胶结颗粒料^[1-2]是一种向密实堆积的颗粒体孔隙中填充胶结基质而成的环保型工程材料，胶结基质的黏结作用赋予颗粒体系整体力学行为。胶结颗粒料的力学特征和破坏机制介于连续体和颗粒料之间。自然界中常见的胶结颗粒料包括砂岩^[3]、砾岩^[1]等，人工制成的胶结颗粒料包括堆石混凝土^[4]和灌浆胶结砂土^[5]。

胶结颗粒料通常具有较高的颗粒体积分数，其力学特性主要取决于2个因素：颗粒骨架结构和胶结基质胶结结构。在胶结颗粒料的研究中，通常将胶结颗粒料视为由颗粒体、胶结基质和孔隙组成的三相材料。Radjai等^[6]、Delenne等^[7]和Ouadfel等^[8]研究表明颗粒骨架结构对胶结颗粒料的微观颗粒接触机制、荷载传递、宏观材料参数和局部破坏等有着重要的影响。Topin等^[1]研究表明，当胶结颗粒料中颗粒的体积分数足够大时，颗粒骨架由相互接触的颗粒形成；当相邻颗粒间隙均被胶结基质填充时，荷载作用下颗粒间胶结基质会产生应力集中，此时骨架结构由颗粒体以及颗粒间胶结基质共同构成。胶结基质在胶结颗粒料中具有2种作用：1)胶结基质赋予颗粒间黏结力，进而限制颗粒的转动和移动；2)胶结基质可以传递力并承担部分荷载。

在岩石、混凝土等研究领域中，声发射技术通常被用于监测试样的破坏过程，通过对声发射信号的提取和处理，分析材料破坏的前兆特征。纪洪广等^[9]通过室内试验，得到混凝土在荷载作用下声发射活性的特征函数，并给出声发射参数与材料损伤参数之间的关系，推导出基于声发射参数的损伤演化方程。尹贤刚^[10]对比了在荷载作用下岩石和混凝土的声发射特征。纪洪广等^[11]和郭庆华等^[12]对不同强度等级的混凝土在单轴压缩条件下声发射频率特征进行了深入分析。

对于具有高孔隙率的胶结颗粒料^[13]而言，很难获得标准的试样用于室内试验，而人工拌合而成的试样忽视了胶结颗粒料天然形成过程，其力学性质与自然沉积形成的胶结颗粒料存在较大差异^[14]。本文基于一种制样方法，采用自流可控灌浆技术，通过控制自密实水泥基胶结材料的流动性能，在密实堆积的散粒体中实现多种型式的胶结结构，进而形成胶结颗粒料。本文重点研究胶结基质对胶结颗粒料力学行为的影响，因此试验采用高强度氧化铝陶瓷球作为颗粒材料，保证胶结颗粒料在加载过程颗粒不发生破坏或磨损。通过单轴压缩试验研究不同胶结基质含量下胶结颗粒料的力学特征以及对应的声发射信号特征。

1 试验设计及方法 1.1 试验材料

胶结颗粒料试样为直径100 mm、高200 mm的圆柱体，颗粒材料采用氧化铝含量为92%的陶瓷球(HAC)，自密实水泥基胶结材料为自密实水泥净浆(self-compacting cement paste)。陶瓷球的密度为3.56 g/cm³，平均粒径为(6.21±0.23) mm，陶瓷球形状和粒径分布曲线如图 1所示。自密实水泥净浆是由水泥、水和高效减水剂通过搅拌机拌合而成。Palacios等^[15]研究表明，减水剂可以显著提高自密实水泥净浆的流动性能，而对水泥净浆强度无明显影响。自密实水泥净浆的流动性能指标可采用浆液扩展度表征^[16]。

自密实水泥净浆的配合比及其对应的流动性能见表 1，表中水灰比(V_w/V_p)表示水与水泥体积比，减水剂掺量为减水剂与水泥粉体质量之比。

1.2 制样方法

基于堆石混凝土^[4]相关研究成果，胶结颗粒料的制样过程主要包括4步：1)将陶瓷颗粒按质量等分为3份，然后将每份陶瓷颗粒装入制样模具并击实，重复上述步骤直至陶瓷球堆积高度达到试验要求(图 2a和2b)；2)称量新鲜的自密实水泥净浆，并将自密实水泥净浆倒入制样模具的上部浇筑筒(图 2c)；3)自密实水泥净浆在重力作用下沿着颗粒间隙向下流动，附着于颗粒表面、颗粒接触点和沉积于颗粒间隙，多余的自密实水泥净浆从制样模具底板流出(图 2c和2d)；4) 1 h后，称量模具浇筑后的质量(图 2d)，浇筑前后模具的质量差即为胶结颗粒料中胶结基质的质量。胶结基质的质量除以自密实水泥净浆的密度和试样体积即可得到胶结基质体积分数φ_m。

不同流动性能自密实水泥净浆浇筑而成的胶结颗粒料中胶结基质体积分数见表 1，表中胶结量为3~6个胶结颗粒料中浆体附着量的平均值，胶结颗粒料试样如图 3所示。24 h后拆模并将试样放入标准养护室，养护时长为26 d，第28 d将试样取出，在试验室内静置1 d，晾干试样，采用石膏抹平试样上下表面，使之符合规范规定^[17]。

试样中陶瓷球的体积分数为60.8%，略低于等粒径颗粒密实堆积的体积分数64%。为了研究浆体扩展度对附着量的影响，在表 1中5种配合比的基础上，额外增加了4种不同配合比净浆的浇筑试验。附着于颗粒体内部的净浆量(胶结基质体积分数)φ_m与其扩展度SF的关系如图 4所示，可以看出，净浆附着量取决于自密实水泥净浆的流动性能。当扩展度为220~265 mm时，沉积于颗粒内部的自密实水泥净浆的体积随着扩展度的增加呈线性减小；当扩展度大于265 mm时，净浆附着量趋于极限值，此时净浆附着量约为6%。

1.3 试验方法

采用清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室真三轴压力试验机进行单轴压缩试验，试验机型号为Instron 8808，最大压缩荷载为3 000 kN，传感器精度为2.5 N。加载过程采用位移控制，加载速度为0.075 mm/min，可视为准静态加载。加载前，对试样进行预压，确保试样表面与加压板充分接触，预压荷载为(2±0.5) kN。加载装置如图 5a所示。

声发射测量系统采用美国物理声学公司(PAC)生产的Micro-Ⅱ声发射测量设备，该设备具有24个监测通道，能够对声发射特征参数进行实时监测和处理。参考混凝土材料的声发射研究成果^[9-12]，本次试验中设定的声发射测量系统前置放大为40 dB，阈值为40 dB，探头谐振频率为20~100 kHz。采用磁力架将4个声发射探头对称固定于胶结颗粒料试样表面，同时将探头和其接触的试样表面涂抹凡士林，确保声发射信号能被探头良好接收，探头固定位置如图 5b所示。为了保证压缩试验和声发射监测试验具有相同的时间参数，加载系统和声发射监测系统同时开启。

2 试验结果及分析 2.1 应力应变曲线

图 6为不同胶结基质体积分数下，胶结颗粒料的应力应变曲线。相同配合比的自密实水泥净浆浇筑了3~6个试样，为了简化，每种工况仅选取2~3条应力应变曲线进行分析。由图 6可以看出，相同配比自密实水泥净浆浇筑而成的胶结颗粒料的应力应变曲线基本一致，表明上述的胶结颗粒料制样方法具备可行性。不同胶结基质体积分数的胶结颗粒料具有一些典型的力学行为，其应力应变曲线主要分为4个阶段：非线性上凹段(压密阶段)、线弹性段、应变软化段(破裂阶段)和应变硬化段。但对比不同胶结量试样的应力曲线可以看出，胶结基质体积分数对应力应变曲线有显著影响。

由图 6a可知，当胶结颗粒料中胶结基质体积分数较小时，峰值前的应力应变曲线以线弹性段为主，非线性上凹段长度很短，达到峰值后材料突然发生破坏，应力陡降；随着位移进一步增加，胶结颗粒料呈现应变硬化现象，此时应力应变曲线出现第2个应力峰值，第2个应力峰值的大小远低于第1个应力峰值；第2个峰值后继续加载，材料达到最终破坏。第2应力峰值产生的原因可能是胶结颗粒料在初始破坏时，并未形成贯通试样的宏观裂缝，随着位移的增加，破裂面附近胶结颗粒的咬合和摩擦作用导致应力增加。相对于颗粒间浆体胶结强度提供的承载力，颗粒咬合和摩擦作用提供的承载力较小，因此第2应力峰值也远低于第1应力峰值。

从图 6b-6e可以看出，随着胶结基质体积分数的增加，胶结颗粒料应力应变曲线逐渐发生改变。非线性上凹段的弯曲幅度及其延伸长度随着胶结基质体积分数的增加而增大，到达峰值强度后，应力降低幅度逐渐增大。当胶结基质体积分数增加至15%时，峰后阶段的应力应变曲线并未出现应变硬化现象，此时应力随着位移的增加继续减小。

由图 6d和6e可知，个别试样在达到峰值应力前，应力会呈现阶梯型上升，这是由于胶结颗粒料中胶结基质不断损伤，形成的微裂隙不断延伸和闭合。同时，有些试样达到峰值强度后，应力会突然降至0，试样不能承受荷载。分析其原因，主要是由于随着加载位移的增加，试样内部不断集聚的应变能突然释放，产生了贯通整个试样的宏观裂缝或破坏面。

2.2 力学特征

胶结基质体积分数对胶结颗粒料峰值强度的影响如图 7所示。由图可知，胶结颗粒料的峰值应力随着胶结基质体积分数增加而增大。胶结基质对强度的提高主要体现在以下2点：1)胶结基质体积分数的增加意味着附着于颗粒接触点的浆体增多，增大了颗粒间胶结面积，提高颗粒间胶结强度，进而提高试样整体强度；2)胶结基质填充颗粒间的孔隙，在降低材料的孔隙率的同时承担部分荷载，从而使试样内部的应力分布更加均匀，进而提高试样承载能力。

通过对峰值应力的数据进行拟合发现，峰值应力和胶结基质体积分数不仅呈现线性关系且拟合的直线通过原点。峰值应力随胶结基质的增长趋势与Delenne等^[2]试验所得的规律基本一致，不同的是本文试验中胶结基质对强度的影响更加显著，这可能是由于水泥基胶结基质具有更高的胶结强度。峰值应力与胶结基质体积分数的关系式如下：

$\sigma_{\text { peak }}=0.87 \varphi_{\mathrm{m}}, R^{2}=0.99.$

(1)

如图 6e所示，将峰值前的应力应变曲线分为两部分：一部分为非线性上凹段，上凹段的应变长度记为ε_a；另一部分为线弹性段，线弹性段的应变长度记为ε_e。线弹性段是通过对应力应变曲线线性拟合得到，且拟合直线的R²不小于0.995。

图 8为ε_a和ε_e随胶结基质体积分数的变化。由图 8a可知，上凹段应变长度随着试样中胶结基质体积分数的增加先线性增大，然后基本保持不变，对应的胶结基质体积分数为11.1%，表明胶结基质对上凹段应变长度的影响存在阈值，超过阈值后，继续提高试样内胶结基质体积分数对压密阶段的力学性能影响不大。从图 8b可以看出，试样中胶结基质附着量对线弹性段应变长度无明显影响，本文试验中胶结颗粒料线弹性段应变延伸长度约为0.128%。以上分析表明，当胶结基质体积分数为5.69%~16.06%时，增加试样中胶结基质体积分数对压密阶段有显著的影响，而对线弹性段无明显影响。

2.3 声发射信号特征

采用声发射系统监测了34个试样的破坏过程，结合采样情况，本文选择其中3个具有代表性的试样进行声发射信号特征分析，3个试样的胶结基质体积分数分别为5.74%、9.15%和15.15%。为了更清晰地研究声发射信号特征，采用声发射比率R_s随加载时间的变化规律表征加载过程中材料的声发射信号特征，R_s为单位时间内撞击数R_i与总撞击数R_t之比。

图 9为不同胶结基质含量的胶结颗粒料应力和声发射比率随时间的变化曲线，可以看出胶结基质对胶结颗粒料的声发射信号特征有着显著的影响。总的来说，试样在达到应力峰值时，均会产生较多的声发射事件，表明声发射信号能有效判别胶结颗粒料内部的破坏，并能给出材料破坏的前兆信息。

由图 9a可知，当胶结基质体积分数较小(5.74%)时，试样在压密阶段和线弹性段，基本无声发射事件产生；继续加载至峰值前，开始出现较弱的声发射信号，表明试样内部开始产生微破坏；当试样到达峰值的瞬间，声发射事件急剧增多，表明试样内部突然发生损坏，此时试样发生整体性破坏；在应变硬化阶段，仍有声发射信号产生，表明此阶段试样内部仍在发生破坏或试样内部断裂面附近的颗粒不断发生咬合和摩擦；在峰后残余变形阶段，声发射信号又恢复到较低水平，该阶段试样已基本完全损坏。

随着胶结颗粒料中胶结基质附着量的增加，声发射信号特征逐渐改变，如图 9b所示。当胶结基质体积分数为9.15%时，试样在加载初期(压密阶段)，无明显的声发射信号产生，表明试样内部在压密阶段无破坏产生；当试样从压密阶段过渡到线弹性段时，开始逐渐出现声发射事件，表明试样内部开始发生破坏；试样在线弹性段初期，声发射事件数随着位移的增加迅速增多，在线弹性段后期产生的声发射事件数缓慢增加，在试样达到峰值时声发射事件数达到最大，试样破坏后基本无声发射信号产生。

图 9c是胶结基质体积分数为15.15%(即颗粒内部孔隙填充率为38.2%)的胶结颗粒料声发射信号随加载时间的变化。可以看出，在压密阶段初期无声发射事件发生，在压密阶段后期声发射信号逐渐增强，表明试样在压密阶段中期开始产生损伤；在线弹性阶段，声发射事件数开始快速增加，并保持在很高的水平，表明随着应变能的积聚，试样损伤速率加快，破坏点逐渐增多；在峰值前声发射信号有轻微的减弱，这是由于峰值前试样内部应力发生轻微的回落；在试样到达峰值的瞬间，声发射事件数进一步增加；试样在峰值后，基本无声发射事件发生。

以上分析表明，不同胶结基质含量的胶结颗粒料的内部破坏规律不同。对于胶结基质含量低的胶结颗粒料，试样内部的破坏主要集中于峰值点附近；随着胶结基质含量的增加，试样内部破坏时间前移，从线弹性段开始便发生破坏并持续破坏，直至峰值点附近破坏数量达到最大；继续增加试样内部胶结基质的附着量，试样破坏开始时间又前移至压密阶段中期，从压密阶段中期开始，材料内部破坏速率增大，在线弹性阶段达到最大，然后持续破坏。

分析其原因，试验所采用的骨料为陶瓷球，其强度远高于硬化后的水泥浆体，胶结颗粒料的破坏为水泥浆体的破坏。较低的胶结基质含量，意味着胶结基质主要附着于颗粒表面或沉积于颗粒接触点，见图 10a。颗粒表面附着的浆体在加载过程中基本不会发生破坏，颗粒接触点处的浆体由于颗粒之间的接触作用，在加载过程初期很难发生破坏，因此在压密阶段和线弹性阶段无明显声发射事件产生；继续增加荷载，颗粒接触点附近的胶结物的胶结强度不能再维持颗粒骨架结构的稳定，导致颗粒接触点附近浆体发生整体性破坏，此时声发射事件突然增多。随着胶结基质体积分数的增加，即颗粒间隙不断被胶结基质填充，此时胶结基质不仅附着于颗粒接触点还沉积于相邻颗粒间隙，见图 10b和10c。荷载作用下，试样内部附着于颗粒接触点的胶结基质限制颗粒转动和移动，填充于颗粒间隙的胶结基质传递荷载和分担荷载，随着荷载的增加，颗粒间隙中的胶结基质率先到达极限强度并逐渐开始破坏，伴随声发射信号的产生。同时，结合图 8b推断，浆体的线弹性段的长度可能主要取决于附着于颗粒接触点附近的浆体体积分数，颗粒间隙中的胶结基质对其影响较小。

3 结论

本文基于一种胶结颗粒料制样方法，采用自流可控灌浆技术，通过控制自密实水泥基胶结材料的流动性能，实现胶结基质在颗粒料中附着量和附着结构的改变。通过单轴压缩试验对胶结颗粒料的力学行为进行了研究，同时采用声发射设备分析了加载过程中胶结颗粒料内部的破坏响应, 主要结论如下：

1) 胶结颗粒料应力应变曲线主要包括上凹段、线弹性段、应变软化段和应变硬化段。上凹段弯曲幅度和延伸长度随着胶结基质增多而增加。应变硬化段随着胶结基质增多逐渐消失，应变硬化段产生的第2应力峰值远小于材料峰值强度。

2) 胶结颗粒料上凹段长度和峰值强度随着胶结基质体积分数增加呈线性增大，且峰值强度与胶结基质的拟合直线通过原点；胶结颗粒料线弹性段应变长度与胶结基质体积分数无关。

3) 声发射监测系统可很好判别胶结颗粒料内部胶结基质的损伤和破坏。胶结基质附着量对声发射现象有着显著的影响，对于低胶结量的试样，声发射信号主要集中于峰值点附近；中等胶结量试样在线弹性段开始产生声发射信号；对于高胶结量的试样，声发射信号开始于压密阶段，即随着胶结基质含量的提高，声发射活跃期逐渐前移。

4) 颗粒间隙中胶结基质会先达到破坏强度，然后颗粒接触点附近的胶结基质发生破坏，颗粒接触点附近沉积的胶结基质对应力应变曲线线弹性段应变长度起决定作用。