Table 1. Physical properties of fly ash

表1. 粉煤灰物理性质

Name	Specific surface area (m^2/kg)	Moisture content (%)	Loss on ignition (%)	Medium particle size (μm)
Fly ash	1110	0.2	2.8	7.79

Table 2. Physical properties of ultra fine sand

表2. 特细砂物理性能

名称	Specific surface area (m^2/kg)	Apparent density (kg/m^3)	Bulk density (kg/m^3)	Moisture content (%)
Ultra fine sand	150	2439	1425	0.4

2.2. 试验设计

试验以水胶比0.38、砂率0.44为试验定量，以特细砂替代率和粉煤灰替代率为试验变量。根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中质量法设计配合比，具体配合比如表3所示。根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)规范，每组配合比制作18个立方体试块(100 mm × 100 mm × 100 mm)与12个棱柱体试块(100 mm × 100 mm × 400 mm)，共计240个，分别用于测试特细砂混凝土抗压强度(7 d、28 d、128 d)、劈裂抗拉强度(7 d、28 d、128 d)及抗折强度(7 d、28 d、60 d、90 d)。

Table 3. Mix proportion of ultra fine sand concrete

表3. 特细砂混凝土配合比

Number	Cement (kg/m^3)	Replacement rate of fly ash (%)	Replacement rate of extra fine sand (%)	S/B	Water reducing agent dosage (%)
AF18S0	344.882	18	0	1.92	1.8
AF18S2	344.882	18	20		2.3
AF18S3	344.882	18	30		2.7
AF18S4	344.882	18	40		3.2
AF28S0	302.824	28	0		1.8
AF28S2	302.824	28	20		2.3
AF28S3	302.824	28	30		2.7
AF28S4	302.824	28	40		3.2

注：编号A表示水胶比0.38；S0、S2、S3、S4分别表示特细砂替代率为0%、20%、30%和40%；F18与F28分别表示粉煤灰替代率为18%与28%。

2.3. 试件制备与养护

根据试验配合比称量原材料，将细骨料、水泥、粉煤灰和粗骨料依次倒入搅拌锅中混合搅拌1 min，然后加入水与减水剂搅拌1 min。搅拌完成后，将拌合物分两次放入模具并在振动台上振捣成型。试块浇筑完成24 h后脱模，并迅速放入温度20˚C ± 2˚C，相对湿度95%以上的标准养护室中养护。

2.4. 试验方法

2.4.1. 特细砂分形特征

根据《建设用砂》(GB/T14684-2022)标准，采用标准砂石套筛(4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm)对特细砂进行筛分，确定特细砂在各个粒径范围内的颗粒含量，考虑到特细砂颗粒细小，补充了0.075 mm方孔筛。筛分样品来源于金樾府开挖出的黄河特细砂(编号A)，同时增加机制砂(编号B)作为对照组进行比较。两组砂样各取三小组，每小组称量500 g放入标准套筛，摇筛机摇筛10 min后，测量各个孔筛筛上特细砂及机制砂重量。

2.4.2. 力学性能测试

特细砂混凝土立方体试块养护至7 d、28 d、128 d龄期时，采用微机控制电液伺服万能试验机(SHT4106)测定试块抗压强度；使用微机控制电子万能试验机(CMT5305)测定试块劈裂抗拉强度；特细砂混凝土棱柱体试块养护至7 d、28 d、60 d及90 d龄期时，采用微机控制电子万能试验机(LD26.105)测定试块抗折强度。微机控制电液伺服万能试验机(SHT4106)、微机控制电子万能试验机(CMT5305)与微机控制电子万能试验机(LD26.105)见图1所示。

Figure 1. Universal testing machine

图1. 万能试验机

3. 结果与讨论

3.1. 特细砂分形特征

Table 4. Sample screening test data

表4. 样本筛分试验数据

Sample No	Mass of screen residue corresponding to each sieve opening /kg							Mx
	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075	Value	Average value
A1	0	0	0	0.003	0.015	0.184	0.236	1.322	1.334
A2	0	0	0	0.003	0.014	0.184	0.243	1.330
A3	0	0	0	0.003	0.015	0.182	0.254	1.350
B1	0.011	0.039	0.070	0.135	0.114	0.057	0.063	3.413	3.466
B2	0.013	0.048	0.074	0.138	0.107	0.052	0.056	3.485
B3	0.011	0.048	0.077	0.137	0.107	0.051	0.056	3.499

各个套筛筛上样品质量如表4所示。样品A中大于1.18 mm的颗粒几乎没有，大部分颗粒存在于0.6 mm~0.075 mm之间，细度模数均值为1.334。样品B中大部分颗粒存在于0.6 mm~0.3 mm之间，细度模数均值为3.466。

根据表4的试验结果采用公式(1) [15]计算各个分形参数$P\left(d_i\right)$ 、$d_{\text{i}}/d_{\text{max}}$ 及其对数值，求得各样品分形维数D，并将结果列入表5。

$D=3-\frac{\ln P\left(d_{\text{i}}\right)}{\ln \left(\frac{d_{\text{i}}}{d_{\text{max}}}\right)}$ (1)

式中：$P\left(d_i\right)$ 为通过率，即小于$d_i$ 粒径的颗粒质量占颗粒总质量的比例，$d_{max}$ 表示颗粒群中最大颗粒粒径，$D$ 为分形维数。

Table 5. Results of screening fractal analysis

表5. 筛分分形分析结果表

Sample	D		Relevance
	Value	Average value	R^2
A1	2.523	2.883	0.787
A2	2.508		0.778
A3	2.477		0.764
B1	2.528	2.534	0.794
B2	2.535		0.861
B3	2.539		0.868

由表3、表4可知，特细砂细度模数为1.334，分形维数为2.883，机制砂细度模数为3.446，分形维数为2.534，即砂子细度模数越大，分形维数越小。表征分形参数的双对数相关性指标R²均在0.75以上，相应的分形维数可表征特细砂颗粒的粗细程度。

3.2. 特细砂混凝土破坏形态

3.2.1. 抗压破坏形态

Figure 2. Evolution process of compressive failure cracks in ultra-fine sand concrete

图2. 特细砂混凝土抗压破坏裂纹演变过程

Figure 3. Typical compressive failure mode of ultra fine sand concrete

图3. 特细砂混凝土典型抗压破坏形态

加载特细砂混凝土立方体抗压强度试验过程中，随着荷载的不断增大，特细砂混凝土试块内部应力不断增大。加载到一定程度时，试块表皮出现一定剥落；持续加载，试块表面出现分布在上下端的倾斜角度较小的细小裂缝(图2(a))；随着荷载的增大，裂缝长度持续延伸，倾斜角度加大，向着试块中间靠拢(图2(b))；荷载进一步增大，裂缝宽度增加，并向内部发展，试块外侧混凝土剥落，最终形成四角锥形，如图3所示(AF18S3)。特细砂混凝土试块内部粗骨料断裂破坏较少，主要以水泥–粉煤灰凝胶体和粗骨料之间界面过渡区的界面粘结破坏为主，即压剪破坏。

3.2.2. 劈裂抗拉破坏形态

试验加载初期试块基本无变化，加载到一定程度时，试块表面中央出现竖向细小裂缝；进一步加载，试块裂缝宽度不断增大，最终试块在裂缝处“突然拉裂”成两段，发生脆性破坏。由图4可知，机制砂混凝土试块(图4(a))的断裂面中绝大部分粗骨料被劈裂，而特细砂混凝土(图4(b))以水泥凝胶体与粗骨料之间的界面粘结破坏为主，裂缝绕过了粗骨料表面，只有少部分粗骨料被劈裂。这是由于特细砂的掺入，降低了水泥–粉煤灰凝胶体与粗骨料之间的界面粘结强度。[16]

Figure 4. Fracture tensile test failure interface

图4. 劈裂抗拉试验破坏界面

3.3. 特细砂混凝土抗压强度

图5为特细砂混凝土抗压强度变化图。由图可知，不同特细砂替代率与粉煤灰替代率的特细砂混凝土28 d抗压强度在45.1 MPa与58.2 MP之间，满足C20~C50强度等级要求。不同龄期特细砂混凝土抗压强度随特细砂替代率的增加呈现逐渐降低的变化趋势，这是因为特细砂替代率的增大，机制砂用量越来越小，致使本就不均匀的级配变得更差，降低了特细砂混凝土试块抗压强度；此外，特细砂自身比表面积大，随着特细砂替代率的增加，会增大相应的界面过渡区[17] [18]，降低了砂浆与粗骨料之间的粘结应力，从而降低特细砂混凝土抗压强度。相同特细砂替代率下，养护7 d时，由于养护时间过短，粉煤灰的火山灰活性尚未发挥，仅起到填充作用[19]，导致粉煤灰替代率18%的特细砂混凝土抗压强度略高于粉煤灰替代率为28%的特细砂混凝土。养护128 d时，相较于粉煤灰替代率为18%的特细砂混凝土的抗压强度，粉煤灰替代率为28%的特细砂混凝土分别提高了10.9 MPa、7.6 MPa、7.0 MPa与4.7 MPa。这是因为粉煤灰颗粒中的活性物质会吸收氢氧化钙，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，与游离氧化钙以及高碱度水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙，改善水化胶凝物质的组成，从而增强混凝土后期强度[20]。

Figure 5. Relationship between compressive strength and aggregate substitution rate

图5. 抗压强度与集料替代率的关系

3.4. 特细砂混凝土劈裂抗拉强度

图6为特细砂混凝土劈裂抗拉强度变化图。随着特细砂替代率的增加特细砂混凝土劈裂抗拉强度呈现先降低后增加再降低的变化趋势；特细砂替代率为30%时，特细砂混凝土劈裂抗拉强度高于同龄期其余组特细砂混凝土。与抗压强度相似，相同特细砂替代率下，养护7 d时，粉煤灰替代率18%的特细砂混凝土劈裂抗拉强度略高于粉煤灰替代率为28%的特细砂混凝土。养护128 d时，相较于粉煤灰替代率为18%的特细砂混凝土的劈裂抗拉强度，粉煤灰替代率为28%的特细砂混凝土劈裂抗拉强度分别提高了0.4 MPa、0.4 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa。整体来说，粉煤灰对特细砂混凝土的劈裂抗拉强度影响较小。

Figure 6. Relationship between splitting tensile strength and aggregate substitution rate

图6. 劈裂抗拉强度与集料替代率的关系

3.5. 特细砂混凝土抗折强度

图7为特细砂混凝土抗折强度变化图。由图可知，特细砂混凝土的抗折强度随特细砂替代率增加呈现先降低后增加再降低的变化趋势，且同龄期下特细砂混凝土的抗折强度均低于未掺组特细砂混凝土。粉煤灰替代率为18% (图7(a))，养护28 d时，特细砂替代率为20%、30%和40%的特细砂混凝土的抗折强度与机制砂混凝土相比分别降低了5.7%、3.7%和13.2%，养护90d时，分别降低了3.1%、1.5%和6.3%。粉煤灰替代率为28% (图7(b))，养护28 d时，分别降低了7.1%、5.3%、10.7%；养护90 d时，分别降低了4.7%、1.6%、6.3%。其中特细砂替代率为30%时，特细砂混凝土抗折强度最好。

Figure 7. Variation law of flexural strength of ultra-fine sand concrete

图7. 特细砂混凝土抗折强度变化规律图

在不同粉煤灰掺量下，养护7 d时，粉煤灰替代率28%的特细砂混凝土抗折强度与同特细砂替代率下粉煤灰替代率为18%的特细砂混凝土相比分别降低了0.1 MPa、0.4 MPa、0.3 MPa及0.5 MPa；养护60 d时，分别增大了0.2 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa及0.2 MPa。说明增加粉煤灰掺量可降低特细砂混凝土早期抗折强度，提高混凝土后期抗折强度。

4. 结论

(1) 特细砂细度模数为1.334，分形维数为2.883；机制砂细度模数为3.446，分形维数为2.534。特细砂制备混凝土时抗压破坏模式为压剪破坏，劈裂抗拉破坏模式为脆性破坏。

(2) 特细砂混凝土在28 d时抗压强度在45.1 MPa与58.2 MP之间，满足C20~C50强度等级要求。特细砂混凝土抗压强度与特细砂替代率呈负相关，劈裂抗拉强度与抗折强度随着特细砂替代率的增加呈先降低后增加再降低的变化趋势，特细砂替代率为30%时，特细砂混凝土劈裂抗拉强度与抗折强度最优。

(3) 粉煤灰的火山灰效应可降低混凝土早期强度，提高混凝土后期强度，养护128 d龄期，粉煤灰替代率为28%相比于18%时试块的抗压强度分别提高了10.9 MPa、7.6 MPa、7.0 MPa与4.7 MPa，劈裂抗拉强度分别提高了0.4 MPa、0.4 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa，而粉煤灰替代率对试块的抗折强度影响较小。

基金项目

宁夏农垦建设有限公司技术开发合同“低碳、环保型砼系列建筑材料的研究与开发”(技术合同登记号：2022640101000054)。