關(guān)于貧膠粒材料的應(yīng)用研究

劉　豫

摘 要：碾壓混凝土壩和面板堆石壩是目前壩工界設(shè)計(jì)采用的的兩種主要的筑壩技術(shù)。貧膠粗粒料筑壩技術(shù)是綜合了面板堆石壩和碾壓混凝土壩在筑壩材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝等方面的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種新壩型，其采用貧膠凝材料，就地利用開挖棄渣或天然砂礫石料等各種粗粒料，經(jīng)現(xiàn)場簡易拌和，采用振動碾碾壓施工的新型筑壩技術(shù)，具有就地取材、造價經(jīng)濟(jì)、受地質(zhì)條件限制小、抗震性能好、施工速度快的特點(diǎn)，以及最大程度上避免植被和土地被破壞、對環(huán)境影響小、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是一種極富潛力的新筑壩技術(shù)。同時，做為一種新的設(shè)計(jì)理念的突破，筆者認(rèn)為在民用建筑方面也有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：貧膠粗粒料；應(yīng)用；水工碾壓混凝土

1 貧膠粗粒料的性質(zhì)和特點(diǎn)

1.1 貧膠粗粒料的性質(zhì)

(1)貧膠粗粒料的性能介于砂石料和混凝土之間：相對于砂石料有較高的抗剪和抗壓強(qiáng)度，較高的變形模量和較強(qiáng)的抗沖能力，同時又不像混凝土材料那樣要求膠凝材料包裹細(xì)骨料并填滿粗骨料間隙形成實(shí)體；(2)不需要采料場或僅需要就近布置的小規(guī)模料場，可以利用開挖棄渣，能夠顯著降低骨材料成本；(3)能夠利用常規(guī)混凝土難以利用的低質(zhì)量骨料：如當(dāng)?shù)氐膸r質(zhì)材料無需或僅需簡單的調(diào)整即可用于制作貧膠粗粒料，從而有效利用當(dāng)?shù)夭牧希?4)貧膠粗粒料的制備僅需要簡單的制作設(shè)備；(5)貧膠粗粒料的上壩運(yùn)輸、攤鋪和振動壓實(shí)采用與RCC相似的施工工藝；(6)貧膠粗粒料的性質(zhì)離散性較大且抗?jié)B性相對砼較差。

1.2 貧膠粗粒壩的主要特點(diǎn)

(1)在天然砂石料或開挖棄渣料中摻入少量膠凝材料并經(jīng)振動碾壓形成的貧膠粗粒料，其力學(xué)性能介于堆石料和混凝土之間，比堆石料的強(qiáng)度要高，但比混凝土的強(qiáng)度低。材料性質(zhì)上的特點(diǎn)決定了這種壩型的斷面介于重力壩和堆石壩之間。

(2)水泥摻量少是貧膠粗粒料筑壩技術(shù)的主要特點(diǎn)之一。低水泥摻量就意味著水化熱減小，溫升較小。

(3)適于在強(qiáng)震區(qū)建設(shè)。壩體應(yīng)力水平較低，大壩整體穩(wěn)定安全性及抗震安全性都較高。

(4)特別適合于中小型水利水電工程或臨時工程：貧膠粗粒料筑壩技術(shù)是介于傳統(tǒng)土石壩和重力壩之間的一種新筑壩技術(shù)，它兼?zhèn)鋬煞N壩型的優(yōu)點(diǎn)，具有一些自身獨(dú)特的優(yōu)勢。

2 貧膠粗粒料材料試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法的選擇

根據(jù)對貧膠粗粒料特性的初步分析，在材料試驗(yàn)的初步研究基礎(chǔ)上可知，貧膠粗粒料的特性介于堆石體與碾壓砼之間，但與與碾壓砼更為接近，可以說是降低了較大強(qiáng)度指標(biāo)、防滲能力的碾壓砼，因此材料試驗(yàn)研究方法與RCC基本相同。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

鑒于貧膠粗粒料的最大粒徑為150~250mm，比通常用于水工建筑物的骨料粒徑120mm要大，若采用常規(guī)的15cm立方體試件做試驗(yàn)，必然需要剔除較大粒徑，試驗(yàn)所取得的力學(xué)指標(biāo)可能與實(shí)際施工差異較大。為了更好的反映貧膠粗粒料的特性，使試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與工程實(shí)際更接近，采用了40cm立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)。筆者在柬埔寨甘再水電站和加納布維水電站進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 天然砂礫料組原材料

(1)天然砂礫料：取自工地開挖料。

(2)膠凝材料：

水泥、粉煤灰為貧膠粗粒料材料主要膠凝材料，粉煤灰仍為其首選摻合料。

采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥。粉煤灰使用山東日照粉煤灰。

2.2.2 開挖棄渣組原材料

(1)開挖棄渣：壩基開挖出碴混合料，最大粒徑40mm。

(2)膠凝材料

水泥：采用加納生產(chǎn)的GHACEM42.5Mpa水泥。

粉煤灰：采用山東日照Ⅰ級灰

2.3 貧膠粗粒料配合比設(shè)計(jì)

筆者就實(shí)踐用過的圍堰設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

圍堰設(shè)計(jì)基本設(shè)計(jì)參數(shù)：容重≥21.56KN/m³；抗剪斷系數(shù)c/、f/按實(shí)測；滲透系數(shù)按實(shí)測；膠凝材料用量初擬為60kg/m3～80kg/m3；強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期按90d。

2.3.2 初擬配合比

圍堰膠凝材料總量初擬60kg/m3、70kg/m3、80kg/m3(粉煤灰摻量為50%)，根據(jù)我院近年來對貧膠粗粒料材料試驗(yàn)研究，著重研究含砂率在20%～40%間波動時，抗壓強(qiáng)度與砂率關(guān)系。初定配合比如下表。

2.4 貧膠粗粒料性能

2.4.1 拌合物性能

下表列出了三種砂率配比的貧膠粗粒料材料拌和效果。成型后的試件表面基本密實(shí)。

貧膠粗粒料為低膠凝材料的混凝土，水具有一定的潤滑作用，低Vc值能使其更易泛漿形成凝聚體，可碾性較好。故貧膠粗粒料Vc值宜控制在5s左右。

2.4.2 抗壓強(qiáng)度

初擬4種貧膠粗粒料配比，采用40cm×40cm×40cm試件尺寸，進(jìn)行了28d、90d、180d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

任一貧膠粗粒料配合比其強(qiáng)度隨齡期增長而增加，180d后增長趨緩。若以180d齡期的強(qiáng)度為100%，則各齡期的強(qiáng)度增長率大致為：28d為40%～52%；90d為67%～81%，360d為105%～115%。

貧膠粗粒料材料強(qiáng)度依賴于膠凝材料用量，同一種砂率，強(qiáng)度隨膠凝材料用量的增加而有較大幅度的增長。相同膠凝材料用量下，不同砂率配比的強(qiáng)度隨砂率的增加而明顯減少。結(jié)合多年來工程貧膠粗粒料材料試驗(yàn)結(jié)果，不同齡期時抗壓強(qiáng)度與砂率間的關(guān)系曲線見圖。

2.4.3 抗剪斷參數(shù)

注：上表中抗剪斷試件的配合比為水泥35kg/m³、粉煤灰35kg/m³采用開挖料

2.4.4 彈性模量和極限拉伸值

貧膠粗粒料彈性模量隨砂率增加而減少，180d齡期時，在8300MPa～13520MPa間。貧膠粗粒料材料和普通混凝土一樣是彈塑性材料。當(dāng)最大壓縮荷載沒有超過貧膠粗粒料材料的線性極限強(qiáng)度時，貧膠粗粒料材料呈現(xiàn)出彈性狀態(tài)。

由于貧膠粗粒料材料漿體很少，它的抗拉強(qiáng)度低，變形性能小。極拉強(qiáng)度隨砂率增加而明顯減少，極限拉伸值相對來說變化不甚明顯。

2.4.5滲透性能

從滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，砂礫料的滲透系數(shù)在10-2～10^-3數(shù)量級間，屬半透水材料，其滲透系數(shù)與砂率大小成反比；由于砂率較小時，礫石間空隙率大，存在滲水通道，而砂多時，內(nèi)部骨料不架空，滲透系數(shù)略小。貧膠粗粒料的滲透系數(shù)在10-5～10-6數(shù)量級間，同樣膠凝材料用量下，貧膠粗粒料的滲透系數(shù)與砂率成正比，主要得益于砂率小時，貧膠粗粒料的強(qiáng)度較高，抗?jié)B能力強(qiáng)。

3 結(jié)論與建議

(1)貧膠粗粒料是具有一定強(qiáng)度的干硬凝聚體，其容重在22.05KN/m³～23.52KN/m³范圍內(nèi)。當(dāng)混合砂礫料含砂量在20%～40%范圍時，貧膠粗粒料與碾壓混凝土一樣是由粗骨料分散在砂漿中所組成的兩相材料，其中砂漿為連續(xù)相，粗骨料為分散相。

(2)同一齡期下，貧膠粗粒料強(qiáng)度是膠凝材料用量、砂礫石級配、用水量關(guān)系的函數(shù)。貧膠粗粒料強(qiáng)度不僅取決于水灰比，還與貧膠粗粒料中的可碾性指標(biāo)漿砂比關(guān)系密切。選取合適砂率有利于強(qiáng)度以及滲透等耐久等性能。若砂率增大，漿砂比減小，骨料總比表面積較大，拌合物需水量明顯增大，同時貧膠粗粒料為貧漿混凝土，漿體不足以填充細(xì)骨料間的空隙，混凝土略顯疏松，振動不易液化泛漿，可碾性差，強(qiáng)度降低較多。

(3)180d齡期時，貧膠粗粒料彈性模量達(dá)到10000MPa以上，貧膠粗粒料單軸抗壓應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系表明，貧膠粗粒料和普通混凝土一樣是彈塑性材料。當(dāng)最大壓縮荷載沒有超過貧膠粗粒料的線性極限強(qiáng)度時，貧膠粗粒料呈現(xiàn)出彈性狀態(tài)。

(4)貧膠粗粒料漿體很少，抗拉強(qiáng)度低，變形性能小。極限拉伸強(qiáng)度隨砂率增加而明顯減少，極限拉伸值相對來說變化不甚明顯。180d齡期時，砂率從20%～31%(天砂礫料)～40%，相應(yīng)的軸拉強(qiáng)度變化為0.78MPa～0.52MPa～0.44MPa，極拉值變化范圍為0.70×10^-4～0.60×10^-4～0.63×10^-4。

(5)滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明貧膠粗粒料的滲透系數(shù)在10^-5～10^-6數(shù)量級間。

(6)貧膠粗粒料母材：壩址附近天然砂礫石可開挖料來源豐富，平均含砂率31%左右，天然料場成層交替分布，均勻性尚可，天然料場中礫石呈連續(xù)分布，顆粒級配比較理想。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)采用骨料最大粒徑為400mm時，天然砂礫料含砂量在20%～27%范圍時，強(qiáng)度隨砂率增加降低幅度較?。簧奥试?7%～35%時，可適當(dāng)增加水泥用量來提高強(qiáng)度；含砂率大于35%時對強(qiáng)度影響較大，需將天然砂礫料簡單篩除后再利用。

筆者所在工地采用該種材料進(jìn)行了約20Km的路面硬化，應(yīng)用該材料作為27.5m高的過水圍堰材料，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，筆者認(rèn)為，在條件許可的情況下，該種材料可在適當(dāng)范圍內(nèi)推廣。