膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)研究與工程應(yīng)用

閆林 何建新 楊海華

摘?要：針對(duì)某實(shí)際膠凝砂礫石永久性水利工程特性進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，采用丁樸榮理論公式法和最大密度試驗(yàn)法進(jìn)行三種砂礫石料混合級(jí)配設(shè)計(jì)，并結(jié)合配合比試驗(yàn)研究優(yōu)選膠凝材料用量和水膠比。膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度隨著膠凝材料用量的增大而增大，且在膠凝材料用量大于100 kg/m3時(shí)，膠凝砂礫石材料力學(xué)性能趨向于混凝土。此外，在同一膠凝材料用量下，試件抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即存在最優(yōu)水膠比。綜合實(shí)際施工技術(shù)、節(jié)約經(jīng)濟(jì)及抗壓強(qiáng)度富余度等條件，最終為該工程推薦膠凝材料用量為100 kg/m3，水膠比為1.0。

關(guān)鍵詞：膠凝砂礫石;配合比設(shè)計(jì);級(jí)配;膠凝材料用量;最優(yōu)水膠比

中圖分類號(hào)：TV41?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.018

Abstract： This paper details the mixture ratio design of the Permanent Water Conservancy project of the actual cementing sand and gravel. The Ding Pu-rong theory formula method and the maximum compactness test method were used to carry out three kinds of sand and gravel mixture gradation design. And combining the mix ratio test to optimize the amount of cementitious materials and the ratio of water and rubber. The compressive strength of cementitious sand-gravel material increases with the increases of the dosage of cementitious materials. And when the dosage of cementitious material is greater than that of 100 kg/m3， the mechanical properties of cementitious sand-gravel materials tend to be concrete. In addition， under the same cementitious material dosage， the tendency of the compressive strength of specimen was increased first and then decreased with the increase of the ratio of water to rubber. And the optimal water glue ratio was found in the test results. Combined with the actual construction technology， economical and the surplus degrees of compressive strength， the recommended cementitious materials dosage and water glue ratio for the project is 100 kg/m3 and 1.0， respectively.

Key words： cementitious sand gravel; proportioning design; gradation; gel material dosage; optimal water glue ratio

膠凝砂礫石壩是介于土石壩和混凝土壩之間的一種過渡壩型，其使用材料膠凝砂礫石（簡稱CSG）是用少量的膠凝材料（如水泥、粉煤灰）及原則上不經(jīng)過篩分和水洗的壩址區(qū)河床砂礫石料，通過簡易拌和、攤鋪、振動(dòng)碾壓而形成的具有一定抗壓、抗剪強(qiáng)度的新型筑壩材料[1-4]。膠凝砂礫石材料的應(yīng)用起源于20世紀(jì)70年代，由于其符合“宜材適構(gòu)”的建筑理念，且具有施工快速、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全性高等特點(diǎn)[5-7]，因此在國外永久性水利工程中得到廣泛應(yīng)用。但其在我國永久性水利工程中鮮有使用，究其原因：一是目前國內(nèi)學(xué)者在進(jìn)行膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)研究時(shí)，對(duì)于砂礫石料不進(jìn)行級(jí)配篩分或采用三級(jí)配設(shè)計(jì)，致使理論方法不統(tǒng)一，試驗(yàn)和研究結(jié)果有差異;二是不進(jìn)行砂礫石料級(jí)配篩分時(shí)，實(shí)際工程現(xiàn)場天然砂礫石料級(jí)配離散性太大，造成膠凝砂礫石強(qiáng)度離散性過大，使得膠凝砂礫石壩施工質(zhì)量難以控制。

新疆某調(diào)蓄水池壩型為膠凝砂礫石壩，是新疆首座采用膠凝砂礫石材料的永久性水利工程，調(diào)蓄水池最大壩高22.31 m，壩頂長68.0 m，寬4.0 m，大壩上游坡比為1∶0.50，下游坡比為1∶0.75。大壩通體分兩區(qū)，皆采用膠凝砂礫石材料填筑。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該工程壩址區(qū)河床的天然砂礫石料（A料）中細(xì)料含量過少，僅為18.4%，級(jí)配偏粗，且含泥量（為3.6%）稍高。結(jié)合前期室內(nèi)試驗(yàn)得出，A料在膠凝材料用量達(dá)到120 kg/m3時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度勉強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求，為4.16 MPa，但此時(shí)膠凝材料用量較多，試件空隙較大，蜂窩麻面嚴(yán)重。本研究通過丁樸榮理論公式法和最大密度試驗(yàn)法改善砂礫石料級(jí)配，并結(jié)合膠凝砂礫石配合比試驗(yàn)分析各項(xiàng)因素對(duì)膠凝砂礫石材料的影響，為該工程

配合比設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1?原材料及試驗(yàn)方法

1.1?砂礫石料

A料為壩址區(qū)河床剔除粒徑大于80 mm顆粒后的砂礫石料;B料為A料剔除部分加工破碎顆粒后產(chǎn)生的砂礫石料，其粒徑小于60 mm;C料是由外料場提供的細(xì)料，粒徑小于5 mm。該工程擬混合使用A、B、C三種砂礫石料，以達(dá)到減少膠凝材料用量和提高膠凝砂礫石材料強(qiáng)度的目的。三種砂礫石料級(jí)配見表1。

1.2?其他原材料

試驗(yàn)水泥采用新疆蒙鑫P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用準(zhǔn)東東方希望電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，水為普通自來水。

1.3?試驗(yàn)方法

借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)[8-11]，結(jié)合該工程設(shè)計(jì)要求，將VC值（用來衡量干硬性或低流塑性拌和物流動(dòng)性能的指標(biāo)）控制在2～15 s，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)考慮砂礫石料的飽和面干吸水量，在此基礎(chǔ)上根據(jù)VC值調(diào)整水膠比，并設(shè)置對(duì)照組試驗(yàn)。采用維勃稠度儀測定VC值，VC值測定后，采用濕篩法剔除粒徑大于40 mm的砂礫石料，并分三層裝入150 mm×150 mm×150 mm的鋼試模中，每層插搗后擊實(shí)，擊實(shí)功為0.537 J/cm3。將擊實(shí)后的試件表面抹平并稱重，每組試驗(yàn)制作3個(gè)試件，將3個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度平均值作為該組試驗(yàn)的結(jié)果。膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)及實(shí)測參數(shù)見表2。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?試驗(yàn)結(jié)果

成型試件蓋封2 d后脫模，室內(nèi)采用棉布包裹覆蓋，恒溫（20±2） ℃灑水養(yǎng)護(hù)28 d?？箟簭?qiáng)度采用STYE-200J型巖石抗剪抗壓試驗(yàn)機(jī)測定，將加載速度控制為0.8 kN/s，直到試件破壞，試件28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.2?砂礫石料級(jí)配設(shè)計(jì)

砂礫石料含量占膠凝砂礫石材料的90%以上，對(duì)膠凝砂礫石材料力學(xué)性能具有重要影響。不同地區(qū)砂礫石料級(jí)配差異性顯著，即便是同一地區(qū)的砂礫石料，級(jí)配也存在隨機(jī)性，砂礫石料級(jí)配的差異性是造成膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度離散性的主要原因，也是制約膠凝砂礫石在永久性工程中使用的主要因素。通過可靠的理論依據(jù)調(diào)整幾種級(jí)配不良的砂礫石料混合比例，以改善混合后的砂礫石料級(jí)配，對(duì)膠凝砂礫石材料在實(shí)際工程中的運(yùn)用具有重要價(jià)值。

2.2.1?丁樸榮理論公式法

針對(duì)該工程三種不同級(jí)配的砂礫石料用量，進(jìn)行人工調(diào)配，以優(yōu)化其級(jí)配。采用丁樸榮級(jí)配理論公式計(jì)算最優(yōu)配合比例[12]，得到理論最大密實(shí)度下的砂礫石料級(jí)配組成，即

式中：Pi為篩孔直徑di的通過率，%;F為粒徑小于0.075 mm的填料用量，%;n為級(jí)配指數(shù);di為某一篩孔直徑，mm;Dmax為石料最大粒徑，mm;d0.075為填料最大粒徑，d0.075=0.075 mm。

可以看出，影響級(jí)配的關(guān)鍵因素為填料最大粒徑、級(jí)配指數(shù)和粒徑0.075 mm顆粒用量等取值。根據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[13]及前人試驗(yàn)總結(jié)得到：砂礫石料最大粒徑不宜超過80 mm，小于5 mm粒徑細(xì)料的含量以18%～35%為宜。張傲齊[14]認(rèn)為新疆地區(qū)膠凝砂礫石工程建設(shè)中，骨料的最大粒徑宜選擇100 mm，級(jí)配指數(shù)宜為0.30～0.36。劉錄錄[15]進(jìn)一步提出，小于5 mm粒徑細(xì)料的最優(yōu)含量為25%～30%，在砂礫石料用量優(yōu)選時(shí)將其作為參考。

采用丁樸榮理論公式經(jīng)多種情況求解得到三種砂礫石料混合比例為A料∶B料∶C料=75∶15∶10時(shí)，理論級(jí)配曲線與合成級(jí)配曲線擬合程度最佳，最優(yōu)級(jí)配組成見表4。取A料級(jí)配曲線作為對(duì)比，砂礫石料級(jí)配曲線見圖1?？梢钥闯?，理論級(jí)配曲線與合成級(jí)配曲線擬合良好，與理論級(jí)配相比A料級(jí)配明顯偏粗，合成砂礫石料中細(xì)料含量明顯提升，達(dá)到31.3%，含泥量（為3.1%）有所降低。

2.2.2?最大密實(shí)度試驗(yàn)法

不同于振搗密實(shí)的普通混凝土施工工藝，膠凝砂礫石施工宜采用類似于碾壓混凝土振動(dòng)碾壓的施工工藝，因此膠凝砂礫石級(jí)配設(shè)計(jì)采用相對(duì)密度試驗(yàn)原理更為適宜。砂礫石料混合比例不同對(duì)應(yīng)最大密實(shí)度不盡相同，砂礫石料密實(shí)度越大土體顆粒空隙越小、所成型膠凝砂礫石密實(shí)度越大，此時(shí)使用較少的漿體（膠凝材料漿體）即可滿足膠結(jié)要求。

采用相對(duì)密度試驗(yàn)儀對(duì)各組混合砂礫石料分別進(jìn)行3次最大密實(shí)度試驗(yàn)，試驗(yàn)振動(dòng)頻率為50 Hz，振幅為±1 mm，頂部施加正應(yīng)力14 kPa，振動(dòng)時(shí)間為6～8 min，將3次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，試驗(yàn)組合及結(jié)果見表5。

由表5可知，當(dāng)砂礫石料混合比例為75∶15∶10時(shí)，砂礫石料的最大密實(shí)度為2 120 kg/m3，試驗(yàn)最優(yōu)混合比例與丁樸榮理論公式計(jì)算比例相吻合，證明利用理論公式法進(jìn)行設(shè)計(jì)、最大密度試驗(yàn)法進(jìn)行復(fù)核可有效解決膠凝砂礫石工程砂礫石料級(jí)配離散性的問題，從而提高膠凝砂礫石材料的適用性和易用性。

綜上所述，在混合比例為75∶15∶10的合成砂礫石料基礎(chǔ)上進(jìn)行膠凝砂礫石配合比試驗(yàn)研究更為合理，可規(guī)避砂礫石料級(jí)配問題帶來的影響。膠凝砂礫石實(shí)測密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖2。

隨著實(shí)測密度的增大抗壓強(qiáng)度不斷增大，相同條件下實(shí)測密度與抗壓強(qiáng)度成正比。通過計(jì)算，擬合出其一次函數(shù)（關(guān)系式），確定系數(shù)R2為0.95，線性相關(guān)程度較高。由此說明，通過砂礫石料最大密度控制砂礫石料級(jí)配是可行的，對(duì)設(shè)計(jì)膠凝砂礫石配合比有利。

2.3?膠凝材料用量設(shè)計(jì)

膠凝材料用量是影響膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度的主要因素。《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[13]中指出膠凝材料用量不宜低于80 kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3，粉煤灰和其他摻合料的總含量宜為40%～60%。因此，對(duì)膠凝材料用量m分別設(shè)為80、100、120 kg/m3的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其中膠凝材料配合比為水泥∶Ⅱ級(jí)粉煤灰=1∶1。由圖3可知，膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料用量的增大而增大，在水膠比w分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料用量的增大分別提升了42%、44%、26%、22%、22%，且在膠凝材料用量大于100 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長率平均提高了9%，此時(shí)膠凝砂礫石材料力學(xué)性能更趨同于混凝土的。

2.4?水膠比設(shè)計(jì)

水膠比對(duì)膠凝砂礫石材料的密實(shí)度和強(qiáng)度有重要影響。由圖4可知，同一膠凝材料用量下，試件抗壓強(qiáng)度先隨水膠比的增大而增大，出現(xiàn)峰值后下降。原因是：一方面砂礫石料具有一定的空隙，所能填充的漿體是一定的，在不改變漿體體積的情況下，膠凝材料用量與用水量成反比，使得水膠比隨著膠凝材料用量的增大而減小。另一方面試件抗壓強(qiáng)度與漿體濃度有關(guān)，當(dāng)漿體濃度過稠時(shí)，拌和物干澀不易擊實(shí)，造成試件密實(shí)度降低，抗壓強(qiáng)度減小;當(dāng)漿體濃度過稀時(shí)，拌和物易泌水，造成部分膠凝材料分布不均或隨水分流失，試件強(qiáng)度減小。因此，膠凝材料用量為80、100、120 kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水膠比分別為1.1、1.0、0.9。

2.5?推薦配合比

該膠凝砂礫石壩工程設(shè)計(jì)要求28 d抗壓強(qiáng)度不小于4.0 MPa，由表3可以看出，膠凝材料用量達(dá)到80（僅當(dāng)水膠比為1.1和1.2時(shí)）、100、120 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度都可滿足要求，但120 kg/m3的膠凝材料用量過大，工程造價(jià)較高。當(dāng)膠凝材料為80 kg/m3、水膠比為1.1時(shí)，合成料抗壓強(qiáng)度為4.15 MPa，滿足工程設(shè)計(jì)要求，然而此時(shí)強(qiáng)度富余度不足，對(duì)施工技術(shù)要求過高，實(shí)際施工中保證率較低。綜合上述分析，推薦該工程膠凝材料用量為100 kg/m3，水膠比為1.0。

3?結(jié)?論

（1）選用天然砂礫石料作為膠凝砂礫石的原材料時(shí)，原則上無需考慮級(jí)配問題，但在特殊情況下人為適當(dāng)調(diào)整砂礫石料級(jí)配對(duì)降低膠凝材料的用量和工程造價(jià)是較為有利的。針對(duì)該工程，采用丁樸榮理論公式法和最大密度試驗(yàn)法能夠有效改善砂礫石料的級(jí)配，理論清晰，結(jié)果可靠，推薦砂礫石料混合比例為A料∶B料∶C料=75∶15∶10。

（2）通過配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)可知，膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度隨著膠凝材料用量的增大而增大，且在膠凝材料用量大于100 kg/m3時(shí)，其力學(xué)性能更趨同于混凝土的。同一膠凝材料用量下，試件抗壓強(qiáng)度先隨水膠比的增大而增大，出現(xiàn)峰值后下降，即存在最優(yōu)水膠比。

（3）考慮實(shí)際施工技術(shù)、節(jié)約經(jīng)濟(jì)及抗壓強(qiáng)度富余度等條件，推薦該工程膠凝材料用量為100 kg/m3，水膠比為1.0。

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