骨料級配對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

庫熱西·艾孜孜，張傲齊，朱炎寧

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆　烏魯木齊 830000）

骨料級配對膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

庫熱西·艾孜孜，張傲齊，朱炎寧

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

通過對搜集到的新疆地區(qū) 18 組水利工程筑壩用砂礫石級配進(jìn)行整理和分析，依據(jù) 18 組砂礫石級配曲線，試驗(yàn)中砂礫石細(xì)骨料含量取平均值并保持不變，分別改變砂礫石粗細(xì)骨料級配（取上、下包線和平均線），得知砂礫石的粗骨料和細(xì)骨料單獨(dú)改變時(shí)對膠凝砂礫石強(qiáng)度具有一定的影響，為膠凝砂礫石工程建設(shè)提供參考。

膠凝砂礫石；骨料級配；抗壓強(qiáng)度

0　前言

膠凝砂礫石的英文名稱是 Cemented Sand and Gravel，簡稱 CSG，它是把少量的膠凝材料（摻量為 40～100kg/m3）、天然砂礫石、水以及外加劑拌合、振動(dòng)。碾壓后形成的具有一定抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的材料，也有一些學(xué)者稱之為隨機(jī)級配的混凝土[1-4]。天然砂礫石按顆粒粒徑大小可分為粗骨料和細(xì)骨料兩部分，粗骨料構(gòu)成膠凝砂礫石的基本骨架，是承受外部壓力的主要部分；細(xì)骨料是填充膠凝砂礫石骨架孔隙的主要材料，可增加密實(shí)度。相關(guān)試驗(yàn)研究證明，膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度與砂礫石的含砂率（粒徑＜5mm 顆粒的含量）和含泥量密切相關(guān)[5-7]。這是因?yàn)榧?xì)骨料的比表面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗骨料，需要更多的膠凝材料漿體去包裹顆粒，膠凝砂礫石的膠凝材料摻量較少，因此含砂率和含泥量的影響就更為突出。

國內(nèi)對膠凝砂礫石骨料級配所做的相關(guān)研究，大都是基于混凝土最優(yōu)級配理論，只著眼于細(xì)骨料含量的多少，但是砂礫石粗、細(xì)骨料級配的變化對膠凝砂礫石強(qiáng)度究竟是否有影響，有多大的影響，還缺乏相關(guān)試驗(yàn)研究。為探究新疆各地區(qū)的砂礫石料能否滿足工程應(yīng)用要求，還需要單獨(dú)從砂礫石的粗細(xì)骨料級配與抗壓強(qiáng)度關(guān)系方面做進(jìn)一步試驗(yàn)。

1　原材料選擇

原材料的組成包括天然砂礫石、水泥、減水劑以及水。經(jīng)檢測，水泥和減水劑的各項(xiàng)技術(shù)要求均滿足規(guī)范要求。

1.1砂礫石料

砂礫石料采用新疆吐魯番市某處天然砂礫石混合料，經(jīng)篩分試驗(yàn)可知，砂礫石中砂石的比例變化不大、級配連續(xù)，砂礫石的篩分結(jié)果見表 1。試驗(yàn)前剔除粒徑大于 80mm 的顆粒，并依次篩分為 80～60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.075mm 共 10 個(gè)粒徑區(qū)間部分。0.075mm 粒徑以下部分為泥，由于含泥量對 CSG 抗壓強(qiáng)度具有較大影響，為減小砂礫石中含泥量帶來的試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)配料時(shí)剔除 0.075mm 以下部分。

表1　天然砂礫石篩分結(jié)果

1.2水泥

水泥采用新疆青松廠家生產(chǎn)的 P·O42.5，該水泥的各項(xiàng)物理技術(shù)性能和化學(xué)成分的測定結(jié)果見表 2 和表 3。

表2　水泥各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3　水泥化學(xué)成分及熟料礦物成分　　%

1.3減水劑

采用 NF-1 高效減水劑，無引氣作用，產(chǎn)品符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)試驗(yàn)，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的 1%。該產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表 4 所示。

表4　NF-1 高效減水劑勻質(zhì)性指標(biāo)

1.4試驗(yàn)用水

本文中膠凝砂礫石試驗(yàn)的拌合用水和養(yǎng)護(hù)用水均采用烏魯木齊市自來水。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）對新疆地區(qū) 18 組工程中的砂礫石料剔除 80mm 以上粒徑顆粒后的級配進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。細(xì)骨料含量取平均值31.2%，并始終保持不變。細(xì)骨料級配選平均級配曲線，繪制粗骨料級配的上、下包絡(luò)線和平均級配曲線，如圖 1 所示；同樣，粗骨料的級配保持不變，繪制細(xì)骨料級配的上、下包絡(luò)線和平均級配曲線，如圖 2 所示。

圖2　細(xì)骨料級配變化曲線

（2）將篩分好的各粒徑的砂礫石按照圖 1 和圖 2 中的級配曲線進(jìn)行配料，為減小試驗(yàn)誤差，避免含泥量對試驗(yàn)造成的影響，配料時(shí)剔除含泥部分，如表 5 所示。

表5　各粒徑砂礫石料百分含量　　%

砂子的粗細(xì)按細(xì)度模數(shù)分為粗砂、中砂、細(xì)砂和特細(xì)砂4 個(gè)等級，如表 6 所示。

表6　砂子分類表

對 7 組級配的砂礫石進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，統(tǒng)計(jì)特征值如表 7 所示。從表 7 可以看出，7 組砂礫石級配離散程度不大，且級配良好，新疆地區(qū)砂礫石細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)都較大，上包線細(xì)度模數(shù)最小，屬中砂。為了突出細(xì)度模數(shù)對 CSG 強(qiáng)度的影響，特增加對照組，對照組的細(xì)骨料摻配而成，經(jīng)計(jì)算其細(xì)度模數(shù)為 1.8，屬細(xì)砂。

表7　各組骨料級配特征統(tǒng)計(jì)分析

3　試驗(yàn)過程

（1）VC 值試驗(yàn)。VC 值（即工作度），是指在一定的振動(dòng)頻率、振幅和表面壓強(qiáng)下，膠凝砂礫石振動(dòng)至表面完全泛漿所需要的時(shí)間。試驗(yàn)室內(nèi)用維勃稠度儀測定 VC 值，維勃稠度儀是專門用來測定干硬性混凝土的稠度的儀器，但是也可適用于粒徑小于 40mm、VC 值在 2～30 秒內(nèi)的膠凝砂礫石拌合物稠度的測定。分別按上述 7 種砂礫石級配配料、水泥用量均采用 80kg/m3，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的 1%，上述各材料稱量后在室內(nèi)用鐵鍬干拌，然后加水拌合均勻，用水量根據(jù) VC 值大小來定，初次拌合時(shí)用水量偏小一些。將拌合物通過 40mm 的篩子，將篩余部分分三層裝入維勃稠度儀的容器中，每層用搗棒插搗 25 下；然后將容器固定在儀器的振動(dòng)臺上，開始測量拌合物的 VC 值。本次試驗(yàn) VC 值控制在2～5s，若 VC 值偏大，則逐步增加用水量，直至 VC 值滿足要求為止；經(jīng)多次試驗(yàn)，最后確定用水量如表 8 所示。

（2）立方體抗壓試塊制作。將拌合好的膠凝砂礫石拌合物通過 40mm 的篩子后，將剩余部分分三層裝入 150mm× 150mm×150mm 的鋼試模中，每層先用搗棒振搗 25 下，然后用重型擊實(shí)錘擊實(shí) 35 下，換算成擊實(shí)功為 0.537J/cm3。兩天后脫模，然后用濕潤的棉布包裹進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃，每天按時(shí)灑水，保證試塊處于濕潤的環(huán)境中。

（3）試塊抗壓強(qiáng)度測定。根據(jù)不同的砂礫石料級配共成型7組膠凝砂礫石試件，試件養(yǎng)護(hù) 28 天后測定試件的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)過計(jì)算整理后的試驗(yàn)結(jié)果見表 8。

表8　試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表 7 和表 8 可以看出，由于粗骨料的上包線和平均線級配接近，這兩組試塊抗壓強(qiáng)度差別不大；粗骨料的下包線級配最粗，制作抗壓試塊時(shí)需篩去 40mm 以上粒徑的粗骨料，相對來說試塊中細(xì)骨料含量大于前兩組，其抗壓強(qiáng)度最小，但差異并不大；在細(xì)骨料含量和級配不變的情況下，粗骨料級配的變化對膠凝砂礫石強(qiáng)度影響不大，可以滿足工程應(yīng)用要求。

（2）粗骨料級配固定不變，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)由大到小，由粗砂逐步過渡到細(xì)砂，則細(xì)骨料比表面積增大，需要更多膠漿來滿足包裹度要求。但試驗(yàn)中水泥用量保持 80kg/m3 不變，用水量逐漸增多，水膠比逐漸增大，故其抗壓強(qiáng)度隨之降低。從表 7 可以看出，CSG 試塊抗壓強(qiáng)度明顯隨著細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)的減小而減小，但減小程度不大，即使對照組中細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)減小到 1.8，其抗壓強(qiáng)度明顯小于前三組，但也在工程可控范圍之內(nèi)。只要工程設(shè)計(jì)時(shí)抗壓強(qiáng)度選取合適的安全系數(shù)，CSG 工程施工可不考慮細(xì)骨料級配變化帶來的影響。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)與試塊抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖 3 所示。

圖3　抗壓強(qiáng)度—細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線

5　結(jié)論

（1）細(xì)骨料含量和級配不變，粗骨料級配由粗到細(xì)逐步改變時(shí)，CSG 試塊強(qiáng)度變化不大，強(qiáng)度波動(dòng)在可控制范圍內(nèi)；粗骨料含量和級配保持不變，細(xì)骨料由粗到細(xì)，細(xì)度模數(shù)由大到小逐級改變時(shí)，CSG 試塊強(qiáng)度呈線性減小的趨勢，但減小幅度不大，強(qiáng)度設(shè)計(jì)中只要選取合適的安全系數(shù)，即可滿足工程需要。

（2）新疆地區(qū)砂礫石細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)較大，均為粗砂或中砂，適宜做 CSG 的骨料。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，在新疆地區(qū)膠凝砂礫石工程可放寬骨料的選材范圍，檢測重點(diǎn)為細(xì)骨料含量和含泥量。

[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(bào)，2006,37(5): 578-582．

[2] 馮煒，賈金生，馬鋒玲，等．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(bào)，2013,44(4): 500-504．

[3] 賈金生，馬鋒玲，馮煒，等．膠凝砂礫石壩配合比設(shè)計(jì)及防滲保護(hù)層研究[A]．水庫大壩建設(shè)與管理中的技術(shù)進(jìn)展一中國大壩協(xié)會(huì)2012學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]．成都，2012: 442-447．

[4] 劉學(xué)章，李憲．膠凝砂礫石壩特點(diǎn)及國外己建工程簡介[J].廣西水利水電，2011(3): 75-79．

[5] 唐新軍，陸述遠(yuǎn)．膠結(jié)堆石料的力學(xué)性能初探[J]．武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1997,30(06): 15-18．

[6] 馮煒，賈金生，馬豐鈴．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,(06): 55-58．

[7] GB/T 50145-2007，土的分類標(biāo)準(zhǔn)[S]．

［通訊地址］烏魯木齊市沙依巴克區(qū)雅山中路 418 號（830000）

庫熱西·艾孜孜（1966—），男，高級工程師，主要研究方向：新型建材研發(fā)與安全質(zhì)量管理。