膠凝砂礫石材料特性及填筑工藝研究

吳海燕

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 831100)

0 引 言

膠凝砂礫石作為一種高水膠比、低膠凝材料用量的經(jīng)濟(jì)環(huán)保型筑壩材料，其填筑施工工藝與混凝土碾壓施工近似，很多單位都積累了比較豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)骨料的要求比后者低，同時(shí)具有單次攤鋪厚度更厚、施工效率更高的特點(diǎn)，因而在水利工程建設(shè)中越來(lái)越受到重視和應(yīng)用[1-2]。

由于膠凝砂礫石材料的最大骨料粒徑可達(dá)150 mm，甚至300 mm，因此在填筑施工過(guò)程中需要大型施工機(jī)械進(jìn)行振動(dòng)碾壓才能將其壓實(shí)。目前，關(guān)于膠凝砂礫石的研究大多數(shù)都是采用單因素輪換分析法[3-6]，這種試驗(yàn)得出的結(jié)論與實(shí)際應(yīng)用之間還存在一定的差異，研究成果的轉(zhuǎn)化利用率較低。因此，開(kāi)展多因素多水平協(xié)同作用下的膠凝砂礫石材料性能研究，對(duì)于推動(dòng)膠凝砂礫石的實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義。

本文采用四因素三水平正交試驗(yàn)，對(duì)單位用水量、單位水泥用量、單位粉煤灰用量以及砂率4種因素協(xié)同作用下的工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期能為指導(dǎo)工程實(shí)踐提供幫助。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

膠凝材料：主要包括PO42.5R普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級(jí)粉煤灰。水泥密度為3.16 g/cm3，主要化學(xué)成分為CaO、SiO2和Al2O3，占比分別為58.5%、24.7%和4.5%，初凝和終凝時(shí)間分別為205和249 min，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為22.8和43.6 MPa；粉煤灰主要化學(xué)成分為SiO2、Fe2O3和Al2O3，占比分別為56.6%、7.6%和21.3%，密度為2.1 g/cm3，比表面積3 400 cm2/g，需水比為102%。細(xì)度為18%，燒失量為3.6%。

骨料：粗骨料為二級(jí)配天然卵石，質(zhì)量比：小石(5～20 mm)：中石(20～40 mm)=3∶1，堆積密度為1 711 kg/m3；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，中砂，級(jí)配分區(qū)為Ⅱ區(qū)，級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 砂料顆粒級(jí)配

水：當(dāng)?shù)刈詠?lái)水，pH=6.6，密度為1 000 kg/m3。

外加劑：選用聚羧酸系 PCA-HPWR高效減水劑，減水率為37%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)方法，將單位用水量、單位水泥用量、單位粉煤灰用量以及砂率4種因素作為變量，單位用水量分別為110、120和130 kg/m3，單位水泥用量分別為60、70和80 kg/m3，單位粉煤灰用量分別為60、70和80 kg/m3，砂率分別為24%、27%和30%，從而構(gòu)建四因素三水平的正交試驗(yàn)配比方案，見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)配比方案

續(xù)表1

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

原材料拌和：按照試驗(yàn)配比稱(chēng)取各種原材料，首先投入水泥、粉煤灰和砂攪拌0.5 min，然后加入1/2的水?dāng)嚢?.5 min，接著加入粗骨料、減水劑以及剩余的1/2水?dāng)嚢? min，最后將攪拌好的膠凝砂礫石料靜置10 s后卸料。

VC值試驗(yàn)：VC值主要反映膠凝砂礫石料的工作性能。實(shí)驗(yàn)儀器主要使用VBR-2數(shù)顯維勃稠度儀，VC值測(cè)試應(yīng)在膠凝砂礫石料拌和完成20 min內(nèi)進(jìn)行，取兩次實(shí)驗(yàn)值的平均值作為最終結(jié)果。

強(qiáng)度試驗(yàn)：將拌和好的膠凝砂礫石料做成150 mm×150 mm×150 mm的正方體試件，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)60 d，取出試件后在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載加載速率為5 kN/s。

抗?jié)B試驗(yàn)：分為兩個(gè)部分，一部分進(jìn)行氣滲性試驗(yàn)，一部分進(jìn)行水滲性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器均采用Autoclam全自動(dòng)滲透性測(cè)試儀。根據(jù)滲透試驗(yàn)結(jié)果，劃分為“很好”、“好”、“差”、“很差”4個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)情況見(jiàn)表2。

表2 滲透系數(shù)等級(jí)劃分

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 VC值

膠凝砂礫石材料的VC值試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可以看到，相同單位用水量情況下，膠凝砂礫石材料的VC值呈鋸齒狀降低，水膠比越小，VC值越小，單位用水量對(duì)VC值呈顯著性影響，單位用水量每增加1 kg/m3，VC值平均降低0.44 s；而砂率與水泥、砂率與粉煤灰之間的交互影響對(duì)膠凝砂礫石的影響不顯著；從整體變化趨勢(shì)來(lái)講，4種因素對(duì)膠凝砂礫石的VC值影響程度從大到小依次排序?yàn)椋簡(jiǎn)挝挥盟?單位粉煤灰用量>單位水泥用量>砂率，水對(duì)VC值的貢獻(xiàn)率達(dá)到75%，而砂率對(duì)VC值的貢獻(xiàn)率僅為0.08%；VC值并不是越大越好，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，當(dāng)水、粉煤灰、水泥和砂率的摻量分別為110、60、60 kg/m3和24%時(shí)，膠凝砂礫石材料性能最為穩(wěn)定，當(dāng)水、粉煤灰、水泥和砂率的摻量分別為130、80、80 kg/m3和30%時(shí)，膠凝砂礫石材料的性能最優(yōu)。

圖2 VC值試驗(yàn)結(jié)果

2.2 強(qiáng) 度

膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可知，相同單位用水量情況下，膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度值呈鋸齒狀升高，水膠比越小，強(qiáng)度值越大，單位用水量越大，抗壓強(qiáng)度的增幅越小；抗壓強(qiáng)度的變化特征與VC值相反，但是過(guò)高的單位用水量可能會(huì)導(dǎo)致VC值和強(qiáng)度值同時(shí)減小，這說(shuō)明膠凝砂礫石的工作性能和力學(xué)性能存在相互制約的情況，當(dāng)VC值太小時(shí)，拌和料用水太多，易發(fā)生泌水和骨料分離，使得膠凝砂礫石的強(qiáng)度降低，當(dāng)VC值太大時(shí)，拌合料太干，灰漿量太少，使得骨架出現(xiàn)架空，對(duì)膠凝砂礫石材料的壓實(shí)不利，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低；4種因素對(duì)膠凝砂礫石的強(qiáng)度值影響程度從大到小依次排序?yàn)椋簡(jiǎn)挝环勖夯矣昧?單位用水量>單位水泥用量>砂率，砂率對(duì)強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)率僅為1.17%；從整體上來(lái)講，第9試驗(yàn)組的強(qiáng)度最高，其配比分別為：水110 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率30%。

圖3 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗?jié)B性

膠凝砂礫石材料的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可知，在27個(gè)試驗(yàn)組中，水滲透系數(shù)并未呈現(xiàn)規(guī)律性變化。其中，抗水滲透性表現(xiàn)為很好的試驗(yàn)組為：2～6，11，16，19～20，23～25；氣滲透性表現(xiàn)出一定規(guī)律性，即當(dāng)單位用水量較小時(shí)，氣體滲透系數(shù)較小，當(dāng)單位用水量較大時(shí)，氣體滲透系數(shù)較大，但是從整體上來(lái)講，膠凝砂礫石材料的表面抗氣體滲透性表現(xiàn)為“差”或者“很差”，這是因?yàn)槟z凝砂礫石材料的最大骨料粒徑達(dá)到40 mm，再加之膠凝材料用量少，單位用水量大，導(dǎo)致材料在拌和過(guò)程中容易出現(xiàn)振搗不均、密實(shí)性差的現(xiàn)象，從而在試件內(nèi)部留下許多滲透通道。因此，在膠凝礫石料填筑過(guò)程中，需要特別注意碾壓參數(shù)，提高壓實(shí)度，從而增強(qiáng)膠凝礫石壩的抗?jié)B性。

圖4 抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

3 填筑施工工藝

膠凝礫石料的施工工藝與碾壓混凝土有點(diǎn)類(lèi)似，但是對(duì)骨料的要求比后者低，同時(shí)具有單次攤鋪厚度更厚、施工效率更高的特點(diǎn)，膠凝砂礫石壩填筑施工工藝流程見(jiàn)圖5。膠凝砂礫石的澆筑過(guò)程需要注意以下幾點(diǎn)：①施工配合比，從上文分析可知，單位用水量和膠凝材料摻量對(duì)膠凝砂礫石的工作性能和力學(xué)性能有較大影響，特別是單位用水量呈非常顯著影響，工作性能與力學(xué)性能之間又存在相互制約的關(guān)系，因而單位用水量不能太高也不能太低。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，推薦施工配合比為：水120 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率27%；②由于膠凝砂礫石的骨料粒徑較大，一般拌和設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足膠凝砂礫石的生產(chǎn)要求，因此應(yīng)該選用設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力較大的拌和設(shè)備，建議>200 m3/h；③防滲層、保護(hù)層模板的錨固件不宜布置在膠凝砂礫石的碾壓施工區(qū)域；④結(jié)構(gòu)縫宜使用預(yù)埋瀝青木板法，表層T形止水宜采用銅片止水和橡膠止水兩道止水，銅片止水搭接長(zhǎng)度不小于20 mm，安裝允許偏差為±30 mm；⑤膠凝砂礫石在澆筑過(guò)程中水化熱較低，可不采取溫控措施。

圖5 膠凝砂礫石澆筑施工流程

4 結(jié) 語(yǔ)

采用四因素三水平正交試驗(yàn)，對(duì)膠凝砂礫石的工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：①單位用水量對(duì)膠凝砂礫石VC值的影響最大，貢獻(xiàn)率達(dá)到75%，單位粉煤灰摻量對(duì)膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度影響最大，砂率對(duì)膠凝砂礫石VC值和強(qiáng)度的影響均為不顯著；②膠凝砂礫石材料的抗水滲透性表現(xiàn)為“很好”、“好”、“差”、“很差”4個(gè)等級(jí)，而抗氣體滲透性表現(xiàn)為“差”或者“很差”兩個(gè)等級(jí)，單位用水量較小時(shí)，表面氣體抗?jié)B性稍好些；③根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，推薦膠凝砂礫石的施配合比為水120 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率27%；④對(duì)膠凝砂礫石的填筑施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，可為工程實(shí)際施工提供指導(dǎo)。