水泥硬化的钙质沙在真实三轴应力下的力学性能和能量演变：来自声发射与应变能密度的见解

《Transportation Geotechnics》：Mechanical properties and energy evolution of cemented calcareous sand under true triaxial stress: Insights from acoustic emission and strain energy density

　　摘要
理解在复杂三维应力状态下胶结钙质砂的劣化过程对于评估岛基工程稳定性至关重要。本研究通过进行真实三轴压缩试验并结合声发射（AE）监测，研究了不同中间主应力及普通波特兰水泥（OPC）含量下胶结钙质砂的力学响应、能量演变和破坏机制。结果表明，峰值强度随中间主应力的增加而提高，同时应变路径在经向平面上表现出非线性变形。中间主应力的增加促进了平行于σ1-σ2平面的拉应力裂隙的产生，并使破坏模式向更脆性的拉剪模式转变。AE计数和能量捕捉了微裂纹的逐步发展过程；较高的中间主应力延缓了裂隙的聚合，并在接近峰值破坏时集中了能量释放，这进一步通过bAE和峰值频率分布的变化得到体现。RA-AF分析表明，在高胶结程度的样品中剪切裂纹占主导地位；而随着水泥含量的降低，拉应力裂纹变得更加明显。当OPC含量为25%且bσ为1.0时，峰值强度从46.4 MPa增加到113.1 MPa；而在OPC含量为17%且bσ也为1.0时，剪切型裂纹贡献了95.5%的AE能量。此外，最大拉应力裂纹能量贡献所对应的bσ值从1.0分别降至0.75和0.5，这与高频AE响应和宏观破坏模式的变化是一致的。这些发现揭示了裂纹能量贡献、频域特征以及宏观裂纹发展之间的耦合关系。AE与应变能量结合的分析为胶结钙质砂的渐进损伤和不稳定提供了基于能量的解释。

引言
随着海洋资源的日益开发，岛屿基础设施建设已成为区域发展和海洋工程扩展的重要前提[1]、[2]。钙质砂由海洋生物及生物遗迹的长期沉积形成，广泛分布于岛屿和海岸线附近，包括南海、澳大利亚、东南亚、波斯湾和墨西哥湾地区。由于其就地可获取性，它越来越多地被视为传统建筑材料的替代品。然而，钙质砂颗粒具有高度多孔性、形状不规则、易胶结且压缩性高，导致其力学行为与石英或河砂显著不同[3]、[4]、[5]、[6]。当直接用作机场跑道、港口码头和道路路基的基础或回填材料时，钙质砂常常无法满足上部结构的承载要求。颗粒破碎、滑动、过度变形和不均匀沉降可能影响基础设施的使用性、耐久性和稳定性，尤其是在复杂荷载和环境条件下。因此，提高钙质砂的力学性能对其在岛屿基础设施中的安全可持续应用至关重要。

压缩后的钙质砂形成相互锁定的结构，比传统的石英砂具有更高的初始刚度和承载能力[7]、[8]。为了减轻其基础不稳定性，人们进行了大量关于物理、生物和化学处理方法的探索。然而，如动态压实和石柱这样的物理方法在安装过程中常常会导致大规模变形和颗粒破碎，因此它们在深层地层中的效率和适用性较差[9]、[10]、[11]、[12]。在实际工程应用中，通常需要将桩基等结构措施与化学和生物方法结合使用，以满足地基的承载要求。基于微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）技术作为一种生物矿化土壤改良方法，被认为是最可持续的现代建筑技术之一，并在建筑材料领域取得了令人鼓舞的结果[13]、[14]、[15]。尽管MICP在提高颗粒土壤工程性能方面具有潜力，但该技术受环境条件、微生物活性和效率的影响较大。这些因素会改变钙质砂的力学行为，且矿化产物可能造成生态损害[16]、[17]。此外，高盐度海水中的反应时间较长和微生物抑制作用使得MICP的成本过高，严重限制了其在珊瑚礁稳定化中的实际可行性。由于水泥基材料的可用性和可加工性，它们仍然是全球基础设施建设的主要材料，经常用于改善钙质砂[18]、[19]、[20]。胶结作用可以降低孔隙率并提高强度，在珊瑚礁项目中显著节省能源和成本。因此，它对沿海深基础建设具有重要意义。

钙质砂基础的强度和稳定性对上部结构的安全至关重要，因此水泥稳定化已成为珊瑚礁基础设施建设的关键策略。近期研究考察了在不同普通波特兰水泥（OPC）含量、养护条件、水环境、水灰比和附加胶凝材料（SCMs）下的胶结钙质砂的力学性能[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。例如，Wang等人[29]表明15%的OPC可以满足道路和机场跑道的浅基础强度要求，后续研究则显示矿渣、粉煤灰和沸石粉可以改变水化作用、孔结构、耐海水性和环境性能，尽管它们对强度提升的影响各不相同[30]、[31]。这些研究阐明了胶结程度、养护龄期、外加剂和微观结构演变在提高增强型钙质砂宏观强度方面的重要作用。同时，珊瑚混凝土作为海洋基础设施的基本材料也受到了越来越多的关注。现有研究通过使用钙质骨料制备、纤维增强和胶凝材料替代等方法提高了其强度、刚度和耐久性，并研究了其在不同荷载或约束条件下的抗压、抗弯、抗剪、抗冲击和损伤本构行为[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。数值研究[37]、[38]，如Chen等人的三维介观建模[39]，进一步揭示了珊瑚混凝土在真实三轴应力状态下的裂纹传播和破坏变形特性。尽管取得了这些进展，但目前关于胶结钙质砂的研究 mostly 基于无约束压缩或传统三轴试验，中间主应力的影响很少被考虑。此外，大多数关于基于珊瑚的胶凝材料的研究集中在使用粗骨料的珊瑚混凝土上，而使用钙质砂作为细骨料的胶凝材料的研究较少。因此，对于复杂三维应力路径下胶结钙质砂的力学响应、损伤演变和破坏机制仍然了解不足，限制了其在深地基和岛土工程中的应用。

在实际施工中，深基础同时承受结构荷载和原位应力，因此通常经历非均匀应力状态（即真实三轴应力状态 σ1 > σ2 > σ3）[40]、[41]、[42]、[43]。在这种条件下，中间主应力会显著改变变形、强度和破坏机制，与传统三轴试验假设的轴对称应力状态（σ2 = σ3）不同。应力状态的变化促进了微裂纹的萌生和传播，导致强度和刚度的逐渐劣化。因此，准确描述胶结钙质砂在真实三轴荷载下的变形和破坏过程对于评估深基础的安全性和稳定性至关重要。从损伤力学的角度来看，材料劣化受内部微裂纹的萌生、传播和聚合的控制。声发射（AE）作为一种实时无损监测技术，能够捕捉损伤演变过程中局部能量释放产生的瞬态弹性波。它已被广泛用于研究岩石和混凝土中的断裂过程[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]，但在胶结钙质砂中的应用仍有限。AE参数提供了关于微裂纹演变和断裂机制的宝贵信息，是识别复杂应力路径下损伤发展的有效工具。从热力学角度来看，材料变形和破坏可以被视为一个由外部能量输入、弹性应变能储存、不可逆耗散和突然能量释放驱动的不稳定过程。应变能量理论已被广泛应用于量化岩石[54]、[55]、[56]、混凝土[57] 和胶凝材料[59]中的损伤相关能量耗散。然而，关于胶结钙质砂在真实三轴应力状态下的能量演变仍了解不足。从能量角度研究胶结钙质砂的变形和破坏机制，并建立能量变化、强度特性和破坏过程中的关系，可能有助于更深入地理解其变形和破坏的本质。

基于此，本研究通过以下方式扩展了现有研究：(i) 量化中间主应力和OPC含量对强度和三维变形的影响；(ii) 结合AE裂纹模式演变、峰值频率特征和能量释放来追踪渐进破坏过程；(iii) 确定与最大拉应力裂纹能量贡献相关的中间主应力系数的胶结依赖性变化；(iv) 分析应变能量密度以确定特征应力状态，并揭示中间主应力如何调节损伤积累和不稳定裂纹传播。第2节描述了材料和试验程序。第3节展示了力学和变形响应，第4节分析了AE特征和应变能量演变。第5节综合了这些观察结果以阐明破坏机制，第6节给出了主要结论。

试验材料
原材料的来源和物理化学性质如图1所示。钙质砂采集自南海的一个珊瑚礁填海场地。它呈乳白色，松散且未固结，颗粒形状不规则且边缘明显。为了确保样品制备和胶结质量，去除了大于2毫米的颗粒。P·O 42.5水泥和钙质砂的粒径分布如图1c所示。

应力-应变关系
图5显示了在不同中间主应力作用下，含有不同OPC含量的胶结钙质砂的应力-应变响应，其中压缩视为正方向，膨胀视为负方向。在三轴压缩（bσ = 0）下，中间主应变和最小主应变（ε2和ε3）重合，如图5a、5f和5k所示。体积应变εv先增加后减小，表明在破坏过程中先发生收缩然后膨胀。

AE特征和能量演变分析
为了更深入地了解整个真实三轴加载过程中胶结钙质砂的响应特征，并阐明内部损伤和变形的机制，本节基于AE特征和能量演变模式进行了分析和讨论。

基于AE和应变能量的断裂分析
利用AE可以准确捕捉材料的断裂行为，这也是一个能量演变的过程。因此，本节结合AE和应变能量特征，研究了胶结钙质砂在真实三轴加载下的整个断裂过程，以进一步探索能量耗散和微裂纹演变之间的关系。图18展示了胶结钙质砂的力学变形和能量演变。

结论
本研究系统地研究了真实三轴加载下胶结钙质砂的力学响应、AE特征和能量演变，特别关注了中间主应力和OPC含量的影响。主要结论如下：
(1) 在研究范围内，峰值强度随中间主应力的增加而持续提高，同时剪切刚度和以剪切为主的应变响应也逐渐增强。

作者贡献声明
Saidongla Maxueyi：撰写——原始稿件、可视化、验证、调查、形式分析、数据整理、概念化。
Zhiwei Cai：撰写——审阅与编辑、形式分析。
Zhihao Zhu：监督、调查。
Wei Cui：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金一般项目的支持（授权号52479131）。
Saidongla Maxueyi | Zhiwei Cai | Zhihao Zhu | Wei Cui