水膠比對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律研究

韓立煒 楊志斌 郭磊

摘?要：膠凝砂礫石作為一種新型筑堤筑壩材料，具有環(huán)境友好、漫頂不潰或緩潰、建設(shè)成本低、施工速度快及發(fā)揮效益早等優(yōu)點(diǎn)，在業(yè)界得到了廣泛的認(rèn)可，但尚存在諸多關(guān)鍵技術(shù)難題需要攻克。膠凝砂礫石材料的力學(xué)特性受多方面因素的影響，本文針對最優(yōu)水膠比，在工程常用的配合比范圍內(nèi)設(shè)計(jì)膠凝砂礫石立方體抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)，針對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別分析了最優(yōu)水膠比與膠凝材料用量、砂率、齡期的相關(guān)關(guān)系，得到如下結(jié)論：最優(yōu)水膠比與膠凝材料用量負(fù)相關(guān)，膠凝材料用量增加時，最優(yōu)水膠比減小;最優(yōu)水膠比與砂率正相關(guān)，砂率提高時，最優(yōu)水膠比增大;隨著水膠比的增大，90 d齡期相對于28 d齡期的強(qiáng)度提升率增大，且不同水膠比的強(qiáng)度在90 d后趨近于同一數(shù)值。

關(guān)鍵詞：膠凝砂礫石;立方體抗壓強(qiáng)度;最優(yōu)水膠比;膠凝材料;砂率;齡期

中圖分類號：TV43?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.024

Abstract： Cemented sand and gravel， as a new type of material for embankment and dam construction has the advantages of environmental friendliness， overtopping or slow collapse， low construction cost， fast construction speed and early benefit. It has been widely recognized in the industry， but as a new dam type， there are still many key technical issues that need to be overcome. The mechanical properties of cemented sand and gravel materials are affected by many factors. Aiming at the optimal water-binder ratio， this article designed the indoor test of the cubic compressive strength of cemented sand and gravel within the range of the commonly used engineering mix ratios and analyzed the most the correlation between the optimal water-binder ratio and the amount of cementing material， sand rate and age. The following valid conclusions are obtained： The optimal water-binder ratio is negatively related to the amount of cementing material and when the amount of cementing material increases， the optimal water-binder ratio decreases. The optimal water-binder ratio is positively correlated with the sand rate. When the sand rate increases， the optimal water-binder ratio increases. With the increase of the water-binder ratio， the strength improvement rate of the 90-day age relative to the 28-day age increases and the strength of different water-binder ratios gradually approach the same value after 90 days.

Key words： cemented sand and gravel; cubic compressive strength; optimal water-binder ratio; cementitious material; sand rate; age

膠凝砂礫石壩是近些年發(fā)展起來的一種新壩型[1-4]，相比混凝土壩能適應(yīng)各種不同的地基，相比土石壩則大大減小了斷面面積，膠凝砂礫石本身具有一定的抗剪強(qiáng)度，在遇到洪水漫頂時也可保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、防止?jié)蝃5]。膠凝砂礫石可以用當(dāng)?shù)氐纳笆吓c水泥、粉煤灰加水經(jīng)過簡易拌和制成，適宜就地取材，在工程上常采用碾壓的方式施工。針對黃河的洪水預(yù)防和泥沙淤積問題，可以充分考慮膠凝砂礫石壩的優(yōu)勢，對黃河河床開挖的砂礫石、淤砂等回收利用作為筑壩、筑堤材料，減淤的同時降低材料和運(yùn)輸成本，也可以減少運(yùn)輸過程的污染，推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，符合當(dāng)今人與自然和諧共生的新發(fā)展理念[6]。

對膠凝砂礫石材料力學(xué)性能進(jìn)行分析，找出膠凝砂礫石強(qiáng)度隨各影響因素的變化規(guī)律，從而指導(dǎo)膠凝砂礫石堤壩建設(shè)，是膠凝砂礫石材料研究不可或缺的一個重點(diǎn)。水膠比是膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)中的一個重要參數(shù)。目前國內(nèi)外學(xué)者對膠凝砂礫石的研究局限于力學(xué)性能、耐久性和壩體結(jié)構(gòu)方面，對單個具體的影響因素沒有深入研究。本文通過設(shè)計(jì)不同配合比，進(jìn)行膠凝砂礫石立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得到了立方體抗壓強(qiáng)度下的最優(yōu)水膠比。

1?膠凝砂礫石立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中水泥采用河南多樣達(dá)水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥[7]，基本參數(shù)見表1。粉煤灰采用鄭州熱電廠干排F類Ⅱ級粉煤灰，參數(shù)見表2。

石子和砂：取自汝河汝州市段河道，對河床原狀砂石進(jìn)行篩分，其中粒徑20 mm以上的石子采用人工振動篩分，20 mm以下的顆粒采用振動臺篩分。最終得到粒徑5～20、20～40 mm的石子作為粗骨料，5 mm以下的砂粒作為細(xì)骨料。

1.2?配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，工程中推薦水泥用量不得少于32 kg/m3，膠凝材料總量不宜低于80 kg/m3，建議水膠比為0.7～1.3，建議砂率為18%～32%。為了探究膠凝材料、砂率和養(yǎng)護(hù)齡期與水膠比之間的關(guān)系，得到各種情況下水膠比與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，對膠凝材料、砂率和水、齡期設(shè)置不同的試驗(yàn)值進(jìn)行對比。20～40 mm石子與5～20 mm石子用量之比為3∶2，在此前提下本次試驗(yàn)配合比設(shè)定如下：①水泥用量為40～70 kg/m3，設(shè)置變化間隔為10 kg/m3;②粉煤灰用量為20～50 kg/m3，設(shè)置變化間隔為10 kg/m3;③在研究砂率對最優(yōu)水膠比的影響試驗(yàn)中，設(shè)置砂率為0.1、0.2、0.3和0.4，水膠比為0.8～1.4（變化間隔為0.1），其余試驗(yàn)砂率均為0.2、水膠比變化間隔設(shè)定為0.2;④試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d和90 d。

1.3?試驗(yàn)方法

膠凝砂礫石的原材料和試樣制備過程都與碾壓混凝土較為相似，制備過程參照《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL48—94）[9]，依次進(jìn)行骨料篩分、加料拌和、裝料振搗成型和養(yǎng)護(hù)，試塊為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體。

2?水膠比對立方體抗壓強(qiáng)度的影響

2.1?水膠比與膠凝材料的關(guān)系

膠凝砂礫石依靠膠凝材料將骨料黏結(jié)在一起，膠凝材料包括水泥和粉煤灰，膠凝材料用量對于膠凝砂礫石的強(qiáng)度有重要的影響，在研究水膠比和膠凝材料關(guān)系的試驗(yàn)中，控制砂率為0.2，得到立方體抗壓強(qiáng)度—水膠比關(guān)系曲線，見圖1和圖2，粉煤灰為40 kg/m3時水泥為40、50、60 kg/m3，記為配合比1～3;水泥為50 kg/m3時粉煤灰為30、40、50 kg/m3，記為配合比4～6。

通過圖1和圖2可以看出：①在相同配合比下，膠凝砂礫石材料強(qiáng)度均隨著水膠比的增大先提高后降低;②膠凝材料用量增加時，相同水膠比下膠凝砂礫石強(qiáng)度增大;③配合比1試件強(qiáng)度在水膠比為1.2時達(dá)到最大值，其余情況強(qiáng)度均在水膠比為1.0時達(dá)到最大。

對上述情況分析，在拌和過程中，水主要作用是浸潤骨料并與膠凝材料結(jié)合形成水泥漿包裹在粗細(xì)骨料表面，水膠比較小時，用水量相對較少，拌和過程中和易性較差，水泥漿黏性不足，不能有效包裹骨料，振搗過程砂漿也不能較好地填充粗骨料間的空隙;水膠比較大時，用水量相對較多，不能完全轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，在拌和后會產(chǎn)生泌水和離析現(xiàn)象，影響試塊成型并使強(qiáng)度下降。膠凝材料是提供黏聚力的主要來源，在水膠比不變的情況下增加膠凝材料用量，骨料含量相對降低，水泥漿包裹骨料更加充分，可提高拌和過程的和易性，裝料振搗會更加密實(shí)[10]。

將圖1和圖2中曲線進(jìn)行擬合，得到如下關(guān)系式：

式中：a、b、c均為統(tǒng)計(jì)參數(shù);x為水膠比;N為抗壓強(qiáng)度。

最優(yōu)水膠比與膠凝材料的擬合結(jié)果見表3，擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)都在0.9以上，屬于高度相關(guān)?？梢钥闯?，隨著膠凝材料用量的增加，用水量增加，最優(yōu)水膠比減小，總體上用水量和最優(yōu)水膠比的變動幅度較小。

在直角坐標(biāo)系繪制最優(yōu)水膠比—膠凝材料用量曲線，并擬合得到兩個關(guān)系式：

y=-0.008 5t+1.88（2）

y=-0.006 5t+1.67（3）

式中：t為膠凝材料用量，kg/m3;y為最優(yōu)水膠比。

根據(jù)《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]可知，碾壓混凝土的膠凝材料用量在140～160 kg/m3之間，建議水膠比為0.43～0.65，試驗(yàn)所用膠凝砂礫石的膠凝材料用量在80～100 kg/m3之間，將其分別代入式（2）、式（3），可預(yù)測最優(yōu)水膠比范圍分別為0.52～0.69和0.63～0.76，與碾壓混凝土的建議水膠比接近，這表明隨著膠凝砂礫石的膠凝材料用量不斷增加，性質(zhì)會逐漸趨近碾壓混凝土。

2.2?水膠比與砂率的關(guān)系

圖3為不同砂率下28 d齡期的抗壓強(qiáng)度—水膠比關(guān)系曲線，水泥和粉煤灰用量分別為50 kg/m3和40 kg/m3，砂率為0.1、0.2、0.3、0.4，記為配合比7～10，水膠比為0.8～1.4。

由圖3可以看出：①在膠凝材料用量一定時，任一砂率下的立方體抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，存在最優(yōu)用水量;②隨著砂率的提高，最優(yōu)用水量逐漸增大;③砂率從0.1提高到0.2時，抗壓強(qiáng)度曲線整體上移，砂率為0.2時整體抗壓強(qiáng)度曲線最高，砂率繼續(xù)提高后整體強(qiáng)度呈現(xiàn)下滑趨勢。

對上述情況分析：隨著砂率的提高，骨料的比表面積增大，用于浸潤骨料的水量增多，與膠凝材料結(jié)合形成的水泥漿水分相對減少，導(dǎo)致拌和物整體缺水，流動性差，影響強(qiáng)度。適當(dāng)增大水膠比，可以改善拌和物水分缺失問題，提高強(qiáng)度，因此最優(yōu)水膠比隨砂率的提高而增大。砂率較低時，拌和后的水泥砂漿較少，在振搗后不能有效填充粗骨料間的空隙;砂率較大時，膠凝材料相對變少，形成的水泥漿不能充分包裹砂粒，水泥砂漿的黏結(jié)性較差。

為具體研究砂率與最優(yōu)水膠比之間的關(guān)系，將圖3曲線按式（1）進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表4，擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)都在0.85以上，屬于高度相關(guān)，說明所選函數(shù)與實(shí)際情況相符。可以看出，隨著砂率的提高，最優(yōu)水膠比明顯提升。

最優(yōu)水膠比與砂率之間的關(guān)系如圖4所示，可以看出，兩者基本為線性關(guān)系，對其進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)在0.99以上，充分表明了擬合結(jié)果的合理性，擬合結(jié)果證明了最優(yōu)水膠比與砂率成正比。

2.3?齡期與水膠比的關(guān)系

在研究齡期與水膠比關(guān)系的試驗(yàn)中，水泥用量為50 kg/m3，砂率為0.2，水膠比為1、1.2和1.4，粉煤灰為30、40、50 kg/m3，齡期為28 d和90 d。

不同齡期下試塊的強(qiáng)度見表5?？芍孩倨渌麠l件相同時，90 d齡期抗壓強(qiáng)度相對于28 d齡期抗壓強(qiáng)度有明顯提升，且水膠比增大時，90 d齡期相對于28 d齡期抗壓強(qiáng)度提升率逐漸提高;②在膠凝材料用量和砂率都相同的情況下，28 d和90 d齡期抗壓強(qiáng)度都會隨著水膠比的增大而有所降低;③不同水膠比條件下，90 d齡期抗壓強(qiáng)度大小相近，趨近于同一值。

分析可知：膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增大，這與混凝土具有相同的性質(zhì)，齡期越長，強(qiáng)度越大;在水膠比較大時，膠凝材料被稀釋，黏結(jié)性不足，加上水分蒸發(fā)后留下的內(nèi)部空隙，使膠凝砂礫石前期強(qiáng)度不足，隨著時間推移，粉煤灰逐漸參與反應(yīng)并填充空隙，使強(qiáng)度逐漸提升至正常水平。

3?結(jié)?論

水膠比是膠凝砂礫石強(qiáng)度的一個重要影響因子，通過多組試驗(yàn)得出膠凝砂礫石存在最優(yōu)水膠比，在其他條件相同時，最優(yōu)水膠比下得到的膠凝砂礫石強(qiáng)度最高。

最優(yōu)水膠比隨著膠凝材料用量增多而小幅減小。最優(yōu)水膠比隨著砂率的提升而顯著增大，兩者之間為線性關(guān)系。

從最優(yōu)水膠比開始，增大水膠比，28 d齡期強(qiáng)度會降低，而90 d齡期強(qiáng)度相對于28 d齡期的提升率會隨著水膠比的增大而提升，隨著時間推移兩者會逐漸趨近，但仍小于最優(yōu)水膠比下的強(qiáng)度。

最優(yōu)水膠比跟所用配合比有關(guān)，根據(jù)已有資料和試驗(yàn)結(jié)果給出最優(yōu)水膠比的建議值為1.0～1.4，砂率高時取上限，砂率較低時取下限。

參考文獻(xiàn)：

[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]?孫明權(quán).膠凝砂礫石材料力學(xué)特性、耐久性及壩型研究[M].北京：中國水利水電出版社，2016：2-5.

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

[4]?孫明權(quán)，楊世鋒，田青青，等.膠凝砂礫石材料力學(xué)特性、耐久性及壩型綜述[J].人民黃河，2016，38（7）：83-85，99.

[5]?賈金生，趙春，繆綸，等.膠凝砂礫石壩施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2018，16（1）：1-8.

[6]?劉中偉，賈金生，馮煒，等.膠凝砂礫石壩在中小型水利工程中的最新應(yīng)用與實(shí)踐[J].水利水電技術(shù)，2018，49（5）：44-49.

[7]?中華人民共和國水利部.膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則：SL 678—2014[S].北京：中國水利水電出版社，2014：6.

[8]?馮煒，賈金生，馬鋒玲.膠凝砂礫石材料配合比設(shè)計(jì)參數(shù)的研究[J].水利水電技術(shù)，2013，44（2）：55-58.

[9]?中華人民共和國水利部.水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程：SL48—94[S].北京：水利電力出版社，1994：9.

[10]?朱廣祥，程衛(wèi)國，尹冬梅，等.水膠比對粉煤灰混凝土強(qiáng)度的影響[J].低溫建筑技術(shù)，2003，25（6）：10-12.

[11]?中華人民共和國水利部.碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL314—2018[S].北京：中國水利水電出版社，2018：13-14.

【責(zé)任編輯?張華巖】