用水量對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響

孫明權(quán)， 孫政衛(wèi)， 楊世鋒， 柴啟輝

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450045)

用水量對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響

孫明權(quán)1,2， 孫政衛(wèi)1， 楊世鋒1,2， 柴啟輝1,2

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450045)

膠凝砂礫石材料是一新型筑壩材料，擁有廣闊的發(fā)展前景。用水量是影響膠凝砂礫石強(qiáng)度的重要因素。通過抗壓強(qiáng)度試驗分析用水量對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響，得出：最優(yōu)用水量隨膠凝材料摻量的增大而增大，隨砂率的增大而增大，最優(yōu)用水量為85～125 kg/m3；最優(yōu)水膠比隨膠凝材料用量的增加而減小，隨齡期的增加呈減小的趨勢，最優(yōu)水膠比為0.95～1.35。用水量對抗壓強(qiáng)度的影響僅次于水泥用量，在施工過程中，應(yīng)將其作為膠凝砂礫石材料的一項重要參數(shù)來控制，以保證膠凝砂礫石材料的性能。

膠凝砂礫石；砂率；最優(yōu)用水量；水泥摻量；粉煤灰摻量

1 膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料

水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用二級粉煤灰，拌合與養(yǎng)護(hù)用水均為自來水。所用試驗砂礫石料來自北汝河料場，對其進(jìn)行篩分，其中膠凝砂礫石材料二級配中石子(20～40 mm)與小石子(5～20 mm)的比例為6∶4。

1.2 配合比設(shè)計

本次試驗中，為了研究膠凝砂礫石材料的用水量與水泥摻量、粉煤灰摻量、砂率、齡期之間的關(guān)系[3-4]，參照文獻(xiàn)[5]，試驗配合比主要設(shè)計參數(shù)如下：

1)表觀密度：2 350 kg/m3。

2)用水量為70～130 kg/m3,取值間隔為10 kg/m3。

例如在小學(xué)階段，教師需要能夠結(jié)合課堂當(dāng)中的一切條件，針對學(xué)生進(jìn)行英語語素的傳遞，并讓學(xué)生產(chǎn)生多種感受，形成語感。家長也可以在過程中配合學(xué)習(xí)，通過參加英語夏令營等互動，逐步引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生形成音素認(rèn)識。

3)在研究用水量與水泥用量關(guān)系的試驗中，粉煤灰用量為40 kg/m3，砂率為0.2，水泥用量分別取40、50、60 kg/m3。

4)在研究用水量與粉煤灰用量關(guān)系的試驗中，水泥用量為50 kg/m3，砂率為0.2，粉煤灰用量分別取30、40、50 kg/m3。

5)在研究用水量與砂率關(guān)系的試驗中，水泥用量為50 kg/m3，粉煤灰用量為40 kg/m3,砂率分別取0.1、0.2、0.3、0.4。

1.3 試驗標(biāo)注說明

下文中膠凝砂礫石材料的配合比中的4個數(shù)據(jù)依次表示水泥用量、粉煤灰用量、砂率、齡期，其中符號C表示水泥用量，符號F表示粉煤灰用量。

2 用水量對膠凝砂礫石材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.1 用水量與水泥用量的關(guān)系

水泥用量對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度影響很大，它是影響膠凝砂礫石材料成本的主要材料，在研究水泥用量與最優(yōu)用水量關(guān)系的試驗中，膠凝砂礫石材料的配合比為：粉煤灰用量40 kg/m3，砂率0.2，水泥用量分別取40、50、60 kg/m3，試驗結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1 不同水泥摻量下用水量與28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 不同水泥摻量下用水量與90 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1和圖2可知：①當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時，對應(yīng)的用水量為最優(yōu)用水量，故每組配合比都存在最優(yōu)用水量；②最優(yōu)用水量隨水泥摻量的增加而增大，砂率為0.2時，水泥摻量增加10 kg/m3時，最優(yōu)用水量增加 10 kg/m3；③水泥用量對抗壓強(qiáng)度的影響較明顯。

出現(xiàn)上述情況的原因是，當(dāng)膠凝材料和砂率一定時，隨著用水量的增加，膠凝砂礫石拌合物經(jīng)歷由干澀到濕潤的變化，水在砂礫石顆粒之間的潤滑作用比較明顯，因此振搗壓實變得容易。當(dāng)用水量過多時，雖然有利于對材料的振搗壓實，但是部分留在內(nèi)部的水具有稀釋作用，使膠凝砂礫石材料的膠結(jié)能力下降，從而使膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度降低；若用水量較小時，膠凝砂礫石拌合物會干澀，近似散粒狀，振搗壓實會非常困難，膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度將降低。

對齡期為28、90 d的材料擬合，得出每種配合比的膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量與最優(yōu)水膠比，具體結(jié)果見表1。由表1可知，最優(yōu)水膠比隨水泥用量的增加而減?。蛔顑?yōu)用水量、最優(yōu)水膠比隨齡期的增加呈減小趨勢。原因是，膠凝砂礫石材料前期含有參與水化反應(yīng)的水和外界環(huán)境濕度交換的水，隨著時間的增長，膠凝砂礫石材料與外界環(huán)境交換的水量減少，所以其需水量隨著齡期的增加呈減小的趨勢。

表1 最優(yōu)用水量與水泥用量、齡期的關(guān)系

2.2 用水量與粉煤灰的關(guān)系

一定摻量粉煤灰對于改善膠凝砂礫石材料的和易性和防止粗骨料分離是非常重要的。粉煤灰的使用不僅可以降低材料成本，而且有助于膠凝砂礫石材料后期強(qiáng)度的增加。在研究粉煤灰用量與最優(yōu)用水量關(guān)系的試驗中，膠凝砂礫石材料的配合比為：水泥用量50 kg/m3，砂率0.2，粉煤灰用量分別取30、40、50 kg/m3，試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖4 不同粉煤灰摻量下用水量與90 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3和圖4可知：①膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量隨粉煤灰摻量的增加而增大，砂率為0.2時，水泥摻量增加10 kg/m3時，最優(yōu)用水量增加10 kg/m3；②從增加粉煤灰用量10 kg/m3，增加用水量10 kg/m3對膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度影響的試驗結(jié)果可以看出，用水量對抗壓強(qiáng)度的影響明顯。

對齡期為28、90 d的材料擬合，得出每種配合比的膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量與最優(yōu)水膠比，結(jié)果見表2。

表2 最優(yōu)用水量與粉煤灰用量、齡期的關(guān)系

由表2可知，膠凝砂礫石材料的最優(yōu)水膠比隨粉煤灰用量的增加而減小，最優(yōu)用水量和最優(yōu)水膠比隨齡期的增加呈減小趨勢。

2.3 砂率與用水量的關(guān)系

砂率的變化使膠凝砂礫石材料的孔隙率和總表面積發(fā)生改變，影響膠凝砂礫石材料填充的密實性，對膠凝砂礫石材料拌合物的強(qiáng)度有一定的影響。在研究砂率與最優(yōu)用水量的關(guān)系試驗中，膠凝砂礫石材料的配合比采用水泥用量50 kg/m3，粉煤灰用量40 kg/m3，砂率分別取0.1、0.2、0.3、0.4，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同砂率下用水量與28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可知：①當(dāng)膠凝材料一定時，不同砂率條件下，每種配合比的膠凝砂礫石材料都存在最優(yōu)用水量；②最優(yōu)用水量隨砂率的增大而增大，砂率每增加0.1，膠凝砂礫石材料的用水量增加10 kg/m3。

出現(xiàn)上述情況的原因是：當(dāng)砂率較小時,砂漿量沒有全部包裹膠凝砂礫石粗骨料的表面和填充骨料間的空隙,砂漿體積與粗骨料空隙體積比值較小，出現(xiàn)了骨料分層現(xiàn)象；當(dāng)砂率較大時,膠凝砂礫石骨料中細(xì)顆粒料增多，骨料的總表面積和空隙率增加，流動性變差，空隙率增多，骨架疏松，膠結(jié)力降低，膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度隨之降低。

對齡期為28 d的膠凝砂礫石材料進(jìn)行擬合，得到每種配合比的膠凝砂礫石材料的最優(yōu)用水量與最優(yōu)水膠比，具體結(jié)果見表3。由表3可知,最優(yōu)用水量和最優(yōu)水膠比隨砂率的增加而增大。

表3 最優(yōu)用水量與砂率的關(guān)系

2.4 砂率與壓實密度的關(guān)系

膠凝砂礫石材料的壓實密度與強(qiáng)度、耐久性、抗?jié)B性等性能有密切關(guān)系。在研究砂率與壓實密度關(guān)系的試驗中，配合比如下：水泥用量50 kg/m3，粉煤灰用量40 kg/m3，砂率分別取為0.1、0.2、0.3、0.4，試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：①對于每組配合比的膠凝砂礫石材料，其壓實密度先隨用水量的增加而增大，當(dāng)其壓實密度達(dá)到最大值后，隨用水量的增加呈減小的趨勢；②其壓實密度的峰值先隨砂率的增大而增大，此后隨砂率的增大而減小。

出現(xiàn)上述情況的原因是：當(dāng)砂率為0.1時，砂漿量沒有全部包裹膠凝砂礫石粗骨料的表面和填充骨料間的空隙,骨料的和易性和密實性降低,從而其壓實密度也降低；當(dāng)砂率為0.2時，拌合物獲得最大流動性且能保持好的黏滯性、保水性，此時的砂率最優(yōu)，壓實密度最大；當(dāng)砂率為0.3時，骨料中細(xì)顆粒料較多，總表面積和空隙率增加，降低了拌合物的流動性，從而膠凝砂礫石的密度減小；當(dāng)砂率為0.4時，膠凝砂礫石中未被膠凝材料漿體包裹的砂較多，未被黏結(jié)的砂較多，拌合物的顏色偏向砂的顏色，流動性較差，空隙率增大，從而材料的壓實密度降低。

3 結(jié)語

根據(jù)用水量隨膠凝材料、砂率的變化規(guī)律，可以推算出膠凝砂礫石每組配合比的最優(yōu)用水量為85～125 kg/m3，最優(yōu)水膠比為0.95～1.35。根據(jù)每組配合比擬合結(jié)果，抗壓強(qiáng)度與用水量間是多項式函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性在0.85以上。在實際工程中，應(yīng)將用水量作為膠凝砂礫石材料的一項重要參數(shù)來控制，準(zhǔn)確測定膠凝砂礫石材料的含水率，并根據(jù)含水率對膠凝砂礫石材料的影響結(jié)果，對用水量做出相應(yīng)調(diào)整，以使膠凝砂礫石材料的性能達(dá)到最優(yōu)。

[1]邢振賢，張正亞，王靜，等．超貧固結(jié)砂礫料碾壓混凝土的合理水灰比[J]．人民長江，2008，39(5)：72-73．

[2]馮煒，賈金生，馬鋒玲．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)，2013,44(2):55-58.

[3]孫明權(quán),楊世鋒,張鏡劍.超貧膠結(jié)材料本構(gòu)模型[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(3):35-37.

[4]彭成山,張學(xué)菊,孫明權(quán).超貧膠結(jié)材料特性研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2007,28(2):26-29.

[5]南京水利科學(xué)研究院，中國水利水電科學(xué)研究院.水工混凝土試驗規(guī)程：SL 352—2006[S].北京：中國電力出版社，2006.

(責(zé)任編輯：杜明俠)

Effect of Water Consumption on Compressive Strength of Cemented Sand and Gravel Material

SUN Mingquan1,2, SUN Zhengwei1,YANG Shifeng1,2, CHAI Qihui1,2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Collaborative Innovation Center of Water Resources Efficient Utilization and Protection Engineering， Zhengzhou 450045, China)

Cemented sand and gravel (CSG) material is a new type of dam material, has broad prospects for development. Water consumption is an important factor affecting the strength of cemented sand and gravel material. In this paper, the compressive strength test was conducted to analyze the effect of water consumption on the compressive strength of cemented sand and gravel material. The results show that the optimal water consumption increases with the increase of CSG material content, and increases with the increase of sand ratio, the optimal water consumption was 85～125 kg/m3. The optimal water-binder ratio decreases with the increase of the dosage of CSG material, and decreases with the increase of the age. The optimal water-binder ratio was 0.95～1.35. The effect of water consumption on compressive strength is second only to cement consumption. In the construction process, the importance of water should be fully aware of. As an important parameter of CSG material, the strength can be exerted and the quality of the project can be ensured.

cemented sand and gravel material; sand ratio; the optimal water consumption; cement content; the content of fly ash

2016-10-01

水利部公益性行業(yè)專項項目(201301025)。

孫明權(quán)(1955—),男,河北諑鹿人,教授,從事水工結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:sunmingquan@ncwu.edu.cn。 孫政衛(wèi)(1988—)，男，河南林州人，碩士研究生，從事水工結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:932426170@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.013

TV42+2

A

1002-5634(2017)01-0064-04