水泥摻量與骨料性質(zhì)對超貧混凝土力學(xué)特性影響

陳 婷

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院勘測總隊,新疆 昌吉 831100)

水泥摻量與骨料性質(zhì)對超貧混凝土力學(xué)特性影響

陳 婷

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院勘測總隊,新疆 昌吉 831100)

為分析水泥摻量、骨料最大粒徑和骨料形狀特性對超貧混凝土強(qiáng)度和模量的影響，對超貧混凝土開展了單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果表明：超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和模量與水泥摻量均呈線性關(guān)系，隨水泥摻量增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和模量均增大；隨骨料最大粒徑增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和模量均增大；骨料為角礫的超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與模量均大于骨料為圓礫的超貧混凝土。

超貧混凝土；水泥摻量；骨料最大粒徑；骨料形狀

超貧混凝土是指將開挖料直接與水和膠凝劑拌合而形成的具有較高強(qiáng)度的材料。超貧混凝土由于其強(qiáng)度高、材料獲取方便、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點，在筑壩、施工圍堰等工程中應(yīng)用廣泛。近年來大量的膠結(jié)砂礫石壩(CSG壩)相繼修建，CSG壩具有工程造價低且環(huán)保等特點，CSG壩的筑壩材料為一種典型的超貧混凝土。因此，對超貧混凝土力學(xué)特性進(jìn)行研究具有重要意義。

近年來，隨著超貧混凝土在實際工程中的應(yīng)用不斷廣泛，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量研究。唐新軍等[1]認(rèn)為超貧混凝土兼具粗粒料與混凝土兩種材料特性，其單軸抗壓強(qiáng)度與骨料級配、含水率、膠凝劑摻量以及壓實度等[2-6]因素有關(guān)，其中膠凝劑摻量和含石量是主要影響因素，此外，摻入粉煤灰后超貧混凝土能改善其結(jié)構(gòu)特性，在一定粉煤灰摻量范圍內(nèi)，隨粉煤灰摻量增大，超貧混凝土抗壓強(qiáng)度增大；Kuwano等[7]研究了高圍壓和超長養(yǎng)護(hù)齡期耦合作用對超貧混凝土力學(xué)特性的影響，試驗研究結(jié)果表明，超貧混凝土強(qiáng)度與變形特性指標(biāo)隨圍壓增大均增大，試樣剪脹性越強(qiáng)；Haeri等[8]研究了水泥摻量對超貧混凝土破壞模式的影響，水泥摻量較小時，超貧混凝土表現(xiàn)為剪縮特性，試驗主要為剪切破壞，水泥摻量超過一定水平時，超貧混凝土具有剪脹特性，試樣表現(xiàn)為鼓脹破壞。Hirose等[9-11]研究了超貧混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線特征，認(rèn)為超貧混凝土的強(qiáng)度發(fā)展可分為三個階段：第一階段隨應(yīng)變增長超貧混凝土偏應(yīng)力逐漸增大，其強(qiáng)度與變形呈線性關(guān)系，超貧混凝土表現(xiàn)為彈性特性，第一階段的終止點偏應(yīng)力稱為彈性極限強(qiáng)度；第二階段，隨應(yīng)變增長超貧混凝土偏應(yīng)力逐漸增大，其強(qiáng)度與變形呈非線性關(guān)系，這是由于超過超貧混凝土彈性階段，其產(chǎn)生了塑性變形，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的非線性特性，第二階段的終止點偏應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度；第三階段，隨應(yīng)變增長超貧混凝土偏應(yīng)力逐漸減小，這是由于超過超貧混凝土峰值強(qiáng)度，試樣結(jié)構(gòu)被破壞，第三階段的終止點偏應(yīng)力稱為殘余強(qiáng)度。

綜上所述，超貧混凝土作為一種新材料，國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量研究，并取得了許多成果，然而這些研究尚不夠完全，有許多地方尚未涉及，如骨架最大粒徑和形狀對超貧混凝土力學(xué)特性的影響研究有待進(jìn)一步研究補(bǔ)充。

本文根據(jù)對不同水泥摻量、不同骨料最大粒徑和不同骨料形狀超貧混凝土所進(jìn)行的單軸壓縮試驗，研究了水泥摻量，骨料最大粒徑以及骨料形狀對其強(qiáng)度和模量的影響。

1 試驗材料與程序

1.1 試驗材料

試驗所用角礫料為爆破料，圓礫料為天然鵝卵石，將試驗材料取回后篩分備用，骨料最大粒徑分別為20 mm、10 mm、5 mm和2 mm，不同最大粒徑骨料按相似級配法進(jìn)行配置，不同最大粒徑骨料級配如圖1所示。水泥采用PC32.5R，水泥3 d抗折強(qiáng)度大于3.5 MPa，抗壓強(qiáng)度大于16 MPa，試驗用水為蒸餾水。

圖1 級配曲線

1.2 試驗程序

試驗分為兩組，第一組為探討水泥摻量對超貧混凝土力學(xué)特性的影響，水泥摻量分別2%、3%、4%和5%，骨料最大粒徑為5 mm，骨料形狀有圓礫和角礫兩種；第二組為探討骨料最大粒徑對超貧混凝土力學(xué)特性的影響，骨料最大粒徑分別為20 mm、10 mm、5 mm和2 mm，骨料形狀有圓礫和角礫兩種。將水泥與骨料充分混勻后加入適量的水，水灰比為2∶1，攪拌均勻后分五層填筑于模具成型，模具尺寸為長×寬×高=200 mm×200 mm×100 mm，成型后24 h脫模，脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，將試樣取出進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗儀器為應(yīng)變控制式單軸壓縮儀，剪切速率為0.1 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥摻量影響

為分析水泥摻量對超貧混凝土強(qiáng)度與變形特性影響，對水泥摻量為2%、3%、4%和5%的超貧混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果如圖2和圖3所示，圖2為超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系曲線，圖3為超貧混凝土變形模量與水泥摻量關(guān)系曲線。

由圖2可知，隨水泥摻量增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與水泥摻量呈線性關(guān)系，這是由于水泥水化物能夠聯(lián)結(jié)骨料，形成強(qiáng)度較高的結(jié)石體，抵抗外部荷載，使得其單軸抗壓強(qiáng)度增大；不同水泥摻量下，骨料為角礫的超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度大于骨料為圓礫的超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，這是由于角礫具有大量棱角，能增大顆粒間咬合作用，此外，相比于圓礫，水泥水化物與角礫聯(lián)結(jié)更容易，更容易形成強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)。

由圖3可知，隨水泥摻量增大，超貧混凝土變形模量逐漸增大，這是由于水泥摻量越高，水泥與骨架形成的結(jié)石體越穩(wěn)定，其抵抗變形能力越強(qiáng)，變形模量越高；不同水泥摻量下，骨料為角礫超貧混凝土變形模量大于骨料為圓礫超貧混凝土變形模量，這是由于，角礫間咬合更緊密，其在外部荷載作用下抵抗變形能力越強(qiáng)，變形模量越大。

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系曲線

圖3 變形模量與水泥摻量關(guān)系曲線

2.2 骨料最大粒徑影響

為分析骨料最大粒徑對超貧混凝土強(qiáng)度與變形特性影響，對骨料最大粒徑為20 mm、10 mm、5 mm和2 mm的超貧混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果如圖4和圖5所示，圖4為超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與骨料最大粒徑關(guān)系曲線，圖5為超貧混凝土變形模量與骨料最大粒徑關(guān)系曲線。

由圖4可知，骨料在2～20 mm之間時，隨骨料最大粒徑增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這是由于骨架最大粒徑增大，骨料比表面積減小，試樣膠結(jié)作用增強(qiáng)，試樣單軸抗壓強(qiáng)度越高；骨料粒徑相同時，骨料為角礫超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度大于骨料為圓礫超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度。

由圖5可知，隨骨料最大粒徑增大，超貧混凝土變形模量逐漸增大，這是由于，骨架粒徑越大，顆粒間骨架作用越明顯，超貧混凝土越不容易發(fā)生變形，其變形模量越大；骨料粒徑相同時，骨料為角礫超貧混凝土變形模量大于骨料為圓礫超貧混凝土變形模量。

圖4 單軸抗壓強(qiáng)度與骨料最大粒徑關(guān)系曲線

圖5 變形模量與骨料最大粒徑關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

針對不同水泥摻量、不同骨料最大粒徑和不同骨料形態(tài)超貧混凝土開展單軸壓縮試驗，分析了水泥摻量、骨料最大粒徑和骨料形態(tài)對超貧混凝土強(qiáng)度和變形模量的影響，主要結(jié)論如下：

(1)隨水泥摻量增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量均增大，且超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與水泥摻量呈線性關(guān)系。

(2)骨料最大粒徑對超貧混凝土力學(xué)特性有影響，骨料在2～20 mm之間時，隨骨料最大粒徑增大，超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量均增大。

(3)骨料形狀對超貧混凝土力學(xué)特性有影響，骨料為圓礫超貧混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量均小于骨料為角礫超貧混凝土。

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陳 婷(1986-)，女，新疆沙灣人，工程師，研究方向為巖土工程、混凝土工程。E-mail:137477424@qq.com。

TU528

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：2096-0506(2017)08-0056-03