骨料級配對膠凝砂礫石抗壓強度影響試驗研究

庫熱西·艾孜孜，張傲齊，朱炎寧

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆　烏魯木齊 830000）

骨料級配對膠凝砂礫石抗壓強度影響試驗研究

庫熱西·艾孜孜，張傲齊，朱炎寧

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

通過對搜集到的新疆地區(qū) 18 組水利工程筑壩用砂礫石級配進行整理和分析，依據(jù) 18 組砂礫石級配曲線，試驗中砂礫石細骨料含量取平均值并保持不變，分別改變砂礫石粗細骨料級配（取上、下包線和平均線），得知砂礫石的粗骨料和細骨料單獨改變時對膠凝砂礫石強度具有一定的影響，為膠凝砂礫石工程建設(shè)提供參考。

膠凝砂礫石；骨料級配；抗壓強度

0　前言

膠凝砂礫石的英文名稱是 Cemented Sand and Gravel，簡稱 CSG，它是把少量的膠凝材料（摻量為 40～100kg/m3）、天然砂礫石、水以及外加劑拌合、振動。碾壓后形成的具有一定抗壓強度和抗剪強度的材料，也有一些學(xué)者稱之為隨機級配的混凝土[1-4]。天然砂礫石按顆粒粒徑大小可分為粗骨料和細骨料兩部分，粗骨料構(gòu)成膠凝砂礫石的基本骨架，是承受外部壓力的主要部分；細骨料是填充膠凝砂礫石骨架孔隙的主要材料，可增加密實度。相關(guān)試驗研究證明，膠凝砂礫石抗壓強度與砂礫石的含砂率（粒徑＜5mm 顆粒的含量）和含泥量密切相關(guān)[5-7]。這是因為細骨料的比表面積要遠遠大于粗骨料，需要更多的膠凝材料漿體去包裹顆粒，膠凝砂礫石的膠凝材料摻量較少，因此含砂率和含泥量的影響就更為突出。

國內(nèi)對膠凝砂礫石骨料級配所做的相關(guān)研究，大都是基于混凝土最優(yōu)級配理論，只著眼于細骨料含量的多少，但是砂礫石粗、細骨料級配的變化對膠凝砂礫石強度究竟是否有影響，有多大的影響，還缺乏相關(guān)試驗研究。為探究新疆各地區(qū)的砂礫石料能否滿足工程應(yīng)用要求，還需要單獨從砂礫石的粗細骨料級配與抗壓強度關(guān)系方面做進一步試驗。

1　原材料選擇

原材料的組成包括天然砂礫石、水泥、減水劑以及水。經(jīng)檢測，水泥和減水劑的各項技術(shù)要求均滿足規(guī)范要求。

1.1砂礫石料

砂礫石料采用新疆吐魯番市某處天然砂礫石混合料，經(jīng)篩分試驗可知，砂礫石中砂石的比例變化不大、級配連續(xù)，砂礫石的篩分結(jié)果見表 1。試驗前剔除粒徑大于 80mm 的顆粒，并依次篩分為 80～60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.075mm 共 10 個粒徑區(qū)間部分。0.075mm 粒徑以下部分為泥，由于含泥量對 CSG 抗壓強度具有較大影響，為減小砂礫石中含泥量帶來的試驗誤差，試驗配料時剔除 0.075mm 以下部分。

表1　天然砂礫石篩分結(jié)果

1.2水泥

水泥采用新疆青松廠家生產(chǎn)的 P·O42.5，該水泥的各項物理技術(shù)性能和化學(xué)成分的測定結(jié)果見表 2 和表 3。

表2　水泥各項物理力學(xué)性能指標

表3　水泥化學(xué)成分及熟料礦物成分　　%

1.3減水劑

采用 NF-1 高效減水劑，無引氣作用，產(chǎn)品符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》質(zhì)量標準，經(jīng)試驗，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的 1%。該產(chǎn)品的性能指標如表 4 所示。

表4　NF-1 高效減水劑勻質(zhì)性指標

1.4試驗用水

本文中膠凝砂礫石試驗的拌合用水和養(yǎng)護用水均采用烏魯木齊市自來水。

2　試驗設(shè)計

（1）對新疆地區(qū) 18 組工程中的砂礫石料剔除 80mm 以上粒徑顆粒后的級配進行統(tǒng)計分析。細骨料含量取平均值31.2%，并始終保持不變。細骨料級配選平均級配曲線，繪制粗骨料級配的上、下包絡(luò)線和平均級配曲線，如圖 1 所示；同樣，粗骨料的級配保持不變，繪制細骨料級配的上、下包絡(luò)線和平均級配曲線，如圖 2 所示。

圖2　細骨料級配變化曲線

（2）將篩分好的各粒徑的砂礫石按照圖 1 和圖 2 中的級配曲線進行配料，為減小試驗誤差，避免含泥量對試驗造成的影響，配料時剔除含泥部分，如表 5 所示。

表5　各粒徑砂礫石料百分含量　　%

砂子的粗細按細度模數(shù)分為粗砂、中砂、細砂和特細砂4 個等級，如表 6 所示。

表6　砂子分類表

對 7 組級配的砂礫石進行統(tǒng)計特征分析，統(tǒng)計特征值如表 7 所示。從表 7 可以看出，7 組砂礫石級配離散程度不大，且級配良好，新疆地區(qū)砂礫石細骨料的細度模數(shù)都較大，上包線細度模數(shù)最小，屬中砂。為了突出細度模數(shù)對 CSG 強度的影響，特增加對照組，對照組的細骨料摻配而成，經(jīng)計算其細度模數(shù)為 1.8，屬細砂。

表7　各組骨料級配特征統(tǒng)計分析

3　試驗過程

（1）VC 值試驗。VC 值（即工作度），是指在一定的振動頻率、振幅和表面壓強下，膠凝砂礫石振動至表面完全泛漿所需要的時間。試驗室內(nèi)用維勃稠度儀測定 VC 值，維勃稠度儀是專門用來測定干硬性混凝土的稠度的儀器，但是也可適用于粒徑小于 40mm、VC 值在 2～30 秒內(nèi)的膠凝砂礫石拌合物稠度的測定。分別按上述 7 種砂礫石級配配料、水泥用量均采用 80kg/m3，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的 1%，上述各材料稱量后在室內(nèi)用鐵鍬干拌，然后加水拌合均勻，用水量根據(jù) VC 值大小來定，初次拌合時用水量偏小一些。將拌合物通過 40mm 的篩子，將篩余部分分三層裝入維勃稠度儀的容器中，每層用搗棒插搗 25 下；然后將容器固定在儀器的振動臺上，開始測量拌合物的 VC 值。本次試驗 VC 值控制在2～5s，若 VC 值偏大，則逐步增加用水量，直至 VC 值滿足要求為止；經(jīng)多次試驗，最后確定用水量如表 8 所示。

（2）立方體抗壓試塊制作。將拌合好的膠凝砂礫石拌合物通過 40mm 的篩子后，將剩余部分分三層裝入 150mm× 150mm×150mm 的鋼試模中，每層先用搗棒振搗 25 下，然后用重型擊實錘擊實 35 下，換算成擊實功為 0.537J/cm3。兩天后脫模，然后用濕潤的棉布包裹進行養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃，每天按時灑水，保證試塊處于濕潤的環(huán)境中。

（3）試塊抗壓強度測定。根據(jù)不同的砂礫石料級配共成型7組膠凝砂礫石試件，試件養(yǎng)護 28 天后測定試件的抗壓強度。經(jīng)過計算整理后的試驗結(jié)果見表 8。

表8　試驗結(jié)果統(tǒng)計表

4　試驗結(jié)果分析

（1）從表 7 和表 8 可以看出，由于粗骨料的上包線和平均線級配接近，這兩組試塊抗壓強度差別不大；粗骨料的下包線級配最粗，制作抗壓試塊時需篩去 40mm 以上粒徑的粗骨料，相對來說試塊中細骨料含量大于前兩組，其抗壓強度最小，但差異并不大；在細骨料含量和級配不變的情況下，粗骨料級配的變化對膠凝砂礫石強度影響不大，可以滿足工程應(yīng)用要求。

（2）粗骨料級配固定不變，細骨料細度模數(shù)由大到小，由粗砂逐步過渡到細砂，則細骨料比表面積增大，需要更多膠漿來滿足包裹度要求。但試驗中水泥用量保持 80kg/m3 不變，用水量逐漸增多，水膠比逐漸增大，故其抗壓強度隨之降低。從表 7 可以看出，CSG 試塊抗壓強度明顯隨著細骨料的細度模數(shù)的減小而減小，但減小程度不大，即使對照組中細骨料細度模數(shù)減小到 1.8，其抗壓強度明顯小于前三組，但也在工程可控范圍之內(nèi)。只要工程設(shè)計時抗壓強度選取合適的安全系數(shù)，CSG 工程施工可不考慮細骨料級配變化帶來的影響。細骨料的細度模數(shù)與試塊抗壓強度關(guān)系曲線如圖 3 所示。

圖3　抗壓強度—細度模數(shù)關(guān)系曲線

5　結(jié)論

（1）細骨料含量和級配不變，粗骨料級配由粗到細逐步改變時，CSG 試塊強度變化不大，強度波動在可控制范圍內(nèi)；粗骨料含量和級配保持不變，細骨料由粗到細，細度模數(shù)由大到小逐級改變時，CSG 試塊強度呈線性減小的趨勢，但減小幅度不大，強度設(shè)計中只要選取合適的安全系數(shù)，即可滿足工程需要。

（2）新疆地區(qū)砂礫石細骨料的細度模數(shù)較大，均為粗砂或中砂，適宜做 CSG 的骨料。根據(jù)本試驗結(jié)果，在新疆地區(qū)膠凝砂礫石工程可放寬骨料的選材范圍，檢測重點為細骨料含量和含泥量。

[1] 賈金生，馬鋒玲，李新宇，等．膠凝砂礫石壩材料特性研究及工程應(yīng)用[J]．水利學(xué)報，2006,37(5): 578-582．

[2] 馮煒，賈金生，馬鋒玲，等．膠凝砂礫石壩筑壩材料耐久性能研究及新型防護材料的研發(fā)[J]．水利學(xué)報，2013,44(4): 500-504．

[3] 賈金生，馬鋒玲，馮煒，等．膠凝砂礫石壩配合比設(shè)計及防滲保護層研究[A]．水庫大壩建設(shè)與管理中的技術(shù)進展一中國大壩協(xié)會2012學(xué)術(shù)年會論文集[C]．成都，2012: 442-447．

[4] 劉學(xué)章，李憲．膠凝砂礫石壩特點及國外己建工程簡介[J].廣西水利水電，2011(3): 75-79．

[5] 唐新軍，陸述遠．膠結(jié)堆石料的力學(xué)性能初探[J]．武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1997,30(06): 15-18．

[6] 馮煒，賈金生，馬豐鈴．膠凝砂礫石材料配合比設(shè)計參數(shù)的研究[J]．水利水電技術(shù)，2013,(06): 55-58．

[7] GB/T 50145-2007，土的分類標準[S]．

［通訊地址］烏魯木齊市沙依巴克區(qū)雅山中路 418 號（830000）

庫熱西·艾孜孜（1966—），男，高級工程師，主要研究方向：新型建材研發(fā)與安全質(zhì)量管理。