膠凝砂礫石研究綜述

黃曉琦

沈陽建筑大學(xué) 遼寧 沈陽 110000

膠凝砂礫石材料綜合特性會受到材料用量、含砂率、水膠比、骨料級配、圍壓等諸多因素的影響。而要想真正了解膠凝砂礫石材料的性質(zhì)，我們首先就要研究其力學(xué)特性，通過系統(tǒng)的實(shí)驗，精確的數(shù)據(jù)來分析和探討膠凝砂礫石的力學(xué)特性。

1 膠凝砂礫石材料力學(xué)特性

膠凝砂礫石是介于碾壓型混凝土與堆石材料之間的一種新型膠凝材料，膠凝砂礫石的力學(xué)特性是壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，目前對于膠凝砂礫石的研究，多數(shù)是先選取合適的實(shí)驗試件，然后通過反復(fù)的室內(nèi)實(shí)驗來完成的。為了研究膠凝砂礫石的力學(xué)特性，國內(nèi)外的建筑材料研究人員對其進(jìn)行了很多單軸、三軸實(shí)驗。但是，由于膠凝砂礫石材料的特性會受到許多因素的影響，單從一個或幾個方面來進(jìn)行研究和實(shí)驗，研究結(jié)果往往會缺少系統(tǒng)性和相關(guān)性。而只有通過全面、系統(tǒng)的試驗，將影響膠凝砂礫石材料的各種因素都考慮在內(nèi)，才能全面了解并掌握膠凝砂礫石材料的力學(xué)特性及強(qiáng)度變化規(guī)律。

1.1 膠凝砂礫石材料強(qiáng)度的研究

在對膠凝砂礫石強(qiáng)度進(jìn)行全面研究的過程中，在考慮各種影響因素的情況下，通過全面、系統(tǒng)的拉、壓實(shí)驗及三軸剪切實(shí)驗，才能真正了解膠凝砂礫石材料的力學(xué)特性，并掌握其強(qiáng)度的變化規(guī)律。膠凝砂礫石材料的抗拉、壓及三軸剪切等強(qiáng)度會受到膠凝材料的含砂率、水泥含量、水膠比、粉煤灰含量、級配及試件尺寸等諸多因素的影響。例如，根據(jù)實(shí)驗結(jié)果可知：膠凝砂礫石的含砂率在百分之二十左右時其實(shí)驗試件的抗壓強(qiáng)度最高，水泥用量和抗壓強(qiáng)度是正比關(guān)系。此外，采取單一變量法來進(jìn)行實(shí)驗和分析，均可得到其他各因素對膠凝砂礫石強(qiáng)度的影響關(guān)系。

1.2 不同強(qiáng)度之間的關(guān)系

在膠凝砂礫石材料的抗壓實(shí)驗基礎(chǔ)上，再進(jìn)行試件同配合比的軸心抗壓試驗、彎曲強(qiáng)度試驗、三軸剪切試驗以及劈裂抗拉試驗等實(shí)驗。進(jìn)一步來研究配合比對膠凝砂礫石材料強(qiáng)度的影響。通過大量的實(shí)驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出：膠凝砂礫石材料各強(qiáng)度指標(biāo)均隨著立方體抗壓強(qiáng)度的增大而增大，并且呈現(xiàn)正相關(guān)性。

1.3 力學(xué)指標(biāo)體系的建立

另外，再通過大量的單軸及三軸實(shí)驗，來獲得：膠凝砂礫石材料的抗拉、抗壓、抗剪等強(qiáng)度指標(biāo)，以及抗壓彈性模量、抗彎彈性模量、泊松比等參數(shù)，然后來綜合確定抗拉、抗壓、抗剪等強(qiáng)度指標(biāo)之間的相互關(guān)系，并以此建立系統(tǒng)的膠凝砂礫石材料力學(xué)指標(biāo)體系[1]。

2 膠凝砂礫石的壩型研究以及壩數(shù)值分析

膠凝砂礫石是介于碾壓混凝土和堆石料之間的膠凝材料。我國國內(nèi)主要采用混凝土法和土工法來研究膠凝砂礫石材料的本構(gòu)關(guān)系。混凝土法是將膠凝砂礫石材料視為改性的混凝土材料，采用線彈本構(gòu)關(guān)系，按材料力學(xué)法計算壩體邊緣應(yīng)力，利用單軸拉壓試驗所得的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行應(yīng)力控制；而土工法則視膠凝砂礫石材料為改性土石料，它是采用非線彈本構(gòu)關(guān)系來進(jìn)行分析的。

大量實(shí)驗結(jié)果表明：膠凝砂礫石的應(yīng)變曲線大體可以分為直線上升段、曲線上升段及曲線下降段。目前，多數(shù)的本構(gòu)模型將研究重點(diǎn)放在了模擬材料應(yīng)力應(yīng)變的非線性及軟化特征方面，而實(shí)驗本身缺乏模型試驗，導(dǎo)致其結(jié)果缺乏實(shí)際的工程驗證。因此，目前的膠凝砂礫石材料應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)模型還有待進(jìn)一步完善。

2.1 膠凝砂礫石材料本構(gòu)模型的研究

在進(jìn)行膠凝砂礫石材料本構(gòu)模型的研究時，應(yīng)結(jié)合膠凝砂礫石材料的應(yīng)變特點(diǎn)，建立多種本構(gòu)模型，來進(jìn)一步分析各種模型的適用性。再通過不同本構(gòu)模型的對比，選擇適合膠凝砂礫石材料性能的本構(gòu)模型來進(jìn)行應(yīng)力、位移的計算。最后，通過大量的計算分析，擬定合理的膠凝砂礫石壩剖面形式，研究膠凝砂礫石壩上、下游邊坡確定的理論依據(jù)和計算方法。

2.2 壩體剖面設(shè)計

目前國內(nèi)外已經(jīng)建成的膠凝砂礫石壩一般多采用對稱梯形斷面，壩體剖面形式介于重力壩和土石壩之間，其坡比一般在十左右。膠凝砂礫石壩剖面設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)是：既要滿足整體穩(wěn)定及應(yīng)力要求，又要滿足邊坡設(shè)計的穩(wěn)定要求。依據(jù)重力壩的設(shè)計理論和材料力學(xué)法的要求，以壩體不出現(xiàn)拉、壓應(yīng)力、滿足材料抗壓要求及整體穩(wěn)定要求為控制條件，得到重力壩、膠凝砂礫石壩和土石壩剖面相互變化的規(guī)律。而采用對稱梯形斷面的原因是：壩體不會產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力，使壩體整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求[2]。

3 溫度變化及凍融影響對膠凝砂礫石耐久性的影響

膠凝砂礫石壩的使用壽命主要是由膠凝砂礫石材料的耐久性決定的。目前建筑材料領(lǐng)域中的混凝土技術(shù)研究相對比較成熟，其耐久性也得到了大大提高。而跟傳統(tǒng)的混凝土材料不同，膠凝砂礫石是一種低膠結(jié)的材料，其本身性質(zhì)就比較特殊。因此，要想研究并提高膠凝砂礫石的耐久性，就必須對膠凝砂礫石材料的耐久性進(jìn)行專項研究。國內(nèi)建筑材料領(lǐng)域研究水平比較突出的學(xué)校和單位，都對膠凝砂礫石材料的滲透溶蝕、抗?jié)B進(jìn)行了深入研究，此外，還對膠凝砂礫石材料的抗凍性進(jìn)行專門探索。

要想深入研究膠凝砂礫石材料在溫度變化及凍融影響下的耐久性，并掌握其變化規(guī)律，就必須經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治觥⑾到y(tǒng)的試驗過程、精確的數(shù)據(jù)計算。要采用先進(jìn)的混凝土快速凍融試驗設(shè)備，反復(fù)進(jìn)行抗凍性能測試，選取合適的測試方法，確定耐久性指標(biāo)來綜合探討提高膠凝砂礫石抗凍耐久性的途徑和方法。

4 結(jié)束語

膠凝砂礫石是一種新型的膠凝材料，它本身就具備經(jīng)濟(jì)、安全、低碳、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此，膠凝砂礫石材料在未來具有巨大的開發(fā)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。而隨著膠凝砂礫石材料研究的深入和應(yīng)用的推廣，膠凝砂礫石壩也會逐漸取代傳統(tǒng)混凝土石壩，其在水利建設(shè)過程中的應(yīng)用也前景廣闊。但是，目前我們對膠凝砂礫石的了解和探究仍處在初級階段，我們應(yīng)該投入更多的科研精力，以此來促進(jìn)膠凝砂礫石材料和膠凝砂礫石壩型的發(fā)展。