膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度性能試驗(yàn)研究

(江西省水利水電建設(shè)有限公司， 江西 南昌 330000)

膠凝砂礫材料因其具有施工工序簡潔、施工周期較短、工程結(jié)構(gòu)布局較為合理、節(jié)約工程建設(shè)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用于筑壩施工中[1]。在膠凝砂礫石材料的特性中，抗壓強(qiáng)度是決定工程質(zhì)量的主要因素，而膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度受膠凝材料用量、用水量、粉煤灰摻量及砂率等參數(shù)的影響[2]，因此,如何使膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度最大、最優(yōu)用水量是膠凝砂礫石材料的研究熱點(diǎn)。

目前,國內(nèi)對膠凝砂礫石材料的研究處于起步階段,基礎(chǔ)理論研究相對較少,試驗(yàn)方法不夠完善,沒有建立系統(tǒng)的力學(xué)指標(biāo)體系,不利于膠凝砂礫石材料研究的進(jìn)一步發(fā)展。徐龍用正交試驗(yàn)確定了貧膠凝砂礫石的最佳配合比，指出了影響貧膠凝砂礫石強(qiáng)度的主要因素[3]。田青青等人總結(jié)了膠凝砂礫石材料力學(xué)特性、膠凝砂礫石壩數(shù)值分析方法、壩體基本剖面設(shè)計(jì)原則[4]。

本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過改變膠凝砂礫石材料的齡期、外摻粉煤灰用量、水泥用量、用水量等參數(shù)，探究膠凝砂礫石材料在不同齡期、不同粉煤灰摻量和水泥用量下的抗壓強(qiáng)度變化，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到水泥、粉煤灰等材料摻量對膠凝砂礫石材料強(qiáng)度的影響程度，從而得出水泥、粉煤灰的最佳摻量，為工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)z凝砂礫石原材料

此次研究采用以水泥(425號普通硅酸鹽水泥)、二級粉煤灰和水為主要原料成分的泥漿進(jìn)行試驗(yàn)。對試驗(yàn)所用砂礫石料進(jìn)行篩分，其中中石子(直徑9～30mm)與小石子(直徑1～9mm)的比例設(shè)定為6.5∶3.5。

1.2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)以研究膠凝砂礫石材料中的的用水量與水泥用量、外摻粉煤灰用量、砂率、齡期之間的相互影響規(guī)律為目的，分別改變單個(gè)參數(shù)的摻量，通過評價(jià)和分析不同摻量對膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度性能的影響，從而得到性能變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，再改變各參數(shù)的摻量進(jìn)行結(jié)果對比，得出其最優(yōu)摻量。

1.3 參數(shù)配合比

在膠凝砂礫石材料中，水泥用量(C)、粉煤灰用量(F)及砂率為最基本的三個(gè)參數(shù)。因此，此次試驗(yàn)主要從這幾個(gè)參數(shù)著手進(jìn)行研究。此次試驗(yàn)混合比設(shè)計(jì)參數(shù)詳情如下：

表觀密度設(shè)定為2400kg/m3

需水量設(shè)計(jì)7個(gè)等級，分別為70kg/m3、80kg/m3、90kg/m3、100kg/m3、110kg/m3、120kg/m3、130kg/m3。

固定外摻粉煤灰用量為40kg/m3，含砂比例設(shè)定為0.20，水泥用量作為一個(gè)變量，分別取為40kg/m3、50kg/m3、60kg/m3。

固定水泥用量為50kg/m3,含砂比例為0.20，外摻粉煤灰用量作為一個(gè)變量，分別取為30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3。

固定外摻粉煤灰用量為40kg/m3，水泥用量取為50kg/m3，含砂比例作為一個(gè)變量，分別設(shè)定為0.2、0.3、0.4。

2 膠凝砂礫石材料用水量與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分析

2.1 用水量與水泥總量影響關(guān)系

此次試驗(yàn)中，對外摻粉煤灰用量40kg/m3，含砂比例0.2，水泥用量分別取40kg/m3、50kg/m3、60kg/m3的三種膠凝砂礫石材料，按28天和90天不同期齡研究水泥用量與最優(yōu)用水量之間的關(guān)系。經(jīng)過試驗(yàn)檢測，得出試驗(yàn)結(jié)果(見圖1、圖2)。

圖1 期齡為28天時(shí)不同水泥摻量下用水量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 期齡為90天時(shí)不同水泥摻量下用水量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

最優(yōu)用水量就是能使每組配合比膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)對應(yīng)的用水量。從圖1和圖2可以看出，當(dāng)砂率為0.20時(shí)，水泥摻量每增加10kg/m3，最優(yōu)用水量隨之增加10kg/m3。水泥用量對膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度影響明顯，而且最優(yōu)用水量隨水泥摻量的增加而增加。

之所以出現(xiàn)這種關(guān)系，是因?yàn)樵诠潭ê氨壤哪z凝砂礫石材料中，當(dāng)用水量處于較低水平時(shí)，膠凝砂礫石材料會近似呈現(xiàn)散粒狀，此時(shí)抗壓強(qiáng)度肯定比較低；當(dāng)用水量增加時(shí)，膠凝砂礫石材料中砂礫石之間的摩擦力減小，因此更容易在振搗下變得緊致；但當(dāng)用水量持續(xù)增加時(shí)，就會稀釋材料，反而使膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度降低。

通過對期齡分別為28天和90天的兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析獲得不同混合比的膠凝砂礫石材料最優(yōu)需水量與最優(yōu)水膠比(見表1)。

表1 各個(gè)期齡不同混合比的最優(yōu)用水量和水膠比

由表1可知，隨齡期的增加，材料的最優(yōu)用水量和最優(yōu)水膠比都減小，這可能是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，膠凝砂礫石材料前期含有的參與水化反應(yīng)的水及與外界環(huán)境交換的水量減少，導(dǎo)致其需水量隨之減??；水泥用量與最優(yōu)水膠比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化規(guī)律，即水泥用量增長，最優(yōu)水膠比反而降低。

2.2 外摻粉煤灰用量與需水量的函數(shù)變化規(guī)律

粉煤灰可以有效改善膠凝砂礫石材料的和易性，同時(shí)可以避免粗骨料分離。選取的混合比為：水泥用量50kg/m3，含砂比例0.20，外摻粉煤灰用量分別取30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3。與前個(gè)試驗(yàn)方法一樣，分28天和90天的不同齡期來研究粉煤灰用量與最優(yōu)用水量之間的關(guān)系(見圖3和圖4)。

圖3 28天齡期時(shí)各種外摻粉煤灰摻量下用水量對抗壓強(qiáng)度的影響折線

圖4 90天齡期時(shí)各種粉煤灰摻量下用水量對抗壓強(qiáng)度的影響折線

從圖4可以看出，當(dāng)砂率為0.20時(shí)，水泥摻量每增加10kg/m3，最優(yōu)用水量隨之增加10kg/m3；隨著粉煤灰摻量的增加，膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量隨之增大，當(dāng)粉煤灰摻量和用水量各增加10kg/m3時(shí)，對膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度影響明顯。

再對期齡分別為28天和90天的兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析獲得不同混合比的膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量與最優(yōu)水膠比(見表2)。

表2 不同期齡下的最優(yōu)用水量和水膠比

分析表2中數(shù)據(jù)可看出，隨著期齡和粉煤灰摻量的增加，膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量和最優(yōu)水膠比均呈現(xiàn)減小趨勢。

2.3 用水量與含砂比例的關(guān)系

選取齡期為28天時(shí)不同砂率進(jìn)行試驗(yàn)。膠凝砂礫石材料的配合比為：水泥50kg/m3，粉煤灰40kg/m3，含砂比例依次設(shè)定為0.10、0.20、0.30、0.40，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制兩者之間的變化折線(見圖5)。

圖5 各含砂比例時(shí)用水量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系變化折線

從圖5可以得出，含砂比例每增加0.10，最優(yōu)用水量就會隨之增加10kg/m3。當(dāng)材料的齡期等其他因素不變時(shí)，含砂比例發(fā)生改變，每種混合比的膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量均存在，且與含砂比例成正相關(guān)關(guān)系。分析其原因，主要是含砂比例較低時(shí)，砂漿不能夠?qū)⒛z凝砂礫石材料粗骨料表面覆蓋，并且存在大量空隙，砂漿體積與粗骨料空隙體積比值處于較低水平，造成大量骨料分層現(xiàn)象。當(dāng)含砂比例增大，處于較高水平時(shí)，粗骨料中細(xì)顆粒數(shù)量增加，粗骨料總表面積與空隙比例大幅提升，削弱了膠凝砂礫石材料的流動性，強(qiáng)度下降。

對上面齡期為28天的膠凝砂礫石材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3。

表3 最優(yōu)用水量與含砂比例率的關(guān)系

從表3可以看出，隨著膠凝砂礫石砂率的增加，最優(yōu)用水量和最優(yōu)膠水比是隨之增大的。

2.4 砂率與壓實(shí)密度的關(guān)系

選取水泥用量50kg/m3，外摻粉煤灰用量40kg/m3，砂率分別取0.10、0.20、0.30、0.40膠凝砂礫石材料研究砂率與壓實(shí)密度的關(guān)系(見圖6)。

圖6 不同含砂比例下用水量與壓實(shí)密度的關(guān)系

從圖6可以看出，在一個(gè)范圍內(nèi)各組混合比的膠凝砂礫石材料的壓實(shí)密度與用水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即用水量增加，其壓實(shí)度隨之增加，超出其范圍后各組混合比的膠凝砂礫石材料的壓實(shí)密度與用水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即用水量增加，其壓實(shí)度反而下降。在范圍臨界點(diǎn)處，膠凝砂礫石材料壓實(shí)度達(dá)到峰值。

當(dāng)含砂比例為0.10時(shí)，砂漿量無法將全部膠凝砂礫石粗骨料表面覆蓋，也無法填充骨料間的間隙。這時(shí)膠凝砂礫石材料的壓實(shí)密度也比較低；當(dāng)含砂比例提升到最優(yōu)砂率0.20時(shí)，膠凝砂礫石材料獲得最大流動性且具有良好的黏滯性及保水性，此時(shí)材料的壓實(shí)密度最大；當(dāng)砂率持續(xù)增加到0.30時(shí)，材料中細(xì)顆粒增多，空隙率變大，膠凝材料的流動性逐漸降低，從而造成壓實(shí)密度減?。划?dāng)砂率增加到0.40時(shí)，膠凝砂礫石材料中空隙率進(jìn)一步變大，流動性更差，材料的壓實(shí)密度降低。

3 結(jié) 論

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)z凝砂礫石材料中不同用水量與水泥用量、含砂比例之間的變換關(guān)系，可以得出結(jié)論：各混合比下的膠凝砂礫石的最優(yōu)用水量范圍為80～120kg/m3，最優(yōu)水膠比為0.87～1.41；依據(jù)每組不同混合比的擬合結(jié)果，用水量與抗壓強(qiáng)度之間存在相關(guān)性在0.85以上的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系；材料的砂率和用水量作為決定材料抗壓密度及相關(guān)性能的重要參數(shù)，在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況并做大量試驗(yàn)進(jìn)行合理標(biāo)定，以使膠凝砂礫石材料的性能達(dá)到最優(yōu)。fffff5

[1] 馮煒.膠凝砂礫石壩筑壩材料特性研究與工程應(yīng)用[J].中國水利水電研究院學(xué)報(bào)，2013(3):175.

[2] 孫明權(quán),孫政衛(wèi),楊世鋒,等.用水量對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào),2017(1):64-65.

[3] 徐龍.嚴(yán)寒地區(qū)膠凝砂礫石材料特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[4] 田青青,楊世鋒.膠凝砂礫石材料力學(xué)特性、耐久性及壩型綜述[J].人民黃河,2016(7):83-85.