CSG材料強度特性及彈性模量的研究★

李明浩 權俊豪 王思方 胡慶港 金光日

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

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CSG材料強度特性及彈性模量的研究★

李明浩 權俊豪 王思方 胡慶港 金光日*

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

研究了單位水泥量、養(yǎng)護時間對CSG材料強度的影響及相互之間的關系，并通過單軸抗壓實驗，探究了CSG材料的強度變化特性，實驗結果表明，在最大粒徑為80 mm、最長養(yǎng)護時間為28 d的條件下，CSG的單軸抗壓強度隨著養(yǎng)護時間和單位水泥量線型增加，且得出了單位水泥量對CSG材料彈性模量影響的相關關系式。

CSG材料，單軸抗壓強度，彈性模量，養(yǎng)護時間

0 引言

CSG(Cement Sand and Gravel,膠凝砂礫石)材料是由加利福尼亞大學的J.M拉斐爾(Jerome Rafael)提出的一種新型筑壩材料[1]；之后，由法國P.Londe提出“面板對稱硬填方壩”新型壩體[2]。CSG材料自提出以來在日本、希臘、近來特別是在土耳其都有了長足發(fā)展。1992年，日本[3]第一次利用CSG技術修建了Nagashima壩上游圍堰，1999年又利用CSG技術修建了第一座永久性建筑物——Nagashima水壩攔砂壩。我國在20世紀末開始關注此材料，國內(nèi)有很多專家學者對其進行了研究并得到了一些成果。

CSG材料是利用施工現(xiàn)場附近的河床砂礫石或者開挖爆破廢棄料等材料作為骨料，并加入非常少量的水泥和水，經(jīng)過適當攪拌振實所得到具有一定強度的筑壩材料。用CSG材料構筑的水壩具有構筑造價低廉、施工簡便快捷、安全性較高，并且對壩址附近的環(huán)境影響較小，是一種經(jīng)濟環(huán)保的筑壩技術[4]。本文將通過研究單位水泥量、養(yǎng)護時間對CSG材料強度的影響及相互之間的關系，并且還利用了單軸抗壓實驗來探究CSG材料的強度變化特性。

1 材料與實驗方法

1.1 材料

首先在OO壩附近河灘隨機選取4處區(qū)域，去除表面土層大約1 m的雜草和其他雜物后，選取小于80 mm粒徑的河床骨料。根據(jù)有關文獻顯示，為了保證CSG材料的品質(zhì)和施工可行性，也選取了80 mm粒徑以下的土料。這樣選取的骨料具有一定的普遍性，更加接近實際施工情況，得出的結果也更加準確。

1.2 材料特性

現(xiàn)場采集的河床骨料和水泥其基本物理特性如表1所示，顆粒級配曲線分布范圍如圖1所示。

表1 骨料基本物理特性

項目物理特征比重GS粗骨料2.66,細骨料2.64有效粒徑D10/mm0.2～0.9不均勻系數(shù)Cu27.8～40曲率系數(shù)Cc0.189～0.54吸水量/%粗骨料2.81,細骨料3.73水泥比重3.15

1.3 試件制作

為了通過單軸抗壓實驗來掌握CSG材料的強度特性，實驗所用試塊成型方法如下：首先分別選取80 kg/m3，100 kg/m3，120 kg/m3的單位水泥量的CSG材料，通過擊實實驗得到最佳單位干燥含水量。以此含水量為基礎計算出CSG材料的飽和度、孔隙比和孔隙率，確定配合比并計算出制作試塊所需的各種材料用量。然后通過擊實實驗的打擊能量來確定直徑為15 cm，高度為30 cm試塊的壓實能量，從而可以計算出制作試件時的壓實次數(shù)和壓實層數(shù)。

試塊壓實后經(jīng)過24 h脫模，在常溫條件下分別養(yǎng)護3 d，7 d和28 d并進行抗壓實驗。實驗前將圓柱形試塊上下面用石膏抹平，以消除偏心受壓對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。單軸抗壓實驗使用的荷載加載速度是1 mm/min，在加載達到最大承壓值后繼續(xù)進行加載，這樣可以得到破壞后CSG材料強度變化情況。CSG材料并不像混凝土材料一樣發(fā)生脆性破壞，在破壞后其仍有一定強度。表2是本研究中試塊種類的歸納。

表2 試塊制作種類

2 實驗結果

通過單軸抗壓實驗得出的實驗數(shù)據(jù)，并研究了養(yǎng)護時間對CSG材料強度的影響，單位水泥量對CSG材料強度的影響，以及CSG材料彈性系數(shù)的影響因素。

2.1 養(yǎng)護時間對CSG材料強度的影響

表3是單軸抗壓實驗結果數(shù)據(jù)匯總表。圖2為養(yǎng)護時間對CSG材料強度的影響情況。由表3，圖2可以看出在單位水泥量相同的情況下，養(yǎng)護時間越長，CSG材料的單軸抗壓強度越大，且后期還有增長趨勢。

表3 單軸抗壓實驗結果 MPa

圖2每點右側的數(shù)據(jù)是各個養(yǎng)護時間相對于28 d的強度比，如圖2所示單位水泥量為80 kg/m3，養(yǎng)護時間為3 d的強度和28 d的強度之比為0.41。從總體上來看，7 d養(yǎng)護時間的單軸抗壓強度可以達到28 d的60%，這樣的強度增加規(guī)律比一般混凝土的強度增加規(guī)律小。作為參考，混凝土的7 d單軸抗壓強度可以達到28 d的70%。

2.2 單位水泥量對CSG材料強度的影響

CSG材料的單位水泥量與強度特性有密切的關系，一般來說隨著水泥量的增加，CSG材料的強度會隨之增加[5]，如圖3所示。但從經(jīng)濟角度上來看，為得到較大強度而不斷增加水泥用量十分不經(jīng)濟，故而算出滿足目標設計基準強度時的最佳水泥摻量顯得尤為重要。

在養(yǎng)護時間相同條件下，根據(jù)單軸抗壓實驗的結果可得出CSG材料的強度隨著水泥量的增加而增加，但是在不同養(yǎng)護時間當中，單位水泥量80 kg/m3～100 kg/m3的強度增加率比100 kg/m3～120 kg/m3的增加率更高。表4和表5是養(yǎng)護時間—單軸抗壓強度和單位水泥量—單軸抗壓強度的相關關系式。

表4 養(yǎng)護時間—單軸抗壓強度關系式

2.3 彈性模量

從以上實驗可以看出，單位水泥量是決定CSG材料強度的主要原因之一。在養(yǎng)護時間相同的情況下，水泥用量越多，CSG材料的彈性模量越高，這和普通混凝土的力學性能是同樣的，所以只有選用最佳單位水泥量才能使CSG材料達到最高強度。

圖4是在不同單位水泥量下養(yǎng)護時間和彈性模量的關系圖，如圖4所示養(yǎng)護時間越長彈性模量按比例增長，彈性模量與養(yǎng)護時間的相關關系式見表6，相關度為0.86～0.99，相關度較大。圖5為養(yǎng)護時間與彈性模量的關系圖，表7為單位水泥量與彈性模量的相關關系式，相關度為0.96～0.99。圖6為單位水泥用量和彈性模量的關系圖。

表6 養(yǎng)護時間—彈性模量相關關系式

養(yǎng)護時間—彈性模量R280kg/m3:ln(Y)=190.14×ln(X)+178.570.88100kg/m3:ln(Y)=164.52×ln(X)+89.340.99120kg/m3:ln(Y)=206.31×ln(X)-91.420.86[*(X)Range:3d～28d]

表7 單位水泥量—彈性模量相關關系式

3 結語

根據(jù)以上實驗結果和理論分析，CSG材料的強度和彈性模量性能總結如下：

1)CSG材料的單軸抗壓實驗是以統(tǒng)一的單位水泥量為基準，隨著養(yǎng)護時間或單位水泥量的增加，CSG材料的強度將會增加。但是相同單位水泥增量，CSG材料的強度增率卻不同。以上研究得出了單位水泥含量以及養(yǎng)護時間對CSG材料的抗壓強度影響的相關關系式。

2)單軸抗壓實驗結果顯示，當CSG材料破壞后不會馬上喪失強度，與混凝土不同，CSG材料在破壞后還會保留一定強度，并逐漸遞減為零。但是隨著養(yǎng)護時間和單位水泥量的增加，CSG材料破壞后喪失強度的速度逐漸加快。

3)根據(jù)以上單軸抗壓實驗結果顯示，CSG材料的單位水泥量和養(yǎng)護時間與彈性系數(shù)有密切關系，研究結果表明各要素相關度最小為0.86以上，相關關系式已在上文給出。

4)本研究最大養(yǎng)護時間為28 d、最大單位水泥含量為120 kg/m3、最大粒徑為80 mm，研究結果僅適用于以上條件，以后還會繼續(xù)做長齡期、大粒徑的CSG材料工程性質(zhì)的相關研究，為CSG材料在實際工程中的應用奠定基礎。

[1] J.M.Raphael.The Optimum Gravity Dam[J].Proceedings Roller Compacted Concrete Ⅲ，ASCE，San Diego，California，1992:5-19.

[2] P.Londe,M.Lino.The Faced Symmetrical CSG Dam:A New Concept for RCC[J].International Water Power & Dam Con struction，1992，44(2):19-24.

[3] Tadahiko，F(xiàn)ujisawa，Hideaki Kawasaki，et al.Study on Strength and Physical Properties of Cemented Materials for CSG Design[R].JAPAN:Hydraulic Research Engineering Group，Public Works esearch Institute，2002.

[4] 謝 洋，江 坤.CSG壩的應用前景研究[J].水利科技與經(jīng)濟，2014(2)：54-55.

[5] 楊首龍.CSG壩筑壩材料特性與抗荷載能力研究[J].土木工程學報，2007(2)：97-103.

Research on strength characteristics and modulus of elasticity of CSG material★

Li Minghao Quan Junhao Wang Sifang Hu Qinggang Jin Guangri*

(CollegeofEngineeringYanbianUniversity,Yanji133002,China)

This work aims at studing the stress-strain-strength behavior of an CSG(Cemented Sand and Gravel) materials.An analysis of the mechanical behavior of the CSG is performed from the interpretation of results by unconfined compression test in which the influence of both the degree of cementation and age.The experimental results show that the curing time of the maximum diameter is 80 mm,for 28 days,under the condition of uniaxial compressive strength as the curing time of CSG and linear increase unit cement amount,and unit cement quantity to the influence of the elastic modulus of CSG material related relation.

CSG material,unconfined compression strength,modulus of elasticity,curing time

1009-6825(2016)29-0091-03

2016-08-03★:吉林省教育廳“十三五”科學技術研究項目(項目編號：2016251)；延邊大學青年基金項目(項目編號：2015004)；延邊大學2016年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(項目編號：ydbksky2016200)

李明浩(1995- )，男，在讀本科生； 權俊豪(1996- )，男，在讀本科生； 王思方(1996- )，女，在讀本科生；

胡慶港(1997- )，男，在讀本科生

金光日(1980- )，男，博士，講師

TU521

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