砂率及水泥用量對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

膠凝砂礫石材料是將少許膠凝材料（水泥和粉煤灰）和水直接添加到河床砂礫石中，再用常見施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單拌和而獲得的一種新型筑壩材料[1]。膠凝砂礫石壩是由膠凝砂礫石材料作為大壩主體材料而筑成的大壩，它具備面板壩和碾壓混凝土壩兩者的優(yōu)點(diǎn)，與之相比還可以縮小壩體斷面、簡(jiǎn)化施工、縮短工期、減少費(fèi)用等。由于膠凝砂礫石壩安全性高，抗震性強(qiáng)，對(duì)施工工藝及地基條件要求低，而且可就地取材，造價(jià)低廉，基本實(shí)現(xiàn)零棄料，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小，在國(guó)際壩工界已經(jīng)得到了普遍的重視[2-3]。

山西省守口堡水庫(kù)大壩是我國(guó)第一座用膠凝砂礫石材料筑成的大壩，壩址位于山西省大同市陽(yáng)高縣黑水河上游段，是一座?。é┬退畮?kù)，水庫(kù)總庫(kù)容為980萬(wàn)m3，主要用于工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及防洪等，其工程等別為Ⅳ等，其中主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物和臨時(shí)建筑物為5級(jí)。其大壩主體為膠凝砂礫石，上下游防滲保護(hù)均采用常態(tài)混凝土。由于筑壩所用砂礫石料直接取自當(dāng)?shù)睾哟玻奥识际请S機(jī)分布的，且膠凝材料用量少，因此確定膠凝砂礫石筑壩材料的最佳砂率和最少水泥用量對(duì)于指導(dǎo)工程的實(shí)施具有重要的意義。本文以守口堡水庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)所取得原材料為研究對(duì)象，通過(guò)研究不同砂率及不同水泥用量對(duì)膠凝砂礫石試件抗壓強(qiáng)度的影響，得出了膠凝砂礫石筑壩材料的最佳砂率和最少水泥用量，試驗(yàn)結(jié)果可以為膠凝砂礫石壩的建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用的水泥為大同水泥廠生產(chǎn)的冀東水泥普硅P.O 42.5，水泥的物理力學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求，性能指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)用的粉煤灰為大同二電廠產(chǎn)的III級(jí)灰，經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的要求，性能指標(biāo)見表2。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

試驗(yàn)用的細(xì)骨料為膠凝砂礫石里篩分出的砂子，為天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.60，屬中砂，其物理化學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）的要求，性能指標(biāo)見表3。

試驗(yàn)用的砂礫石料為守口堡水庫(kù)砂礫石料場(chǎng)挖取的砂礫石（試驗(yàn)前篩除粒徑大于150 mm的顆粒），砂礫石通過(guò)添加25%的5～40 mm碎石進(jìn)行了級(jí)配優(yōu)化，其物理化學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）的要求，優(yōu)化后砂礫石的顆粒級(jí)配見表4。

表3 細(xì)骨料理化性能指標(biāo)

表4 添加25%石子后砂礫石料顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)配合比

在砂礫石添加25%的5～40 mm碎石前提下，調(diào)配砂率為20%、25%、30%、35%、40%、45%六組別的砂礫石料，用水量控制在110 kg/m3，膠凝材料用量保持不變?yōu)镻.O 42.5水泥50 kg/m3，粉煤灰40 kg/m3，分別成型150 mm×150 mm×150 mm立方體抗壓強(qiáng)度試件進(jìn)行試驗(yàn)。保持用水量、砂礫石、粉煤灰和砂率不變，設(shè)置了 30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3、60 kg/m3、70 kg/m3、80 kg/m3六種水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)。膠凝砂礫石的配合比見表5。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 成型與養(yǎng)護(hù)

膠凝砂礫石的成型及養(yǎng)護(hù)過(guò)程為:先將水泥、粉煤灰及砂礫石料等依次倒入攪拌機(jī)中，干拌1 min；然后再將水徐徐加入攪拌機(jī)中，濕拌2～3 min，使拌合物均勻分散；卸料時(shí)將攪拌均勻的膠凝砂礫石傾倒在濕潤(rùn)的鋼板上，再人工拌和2～3次后裝入試模，裝料時(shí)應(yīng)用抹刀沿試模內(nèi)壁略加插搗，使拌和物高出試模上口。試件的成型適宜采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，振動(dòng)成型時(shí)一邊將拌合物裝模一邊用抹刀沿試模內(nèi)壁稍加插搗，振動(dòng)至混凝土表面出漿（振動(dòng)時(shí)間控制在30 s左右）；試件在溫度為20±5℃的環(huán)境中靜置一夜，然后編號(hào)、拆模，將拆模后的試件放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)。

表5 膠凝砂礫石配合比

1.3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

膠凝砂礫石立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）的相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用混凝土液壓式Y(jié)E-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂率對(duì)膠凝砂礫石筑壩材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖1為砂率與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。從圖中可以看出，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。從曲線的斜率來(lái)看，砂礫石的砂率從20%增加到30%時(shí)，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢；當(dāng)砂率大于30%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，可見膠凝砂礫石材料存在一個(gè)最佳砂率，最佳砂率時(shí)膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度最大。這可能是由于膠凝砂礫石的膠凝材料用量較少，當(dāng)砂率大于30%后，由水、水泥、粉煤灰和砂礫石所組成的灰漿漿體已開始無(wú)法完全填滿砂的所有空隙，造成了抗壓強(qiáng)度的下降。

圖1 砂率與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 水泥用量對(duì)膠凝砂礫石筑壩材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為水泥用量與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。從圖中可以看出，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增大。水泥用量為30 kg/m3和40 kg/m3時(shí)，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度（守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì)強(qiáng)度經(jīng)設(shè)計(jì)部門確定為6 MPa）。當(dāng)水泥用量為50 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度為7.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)水泥用量大于50 kg/m3時(shí)，隨著水泥用量每增加10 kg/m3，試件抗壓強(qiáng)度可提高10%～27%。由此可以看出，水泥作為主要的膠凝材料起到了很好的膠結(jié)作用，水泥用量的增加可以顯著提高膠凝砂礫石筑壩材料的抗壓強(qiáng)度。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，推薦的最少水泥用量為50 kg/m3。

圖2 水泥用量與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

在膠凝砂礫石筑壩材料中，砂率和膠凝材料是影響膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的主要因素，而水泥是主要的膠凝材料。本文通過(guò)研究不同砂率及不同水泥用量對(duì)膠凝砂礫石試件抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論:膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；膠凝砂礫石筑壩材料的最佳砂率為30%。膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增大；滿足設(shè)計(jì)要求的最小水泥用量為50 kg/m3。試驗(yàn)結(jié)果可以為膠凝砂礫石壩的建設(shè)提供參考。