不同類砂巖材料的配比優(yōu)化方案及其強(qiáng)度試驗(yàn)

赫榮富

(遼寧澤成水利工程檢測服務(wù)有限公司，遼寧 新民 110300)

相對模擬試驗(yàn)由于其成本較低，指標(biāo)控制效果較佳，近些年來成為類砂巖材料配比方案及強(qiáng)度試驗(yàn)的主要方式。類砂巖由于和砂巖的材料特性及強(qiáng)度較為相近，且成本遠(yuǎn)低于砂巖材料，在水利工程中得到廣泛應(yīng)用，但是不同配比方案對類砂巖的特性影響較大，需要確定類砂巖的最優(yōu)配比方案，從而獲得性能最佳的類砂巖材料。在配比方案中，對類砂巖材料特性及強(qiáng)度影響的要素較多且十分復(fù)雜，為此需要對各影響因素進(jìn)行敏感性分析，從而確定影響的主導(dǎo)因素，提高配比方案的使用效果。極差敏感法在許多材料特性影響因素敏感性分析中得到應(yīng)用，但是在類砂巖材料特性影響敏感因素分析中應(yīng)用還較少，為此本文結(jié)合極差敏感法，采用相對模擬試驗(yàn)，對類砂巖材料特性的主要敏感因素進(jìn)行分析，并探討不同類砂巖材料的最優(yōu)配比方案。研究成果對于水利工程建設(shè)中類砂巖材料配比具有重要的參考價(jià)值。

1 材料選定及配比方案設(shè)計(jì)

綜合國內(nèi)外常用的類砂巖配比方案研究成果可看出，類砂巖主要選用水泥、石灰石、石膏、外用添加劑、重水晶石英進(jìn)行原材料的配比。充分考慮各原材料的主要功能后，類砂巖配比中骨料主要選用1.45mm的篩子進(jìn)行篩選，采用水泥進(jìn)行強(qiáng)膠效果的強(qiáng)度分析。此外，考慮到類砂巖材料的導(dǎo)熱性能，將外加劑鐵粉的細(xì)度控制在25um之內(nèi)。兩種類砂巖材料的主要物理學(xué)參數(shù)見表1。為實(shí)現(xiàn)類砂巖和砂巖特性相近，采用總量控制以及正交相對模擬試驗(yàn)方式對各類砂巖進(jìn)行配比方案的設(shè)計(jì)，各影響因素所占的配比方案及比例見表2—3。

表1 類砂巖的主要物理學(xué)參數(shù)表

表2 各類型類砂巖相似材料的正交試驗(yàn)設(shè)定值

表3 相對模擬試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各影響因素測試結(jié)果

對各類型砂巖材料不同試驗(yàn)方案下的影響指標(biāo)進(jìn)行測定，試驗(yàn)測定結(jié)果見表4。

采用相似試驗(yàn)的方式，通過設(shè)定10種試驗(yàn)方案，對各類型砂巖的主要4種特性指標(biāo)進(jìn)行分析，從試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，各試驗(yàn)方案粗粒石英砂巖的飽和密度逐步增加，在2.032～2.162g/cm3之間變化；中粒紅砂巖的飽和密度要高于粗粒石英砂巖，其飽和密度在2.056～2.189g/cm3之間變化。兩種類砂巖各方案聲波波速變化較小，在1435～1994m/s之間變幅。導(dǎo)熱系數(shù)是類砂巖的主要表征特性參數(shù)，從各方案類砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)可看出，其總體變幅較小，導(dǎo)熱系數(shù)受外界影響變化較小。單軸抗壓強(qiáng)度是類砂巖強(qiáng)度的重要特性參數(shù)，從表4中可看出，各方案類砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度在15MPa以上，具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度。

2.2 各影響因素敏感性試驗(yàn)分析結(jié)果

采用極差敏感法對類砂巖4種主要影響因素進(jìn)行敏感性分析，不同類砂巖的影響敏感因素分析結(jié)果如圖1—2所示。

表4 不同類砂巖材料不同試驗(yàn)方案下的影響指標(biāo)試驗(yàn)測定結(jié)果

圖1 粗粒石英砂巖不同影響因素敏感性直觀分析結(jié)果

圖2 中粒紅砂巖不同影響因素敏感性直觀分析結(jié)果

從圖1粗粒石英砂巖的飽和度敏感分析結(jié)果可看出，骨料與水泥的質(zhì)量比(B)對飽和密度影響最為敏感，當(dāng)骨料與水泥質(zhì)量比增大5%，類砂巖的飽和密度降低16%。而水灰比(A)的影響程度最弱，敏感性最低，從圖2中粒紅砂巖的飽和密度敏感性分析結(jié)果中也可看出這一試驗(yàn)規(guī)律。由飽和密度的敏感性分析排序可看出，骨料與水泥差的質(zhì)量比(B)>鐵粉的摻入質(zhì)量的百分比(C)>水灰比(A)。從兩種類砂巖聲波波速的敏感性分析結(jié)果可看出，對聲波波束影響最為敏感的因素為骨料與水泥的質(zhì)量比，而隨著聲波波速的增加，其骨料與水泥的質(zhì)量比逐步減少，骨料整體含量對于類砂巖的整體聲波穿透性能具有較好的調(diào)控作用。從導(dǎo)熱系數(shù)的敏感性分析結(jié)果可看出，外加劑如摻入鐵粉質(zhì)量的增加將使得導(dǎo)熱系數(shù)影響度顯著增強(qiáng)。單軸抗壓強(qiáng)度是類砂巖強(qiáng)度的主要指標(biāo)，從其敏感性分析結(jié)果可看出，骨料與水泥質(zhì)量比以及水灰比對單軸抗壓強(qiáng)度影響程度均較大，對其抗壓強(qiáng)度而言，以上兩個(gè)因素配比的合理控制將使得其抗壓強(qiáng)度顯著增大，當(dāng)骨料與水泥質(zhì)量比增大5%，類砂巖單軸抗壓強(qiáng)度分別增加21%。

2.3 各類型砂巖最優(yōu)配比方案的確定

結(jié)合飽和密度、聲波波速、導(dǎo)熱系數(shù)以及單軸抗壓強(qiáng)度分別作為因變量，將各配比方案作為自變量，建立兩種類砂巖的線性自回歸方程，見方程(1)和(2)，并通過綜合對比確定各類砂巖的最優(yōu)配比方案，并對其材料特性及強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果見表5—6。

粗粒石英砂巖線性回歸方程為：

(1)

中粒紅砂巖線性回歸方程為：

(2)

表5 不同類砂巖最優(yōu)配比方案

表6 原料砂巖與類砂巖材料參數(shù)對比結(jié)果

結(jié)合各試驗(yàn)方案的4種類砂巖主要特征影響指標(biāo)和對應(yīng)的配比方案，建立各類砂巖的多元回歸方程。根據(jù)多元回歸方程可以對各配比方案的類砂巖進(jìn)行相似試驗(yàn)分析，綜合考慮各試驗(yàn)材料的配比方案，確定不同類型下類砂巖的最優(yōu)配比方案，骨料與水泥的質(zhì)量比為0.51，滲入鐵粉的質(zhì)量百分比達(dá)到6.5%時(shí)粗粒石英砂巖的配比方案為最優(yōu)，而水灰比為0.52；骨料與水泥的質(zhì)量比為0.48，滲入鐵粉的質(zhì)量百分比達(dá)到7.2%時(shí)中粒紅砂巖的配比方案為最優(yōu)。從相似材料的特征分析結(jié)果可看出，最優(yōu)配比方案各類砂巖的特性材料和原料砂巖的特性較為接近，單軸抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到25MPa以上，滿足最優(yōu)抗壓需求。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)骨料含量對于類砂巖整體聲波波速穿透性能具有明顯調(diào)控性，在實(shí)際工程施工中應(yīng)控制好骨料含量的配比，外加劑中鐵粉對于類砂巖的導(dǎo)熱性能影響顯著，其含量對于類砂巖材料熱學(xué)參數(shù)的配比影響較大。

(2)為達(dá)到和原料砂巖較為相近的特性指標(biāo)，需要重點(diǎn)控制骨料與水泥以及水灰比2個(gè)配比的含量，鐵粉的摻入量對其強(qiáng)度提升影響不顯著。

(3)本文只探討了2種常用的類砂巖類型的最優(yōu)配比方案，其他類砂巖最優(yōu)配比還未進(jìn)項(xiàng)相關(guān)探討，在以后的研究中還需要針對更多類砂巖的配比最優(yōu)方案進(jìn)行深入研究。