富膠凝砂礫石材料抗壓及抗凍性能研究

閆 林， 何建新， 楊海華

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

膠凝砂礫石壩是我國(guó)發(fā)展較為緩慢的一種新壩型，其各項(xiàng)性能及施工工藝介于混凝土壩和土石壩之間[1-2]。盡管膠凝砂礫石壩具有施工便捷、工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、環(huán)境友好及安全可靠等特點(diǎn)[3-5]，但在實(shí)際永久性水利工程中卻極少使用，使得該壩型難以發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。一是天然砂礫石料級(jí)配離散性過(guò)大，易造成膠凝砂礫石材料力學(xué)性能不穩(wěn)定；二是膠凝砂礫石壩發(fā)展歷程短，相關(guān)配套的施工工藝不夠成熟，缺乏可靠的理論支撐[6]；三是對(duì)于膠凝砂礫石壩相適宜的保護(hù)層材料研究不夠完善和系統(tǒng)化。以上諸多基礎(chǔ)因素制約了該壩型的發(fā)展，因此，完善膠凝砂礫石壩基礎(chǔ)理論對(duì)該壩型的應(yīng)用具有重要價(jià)值及意義。

當(dāng)前，相關(guān)學(xué)者對(duì)膠凝砂礫石材料的各項(xiàng)力學(xué)性能、耐久性能及施工工藝等已做了大量研究，并得出很多重要成果。然而對(duì)于膠凝砂礫石壩型相適應(yīng)的保護(hù)層材料卻鮮有涉及，常態(tài)混凝土、堆石混凝土、變態(tài)碾壓混凝土、變態(tài)膠凝砂礫石等都可作為膠凝砂礫石壩的保護(hù)層材料，但需增加相應(yīng)的施工設(shè)備及工序工藝，壩面易出現(xiàn)交叉作業(yè)施工，影響施工進(jìn)度和成本控制。馮煒等[7]提出富膠凝砂礫石材料(簡(jiǎn)稱(chēng)CSGR)作為膠凝砂礫石壩的保護(hù)層結(jié)構(gòu)，并對(duì)CSGR材料各項(xiàng)性能做了初步研究，該材料在膠凝砂礫石填筑過(guò)程中與壩體同步施工，且不必增加額外的拌合系統(tǒng)和施工工序，大大簡(jiǎn)化了施工工藝。此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)該材料力學(xué)性能和耐久性能的深入探究較少。

為此，本研究針對(duì)CSGR材料設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，通過(guò)投影尋蹤回歸分析法(簡(jiǎn)稱(chēng)PPR)進(jìn)一步探究膠凝材料用量、水灰比及細(xì)料含量3個(gè)因素對(duì)CSGR材料抗壓及抗凍性能的影響規(guī)律，為改善膠凝砂礫石壩施工工藝，質(zhì)量安全和造價(jià)經(jīng)濟(jì)提供理論及技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

砂礫石料為新疆某膠凝砂礫石壩河床天然砂礫石料，其中5～80 mm粒徑的天然砂礫石料中的含泥量為1.7%，砂礫石料級(jí)配組成見(jiàn)表1，小于5 mm粒徑的天然砂礫石料(細(xì)料)含泥量為5.1%，細(xì)料級(jí)配組成見(jiàn)表2，水泥采用新疆蒙鑫P·O 42.5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，減水劑為新疆格輝牌萘系FDN高效型減水劑，引氣劑為新疆格輝牌GH-AE型引氣劑，水為城市普通自來(lái)水。

表1 大于5 mm的粒徑級(jí)配組成 %

表2 小于5 mm的粒徑級(jí)配組成 %

2.2 配合比正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)方法參照《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》及已有工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[8-9]，選用三因素三水平L9(33)正交試驗(yàn)表，正交設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3，其中膠凝材料為水泥和粉煤灰(水泥∶ 粉煤灰為7∶ 3)，減水劑用量為0.8%，引氣劑用量根據(jù)實(shí)測(cè)含氣量進(jìn)行調(diào)整，控制含氣量為5.0%～7.0%之間。

2.3 試件成型及養(yǎng)護(hù)

CSGR材料抗壓、抗凍試件成型均采用濕篩法，在加入膠凝材料和水充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，抗壓試件為剔除大?0 mm粒徑后的拌合物，分3層裝入標(biāo)準(zhǔn)鋼試模(15.0 cm×15.0 cm×15.0 cm)中置于振動(dòng)臺(tái)振實(shí)；抗凍試件為剔除30mm以上粒徑的拌合物，亦分3層裝入PVC抗凍標(biāo)準(zhǔn)試模(10.0 cm×10.0 cm×40.0 cm)中置于振動(dòng)臺(tái)振實(shí)。成型試件用棉布覆蓋2 d后脫模，置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

表3 正交設(shè)計(jì)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

CSGR材料抗壓強(qiáng)度和抗凍性能試驗(yàn)每組配合比下各成型3個(gè)試件，將3個(gè)試件抗壓強(qiáng)度或抗凍性能的均值作為試驗(yàn)結(jié)果，采用混凝土抗剪抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定CSGR材料抗壓強(qiáng)度，將加載速度控制為8.0～10.0 kN/s，直至試件破壞，抗壓試件28 d強(qiáng)度的試驗(yàn)平均值見(jiàn)表4。采用TDRF-2型號(hào)混凝土快速凍融循環(huán)機(jī)進(jìn)行抗凍循環(huán)試驗(yàn)，試件內(nèi)部循環(huán)溫度設(shè)置為-18℃±2℃和5℃±2℃；選用DT-15型動(dòng)彈儀測(cè)定動(dòng)態(tài)彈性模量，每25個(gè)循環(huán)周期測(cè)定一次質(zhì)量損失量和動(dòng)態(tài)彈性模量。直到試件的質(zhì)量損失率達(dá)到5.0%，亦或相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量降低到初始值的60.0%時(shí)停止試驗(yàn)(判定試件已破壞)，抗凍試件28 d抗凍性能的試驗(yàn)平均值見(jiàn)表5。

表5 抗壓及抗凍正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2 投影尋蹤回歸分析

本研究采用投影錄蹤(PPR)分析法研究膠凝材料用量、水灰比和細(xì)料含量對(duì)CSGR材料的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響。PPR分析法是建立在投影尋蹤技術(shù)上的一種數(shù)值回歸分析方法[10]，該方法的基本原理是進(jìn)行無(wú)假定非參數(shù)建模，將高維的數(shù)據(jù)向低維子空間投影，再通過(guò)極小化投影指標(biāo)來(lái)尋找高維數(shù)據(jù)的特征投影，以此為線(xiàn)索研究高維數(shù)據(jù)[11]。由于PPR分析法是通過(guò) “自主學(xué)習(xí)”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)律，無(wú)需人為假定所建模型的種類(lèi)，因此可以最大限度突破模型自身的局限性，規(guī)避建模假定和參數(shù)的不合理限制，從而使回歸方程的精確度提高[12-13]。分別對(duì)表5中9組CSGR材料抗壓強(qiáng)度和抗凍循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行PPR分析，所建模型中光滑系數(shù)(反映投影靈敏度的指標(biāo))SPAN取為0.5，投影方向初始值M取為5，最終投影方向值MU取為3，其余模型參數(shù)N，P，Q，分別為9,3,1。

PPR分析法所建模型的公式形式相同，不同的是模型參數(shù)α和β，PPR模型為：

(1)

式中：M是數(shù)值函數(shù)的最佳數(shù)目；βi是數(shù)值函數(shù)的影響權(quán)系數(shù)；fi是數(shù)值函數(shù)；αijxj是i方向的投影值，其中αij=(αi1，αi2，…，αip)，i=1，2，…M，j=1，2，…，p。

對(duì)于CSGR材料抗壓強(qiáng)度：

β=[1.3432 0.6780 0.4016]

對(duì)于CSGR材料抗凍性能：

β=[ 0.9815 0.3650 0.2122]

通過(guò)PPR分析得出仿真值和誤差分析見(jiàn)表6。由表6中數(shù)據(jù)可以看出，CSGR抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的實(shí)際值與仿真值擬合結(jié)果吻合較好，9組抗壓強(qiáng)度及抗凍性能試驗(yàn)合格率都達(dá)到了100%，相對(duì)誤差均不超過(guò)5%，抗壓強(qiáng)度最大相對(duì)誤差為-3.85%，抗凍性能最大相對(duì)誤差為4%。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，其自變量的相對(duì)權(quán)重分別為：膠凝材料用量1.00、水灰比0.827、細(xì)料含量0.660；對(duì)于抗凍性能，其自變量的相對(duì)權(quán)重分別為：膠凝材料用量1.00、水灰比0.885、細(xì)料含量0.485。由此可以看出，無(wú)論是抗壓強(qiáng)度還是抗凍性能，對(duì)于CSGR材料影響程度都是膠凝材料用量最大，水灰比次之，細(xì)料含量最小。

4 投影尋蹤仿真單因素分析

PPR仿真單因素分析是在投影尋蹤回歸的基礎(chǔ)上對(duì)各項(xiàng)影響因素進(jìn)行單因素分析，將一個(gè)影響因素作為考察指標(biāo)時(shí)，其余影響因素取中位數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合表6模型分析結(jié)果，試驗(yàn)采用PPR仿真單因素分析法進(jìn)一步研究不同水平下各影響因素對(duì)CSGR材料的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律。為了便于繪圖，每組水平值下增加兩個(gè)仿真變量，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

4.1 膠凝材料用量的影響規(guī)律

根據(jù)PPR仿真單因素分析結(jié)果表7，繪制出CSGR材料抗壓及抗凍性能隨膠凝材料用量的變化規(guī)律曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。由圖1可知，CSGR材料抗壓強(qiáng)度和抗凍性能都是隨著膠凝材料用量的增加而增大，但兩者曲線(xiàn)關(guān)系所呈現(xiàn)的規(guī)律趨勢(shì)有所不同。抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料用量的增加，先快速增大隨后增幅逐漸平緩；相反，抗凍性能增幅先平緩后快速增大。此規(guī)律可通過(guò)膠漿包裹裕度理論[14-15]進(jìn)行解釋?zhuān)z漿包裹裕度公式為：

(2)

式中：α為膠漿體積與細(xì)料空隙體積比，即膠漿裕度；W為用水量,kg；C為水泥用量,kg；F為摻合料用量,kg；S為細(xì)料用量,kg；ρ為密度,g/cm3；Vs為細(xì)料空隙率,%；ωs為細(xì)料密實(shí)容重,kg/m3。

對(duì)于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)CSGR材料中細(xì)料含量與水灰比不變時(shí)，系數(shù)α隨著膠凝材料用量增加而增大，即細(xì)料膠結(jié)界面強(qiáng)度隨膠凝材料用量的增加而增大。但隨著膠凝材料逐漸將細(xì)料空隙填充，材料密實(shí)度增大，抗壓強(qiáng)度增幅逐漸減小。對(duì)于抗凍性能，在漿體未將細(xì)料空隙充分填充前，材料內(nèi)部存在空隙和毛細(xì)孔，抗凍性能增幅平緩，當(dāng)膠凝材料用量大于250 kg/m3時(shí)，曲線(xiàn)斜率驟然變大，抗凍性能明顯增強(qiáng)，此時(shí)說(shuō)明膠漿已將細(xì)料基本裹附，其內(nèi)部空隙基本填充，隨膠凝材料用量增加，一部分膠凝材料起膠結(jié)作用，另一部分則起到填充砂礫石料空隙作用，使得抗凍性能提高。

表6 投影尋蹤回歸模型分析結(jié)果

表7 投影尋蹤仿真單因素分析結(jié)果

圖1 膠凝材料用量與CSGR抗壓強(qiáng)度、抗凍性能關(guān)系

此外，隨著膠凝材料用量增加，其水化產(chǎn)物隨之增多，并將材料內(nèi)部毛細(xì)通道阻塞，加速毛細(xì)孔閉合，抗凍性能進(jìn)一步提升[16]，這種提升不是無(wú)限制增大，最終抗凍性能會(huì)隨膠凝材料用量增加逐漸趨于穩(wěn)定。

4.2 水灰比的影響規(guī)律

水灰比對(duì)CSGR材料抗壓及抗凍性能的影響與其對(duì)混凝土的影響規(guī)律十分相似，水灰比的大小不僅決定著CSGR材料的工作性質(zhì)及施工工藝，并且對(duì)其力學(xué)性能起著重要影響。圖2為水灰比與CSGR材料抗壓強(qiáng)度及抗凍性能的關(guān)系。

由圖2可以看出，材料抗壓及抗凍性能隨著水灰比增大而增強(qiáng)，在水灰比大于0.45時(shí)出現(xiàn)峰值后下降。抗壓強(qiáng)度這一規(guī)律表明，隨著水灰比的增加，CSGR材料工作性質(zhì)由低流態(tài)塑性向流動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，拌合物流動(dòng)性增加，振實(shí)密度增大，材料空隙率減小，使得抗壓強(qiáng)度增大；當(dāng)水灰比大于0.45時(shí)，用水量過(guò)多，振動(dòng)密實(shí)時(shí)易產(chǎn)生泌水，形成毛細(xì)通道，降低抗壓強(qiáng)度。對(duì)于抗凍性能，當(dāng)水灰比小于0.45時(shí)，變化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理與抗壓性能相似；當(dāng)水灰比大于0.45時(shí)，毛細(xì)孔增多，其內(nèi)部孔隙率和水分?jǐn)U散率會(huì)隨之增大，同時(shí)在材料硬化以后，水分易進(jìn)入內(nèi)部，在凍融循環(huán)過(guò)程中更易發(fā)生凍融侵蝕，從而加劇劣化[17-18]。

圖2 水灰比與CSGR材料抗壓強(qiáng)度、抗凍性能關(guān)系

4.3 細(xì)料含量的影響規(guī)律

細(xì)料含量對(duì)工作性質(zhì)屬于低流態(tài)塑性的CSGR材料的密實(shí)度起著重要影響，適宜的細(xì)料含量對(duì)填充大粒徑砂礫石料骨架空隙，降低空隙率，提高力學(xué)性能是較為有利的。圖3為細(xì)料含量與CSGR材料抗壓強(qiáng)度及抗凍性能的關(guān)系。由圖3可知CSGR材料抗壓及抗凍性能隨細(xì)料含量的增大而增大，在細(xì)料含量大于27.5%時(shí)增幅趨于平緩。根據(jù)細(xì)料砂漿包裹裕度公式：

(3)

式中：β為細(xì)料砂漿體積與砂礫石料空隙體積比，即細(xì)料砂漿裕度；Va為含氣量,%；G為礫石料用量,

kg；ρg為礫石料表觀密度,g/cm3；Vg為礫石料空隙率,%；ωg為礫石料密實(shí)容重,kg/m3。

當(dāng)?shù)[石料用量一定時(shí)，其礫石料空隙率、密實(shí)容重和礫石料表觀密度不變，隨著細(xì)料含量的增加，礫石料空隙率下降，材料密實(shí)度增大，系數(shù)β增大，即抗壓強(qiáng)度隨著細(xì)料含量增加逐漸將礫石料空隙填充而增大，在細(xì)料含量大于27.5%時(shí)，礫石料內(nèi)部空隙已基本被填充，抗壓強(qiáng)度隨細(xì)料含量增加增幅趨于平緩。

細(xì)料含量對(duì)CSGR材料抗凍性能與抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相似，隨著細(xì)料含量增加，空隙率下降，有利于發(fā)揮引氣劑均勻分散微細(xì)氣泡、減少毛細(xì)孔的作用，使得抗凍性能提高。由于用水量一定，隨著細(xì)料含量的進(jìn)一步增加，比表面積增大，漿體裹附率下降，CSGR材料抗壓強(qiáng)度與抗凍性能逐漸降低。

圖3 細(xì)料含量與CSGR材料抗壓強(qiáng)度、抗凍性能關(guān)系

5 結(jié) 論

本研究通過(guò)配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究膠凝材料用量、水灰比及細(xì)料含量對(duì)CSGR材料抗壓和抗凍性能的影響，結(jié)合PPR分析法和PPR單因素仿真分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)投影尋蹤回歸分析表明其各項(xiàng)影響因素對(duì)CSGR材料抗壓強(qiáng)度和抗凍性能指標(biāo)的影響程度為膠凝材料用量最大，水灰比次之，細(xì)料含量最小。

(2)CSGR材料抗壓強(qiáng)度和抗凍性能都是隨著膠凝材料用量的增加而增大，但兩者曲線(xiàn)關(guān)系所呈現(xiàn)的規(guī)律趨勢(shì)有所不同?？箟簭?qiáng)度隨膠凝材料用量的增加，先快速增大隨后增幅逐漸平緩；相反，抗凍性能先平緩增大，當(dāng)膠凝材料用量大于250 kg/m3時(shí)快速增大。

(3)CSGR材料抗壓及抗凍性能隨著水灰比增大而增強(qiáng)，在水灰比大于0.45時(shí)出現(xiàn)峰值后下降。

(4)細(xì)料含量對(duì)CSGR材料抗壓強(qiáng)度與抗凍性能的影響規(guī)律相似，隨細(xì)料含量的增大CSGR材料抗壓及抗凍性能都隨之增大，且在細(xì)料含量大于27.5%時(shí)增幅趨于平緩。