基于CSG工法鋪筑渠道斜坡墊層特性試驗研究

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(新疆額河建管局質(zhì)量技術(shù)處， 烏魯木齊 830000)

基于CSG工法鋪筑渠道斜坡墊層特性試驗研究

李行星，李維炳

(新疆額河建管局質(zhì)量技術(shù)處， 烏魯木齊 830000)

在新疆北疆地區(qū)某大型渠道施工中，對采用膠結(jié)砂礫石(CSG)工法鋪筑的渠道斜坡墊層材料的工程特性進(jìn)行了室外、室內(nèi)試驗，分析了制備不同密度摻水泥膠結(jié)材料的試驗參數(shù)，確定了膠結(jié)砂礫石鋪筑1d后可進(jìn)行鋪膜澆筑混凝土板施工的材料實際應(yīng)用指標(biāo)，提高了施工效率。本文對此加以介紹。

CSG工法； 渠道斜坡； 襯砌墊層； 試驗研究

CSG工法已廣泛應(yīng)用于道路、大壩等工程施工，通常情況下，膠結(jié)料施工為水平鋪筑，重型機械壓實，而在本工程中，墊層料為斜坡布料，小功率振動壓實，與傳統(tǒng)CSG工法有較大差別，目前，該工法鋪筑膠結(jié)砂礫料的工程特性的相關(guān)研究甚少。本試驗研究首先在現(xiàn)場人工挖塊取樣，在現(xiàn)場密度、顆粒級配試驗成果分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場膠結(jié)物中砂干密度的變化范圍，在室內(nèi)制備不同水泥摻量、不同密度的試樣，進(jìn)行抗壓強度試驗和滲透試驗，經(jīng)統(tǒng)計分析，擬合確定數(shù)學(xué)公式，計算出實際施工膠結(jié)砂礫石的工程特性參數(shù)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 砂石料級配及干燥表觀密度

顆粒級配試驗和干燥表觀密度的試料取自現(xiàn)場Ⅰ標(biāo)、Ⅱ標(biāo)、Ⅲ標(biāo)、Ⅳ標(biāo)4個穩(wěn)定土拌和站。砂石料級配見圖1。從圖1中可以看出，砂石料最大粒徑為30mm，小于5mm粒徑含量為70%以上，小于0.08的含量約10%，砂礫料中顆粒粒徑大于5mm的礫石質(zhì)量百分比(以下簡稱P5)為10%～25%，且各個標(biāo)段砂石料級配曲線差別較小。砂顆粒表觀干密度為2.63g/cm3，礫石顆粒表觀干密度2.67g/cm3。按混凝土試驗規(guī)程[2]干砂的堆積密度試驗結(jié)果見表1。按土工試驗規(guī)程[1]，砂最大干密度加壓重的振動試驗，砂最大干密度可達(dá)1.90g/cm3。

表1 室內(nèi)干砂堆積密度試驗結(jié)果(g/cm3)

圖1 現(xiàn)場各標(biāo)段砂石料顆粒級配曲線

1.2 膠結(jié)塊密度

本次密度測定共取24塊，在室內(nèi)用臘封法[1]測定其密度。測定密度后將膠結(jié)塊碾碎，用篩分法測定每一塊P5數(shù)值。并分別測定砂和礫石的含水量，用加權(quán)平均法計算膠結(jié)塊的含水量。由于當(dāng)?shù)貧夂蚋稍锒囡L(fēng)，取到室內(nèi)的膠結(jié)塊的含水量僅為1%～2%。根據(jù)膠結(jié)塊密度試驗結(jié)果，可由式(1)計算出膠結(jié)塊的干密度γSCG(g/cm3)。

γCSG=γ/(1+WCSG)

(1)

式中γ——臘封法測定膠結(jié)塊密度，g/cm3；

WCSG：膠結(jié)塊含水量，%。

圖2 P5與γCSG關(guān)系

圖2為P5-γCSG關(guān)系圖，從圖2可看出，P5在10%～25%范圍內(nèi)，膠結(jié)砂礫石的干密度在1.50～1.75g/cm3范圍內(nèi)。因礫石顆粒的比表面積較砂顆粒大，表面需包裹的水泥砂顆粒較少，如果忽略不計礫石表面膠結(jié)的水泥，則在膠結(jié)砂礫石中水泥主要與砂顆粒膠結(jié)，在水泥摻量按干砂礫混合料控制為5%的條件下，水泥占砂顆粒的百分比也隨含礫量增加。

1.3 干燥空隙率

由于壓實功能小，渠道墊層膠結(jié)砂礫石的干燥密度低，其空隙率也較大，干燥空隙率可按式(2)計算。

VCSG=1-γCSG/ρCSG

(2)

式中VCSG——膠結(jié)砂礫石的空隙率，%；

γCSG：膠結(jié)砂礫石的壓實干密度，g/cm3；

ρCSG:膠結(jié)砂礫石中水泥、砂、礫石顆粒表觀密度加權(quán)平均值，g/cm3。

根據(jù)式(2)計算的空隙率見圖3，由此可知墊層膠結(jié)砂礫石的空隙率在35%～45%范圍內(nèi)，且隨著P5增加，空隙率加大。

圖3 P5與VCSG關(guān)系

1.4 單位砂用量

膠結(jié)砂礫在摻礫石較少和壓實密度低的條件下，其性能主要由水泥和砂的壓實密度及其比例確定，根據(jù)現(xiàn)場膠結(jié)砂礫石干密度可計算出砂的干密度，即可得出單位砂用量。設(shè)現(xiàn)場壓實取膠結(jié)砂礫石21kg，即水泥為1kg，砂石料為20kg，水泥摻量為5%，則砂的干密度可由式(3)計算。

γS=(20×(1-P5))/(21/γCSG-1/ρC-20×P5/ρG)

(3)

式中γS——現(xiàn)場膠結(jié)砂礫石中砂的干密度，g/cm3；

P5——礫石含量，%；

γCSG——膠結(jié)砂礫石干密度，g/cm3；

ρC——水泥顆粒密度，g/cm3，按3.10g/cm3計；

ρG——礫石顆粒表觀干密度，g/cm3，按實測2.67 g/cm3計。

P5與γS的關(guān)系見圖4。渠道斜坡墊層膠結(jié)砂石料，因壓實功能低，其干密度在1.45～1.75 g/cm3之間，P5越大干密度越低，其干燥空隙率為30%～45%。在忽略不計礫石粘結(jié)水泥顆粒的情況下，膠結(jié)砂中水泥占砂的百分比為5%～7%。結(jié)合圖5的結(jié)果，可計算出在膠結(jié)砂礫石中，除去水泥顆粒及礫石顆粒，砂的干密度γS處于1.30～1.60g/cm3范圍內(nèi)，即砂的單位用量在1300～1600kg/m3范圍內(nèi)。

圖4 P5與γS的關(guān)系

2 室內(nèi)試驗

2.1 原材料與試驗方法

水泥為P.O42.5水泥，水泥顆粒密度為3.10g/cm3，水為工地飲用水，砂采用Ⅰ標(biāo)、Ⅱ標(biāo)、Ⅳ標(biāo)砂石料中篩除5mm以上顆粒的砂料。

采用水泥膠砂試模(尺寸為4cm×4cm×16cm)成型不同密度的齡期為1d的抗壓強度試樣，成型后立即用塑膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，保持室溫20℃至24h后，在小型壓力設(shè)備上進(jìn)行抗壓強度試驗。齡期為28d的試樣采用10cm3立方體試模按一定的密度壓制成型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后，進(jìn)行抗壓強度試驗?？?jié)B試樣的尺寸為滲水厚度為4cm，面積為30cm2的圓柱體，按一定的密度壓制成型后，立即用塑膜覆蓋，保持室溫20℃，試樣在圓環(huán)試模中保持14d后進(jìn)行變水頭抗?jié)B試驗。所有試樣均按試模體積計算試料質(zhì)量，分2層稱取試料，按設(shè)定的密度壓實。

2.2 試驗結(jié)果

試驗共進(jìn)行22組抗壓強度試驗和9組抗?jié)B試驗。試驗配合比、配合比參數(shù)及試驗結(jié)果見表2。

表2 室內(nèi)試驗配合比及抗壓強度、滲透系數(shù)試驗結(jié)果

續(xù)表

2.3 分析與討論

2.3.1 滲透系數(shù)

根據(jù)表2的滲透系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)，室內(nèi)試樣干燥空隙率VCS與滲透系數(shù)K擬合曲線見圖5。滲透系數(shù)K與室內(nèi)試樣干燥空隙率VCS的擬合公式見式(4)。

圖5 室內(nèi)試樣干燥空隙率與滲透系數(shù)擬合曲線

K=49.95×(VCS)9.83(相關(guān)系數(shù)R2=0.915)

(4)

式中VCS——室內(nèi)(砂+水泥)試樣空隙率；

γCS——室內(nèi)(砂+水泥)試樣干密度，VCS=1-γCS/ρCS；

ρCS——砂+水泥加權(quán)平均顆粒表觀密度。

圖6 實測干燥空隙率與推算滲透系數(shù)關(guān)系

將式(2)計算的實測膠結(jié)砂礫石空隙率VCSG帶入公式(4)，推算出現(xiàn)場膠結(jié)砂礫石的滲透系數(shù)KT見圖6。由圖6可知現(xiàn)場膠結(jié)砂礫的滲透系數(shù)在1×10-3～1×10-2cm/s之間，礫石含量較大的Ⅳ標(biāo)段滲透系數(shù)為1×10-2cm/s。

2.3.2 抗壓強度

2.3.2.1 室內(nèi)試驗齡期為1d的抗壓強度R1

根據(jù)表2的抗壓強度的試驗數(shù)據(jù)，不同水泥摻量的干砂密度γS和抗壓強度R1關(guān)系見圖7。由圖7可知，砂的壓實干密度在1.60g/cm3以下，水泥外摻4%、5%、6%的強度差別逐漸縮小，在1.60g/cm3以上，摻量4%，強度隨密度增加差別較小，但當(dāng)水泥摻量大于等于5%時，強度與砂干密度關(guān)系曲線斜率增大，這或許是由于水泥微小顆粒的距離縮小到一定程度，吸引力大于斥力所致，這也證明水泥外摻5%，是一個合理的數(shù)值。根據(jù)表2中水泥外摻5%～6%的試驗結(jié)果，砂干密度和抗壓強度R1的擬合曲線公式見圖8，擬合曲線公式見式(5)，相關(guān)系數(shù)R2=0.93。

圖8 砂干密度和R1抗壓強度擬合曲線

R1=0.016×γS6.924

(5)

式中R1——1d抗壓強度,MPa；

γS——試樣砂干密度,g/cm3。

2.3.2.2 現(xiàn)場R1抗壓強度的推算

利用式(3)計算出的現(xiàn)場砂干密度γS代入式(5)中，可推算出現(xiàn)場膠結(jié)砂礫料的抗壓強度R1，結(jié)果見圖9。從圖9中可以看出，Ⅳ標(biāo)的強度最低，最小為0.09MPa，其他標(biāo)段強度在0.15～0.41MPa內(nèi)，究其原因是因為Ⅳ標(biāo)段P5較大，為25%左右，其他標(biāo)段P5為15%左右。

圖9 現(xiàn)場干密度γS與R1的關(guān)系

圖10 不同水泥摻量的干砂密度γS和抗壓強度R28

2.3.2.3 室內(nèi)試驗齡期為28d的抗壓強度R28

根據(jù)表2的抗壓強度的試驗數(shù)據(jù)，不同水泥摻量的干砂密度γS和抗壓強度R28關(guān)系見圖10。由圖10知，R28隨干砂密度增加而加大，干砂密度較小。加大水泥摻量對強度影響小，干砂密度增加，則不同水泥摻量的強度差異加大，規(guī)律與R1大致相同。根據(jù)表2水泥外摻5%～6%的試驗結(jié)果，砂干密度和抗壓強度R28的擬合曲線見圖11。擬合公式見式(6)，相關(guān)系數(shù)R2=0.95。

R28=0.053×γS6.101

(6)

式中R28——28d抗壓強度(MPa)；

γS——試樣砂干密度(g/cm3)。

圖11 砂干密度和R1抗壓強度擬合曲線

2.3.2.4 現(xiàn)場齡期為28d的抗壓強度R28推算

利用式(3)計算出的現(xiàn)場砂干密度γS代入式(6)中，計算出現(xiàn)場膠結(jié)砂礫料的抗壓強度R28，結(jié)果見圖12。從圖12中可以看出，標(biāo)記Ⅳ標(biāo)的強度最低，最小為0.20～0.30MPa，其他標(biāo)段強度在0.30～0.90MPa內(nèi)。

圖12 現(xiàn)場干密度γS與R28的關(guān)系

3 結(jié) 論

a.在壓實功能較低和礫石含量大的條件下，由于礫石的“支撐”作用，膠結(jié)砂礫石中砂的密度處于疏松堆積狀態(tài)時，不能充分發(fā)揮摻水泥的膠結(jié)作用，在本斜坡膠結(jié)砂礫石墊層料的P5宜小于20%。

b.膠結(jié)砂礫石墊層料在低密度狀態(tài)下，水泥用量增加對強度貢獻(xiàn)不大，強度大小主要取決于砂密度和空隙率。

c.膠結(jié)砂石墊層料滲透系數(shù)在1×10-3～1×10-2cm/s內(nèi)，現(xiàn)場膠結(jié)砂石墊層料R1強度在0.10～0.40MPa范圍內(nèi)，R28強度在0.20～0.90范圍內(nèi)。膠結(jié)砂礫石鋪筑1d后可進(jìn)行鋪膜澆筑混凝土板的施工。

[1] SL 237—1999土工試驗規(guī)程[S].

[2] SL 352—2006,水工混凝土試驗規(guī)程[S].

Research of Channel Slope Cushion Feature Test Based on CSG Method

LI Xing-xing, LI Wei-bing

(XinjiangEheConstructionAuthorityQualityandTechnicalDepartment,Urumqi830000,China)

Indoor and outdoor test is conducted on engineering features of channel slope cushion materials paved by adopting cemented sand and gravel (CSG) method in construction of west to east water division channel lining project construction in northern region of Xinjiang. Test parameters for preparing cement-mixed materials with different densities are analyzed. Practical application indicators of materials for membrane paving concrete slab paving one day after CSG pavement are determined, thereby improving construction efficiency. The condition is introduced in the paper.

CSG construction method; channel slope; lining cushion; experimental research

F323

B

1005-4774(2014)09-0000-03