富膠凝砂礫石材料抗壓及抗凍性能研究

閆 林， 何建新， 楊海華

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

膠凝砂礫石壩是我國發展較為緩慢的一種新壩型，其各項性能及施工工藝介于混凝土壩和土石壩之間[1-2]。盡管膠凝砂礫石壩具有施工便捷、工藝簡單、造價低廉、環境友好及安全可靠等特點[3-5]，但在實際永久性水利工程中卻極少使用，使得該壩型難以發揮其應有的價值。一是天然砂礫石料級配離散性過大，易造成膠凝砂礫石材料力學性能不穩定；二是膠凝砂礫石壩發展歷程短，相關配套的施工工藝不夠成熟，缺乏可靠的理論支撐[6]；三是對于膠凝砂礫石壩相適宜的保護層材料研究不夠完善和系統化。以上諸多基礎因素制約了該壩型的發展，因此，完善膠凝砂礫石壩基礎理論對該壩型的應用具有重要價值及意義。

當前，相關學者對膠凝砂礫石材料的各項力學性能、耐久性能及施工工藝等已做了大量研究，并得出很多重要成果。然而對于膠凝砂礫石壩型相適應的保護層材料卻鮮有涉及，常態混凝土、堆石混凝土、變態碾壓混凝土、變態膠凝砂礫石等都可作為膠凝砂礫石壩的保護層材料，但需增加相應的施工設備及工序工藝，壩面易出現交叉作業施工，影響施工進度和成本控制。馮煒等[7]提出富膠凝砂礫石材料(簡稱CSGR)作為膠凝砂礫石壩的保護層結構，并對CSGR材料各項性能做了初步研究，該材料在膠凝砂礫石填筑過程中與壩體同步施工，且不必增加額外的拌合系統和施工工序，大大簡化了施工工藝。此外，國內外對該材料力學性能和耐久性能的深入探究較少。

為此，本研究針對CSGR材料設計正交試驗，通過投影尋蹤回歸分析法(簡稱PPR)進一步探究膠凝材料用量、水灰比及細料含量3個因素對CSGR材料抗壓及抗凍性能的影響規律，為改善膠凝砂礫石壩施工工藝，質量安全和造價經濟提供理論及技術支撐。

2 試驗原材料及試驗設計

2.1 試驗原材料

砂礫石料為新疆某膠凝砂礫石壩河床天然砂礫石料，其中5～80 mm粒徑的天然砂礫石料中的含泥量為1.7%，砂礫石料級配組成見表1，小于5 mm粒徑的天然砂礫石料(細料)含泥量為5.1%，細料級配組成見表2，水泥采用新疆蒙鑫P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用準東東方希望電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，減水劑為新疆格輝牌萘系FDN高效型減水劑，引氣劑為新疆格輝牌GH-AE型引氣劑，水為城市普通自來水。

表1 大于5 mm的粒徑級配組成 %

表2 小于5 mm的粒徑級配組成 %

2.2 配合比正交試驗

正交試驗方法參照《膠結顆粒料筑壩技術導則》、《水工混凝土試驗規程》及已有工作經驗進行設計[8-9]，選用三因素三水平L9(33)正交試驗表，正交設計方案見表3，其中膠凝材料為水泥和粉煤灰(水泥∶ 粉煤灰為7∶ 3)，減水劑用量為0.8%，引氣劑用量根據實測含氣量進行調整，控制含氣量為5.0%～7.0%之間。

2.3 試件成型及養護

CSGR材料抗壓、抗凍試件成型均采用濕篩法，在加入膠凝材料和水充分攪拌均勻后，抗壓試件為剔除大于40 mm粒徑后的拌合物，分3層裝入標準鋼試模(15.0 cm×15.0 cm×15.0 cm)中置于振動臺振實；抗凍試件為剔除30mm以上粒徑的拌合物，亦分3層裝入PVC抗凍標準試模(10.0 cm×10.0 cm×40.0 cm)中置于振動臺振實。成型試件用棉布覆蓋2 d后脫模，置于恒溫恒濕養護箱養護28 d。

表3 正交設計方案

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

CSGR材料抗壓強度和抗凍性能試驗每組配合比下各成型3個試件，將3個試件抗壓強度或抗凍性能的均值作為試驗結果，采用混凝土抗剪抗壓試驗機測定CSGR材料抗壓強度，將加載速度控制為8.0～10.0 kN/s，直至試件破壞，抗壓試件28 d強度的試驗平均值見表4。采用TDRF-2型號混凝土快速凍融循環機進行抗凍循環試驗，試件內部循環溫度設置為-18℃±2℃和5℃±2℃；選用DT-15型動彈儀測定動態彈性模量，每25個循環周期測定一次質量損失量和動態彈性模量。直到試件的質量損失率達到5.0%，亦或相對動態彈性模量降低到初始值的60.0%時停止試驗(判定試件已破壞)，抗凍試件28 d抗凍性能的試驗平均值見表5。

表5 抗壓及抗凍正交試驗結果

3.2 投影尋蹤回歸分析

本研究采用投影錄蹤(PPR)分析法研究膠凝材料用量、水灰比和細料含量對CSGR材料的抗壓強度和抗凍性能的影響。PPR分析法是建立在投影尋蹤技術上的一種數值回歸分析方法[10]，該方法的基本原理是進行無假定非參數建模，將高維的數據向低維子空間投影，再通過極小化投影指標來尋找高維數據的特征投影，以此為線索研究高維數據[11]。由于PPR分析法是通過 “自主學習”數據結構規律，無需人為假定所建模型的種類，因此可以最大限度突破模型自身的局限性，規避建模假定和參數的不合理限制，從而使回歸方程的精確度提高[12-13]。分別對表5中9組CSGR材料抗壓強度和抗凍循環數據進行PPR分析，所建模型中光滑系數(反映投影靈敏度的指標)SPAN取為0.5，投影方向初始值M取為5，最終投影方向值MU取為3，其余模型參數N，P，Q，分別為9,3,1。

PPR分析法所建模型的公式形式相同，不同的是模型參數α和β，PPR模型為：

(1)

式中：M是數值函數的最佳數目；βi是數值函數的影響權系數；fi是數值函數；αijxj是i方向的投影值，其中αij=(αi1，αi2，…，αip)，i=1，2，…M，j=1，2，…，p。

對于CSGR材料抗壓強度：

β=[1.3432 0.6780 0.4016]

對于CSGR材料抗凍性能：

β=[ 0.9815 0.3650 0.2122]

通過PPR分析得出仿真值和誤差分析見表6。由表6中數據可以看出，CSGR抗壓強度和抗凍性能的實際值與仿真值擬合結果吻合較好，9組抗壓強度及抗凍性能試驗合格率都達到了100%，相對誤差均不超過5%，抗壓強度最大相對誤差為-3.85%，抗凍性能最大相對誤差為4%。對于抗壓強度，其自變量的相對權重分別為：膠凝材料用量1.00、水灰比0.827、細料含量0.660；對于抗凍性能，其自變量的相對權重分別為：膠凝材料用量1.00、水灰比0.885、細料含量0.485。由此可以看出，無論是抗壓強度還是抗凍性能，對于CSGR材料影響程度都是膠凝材料用量最大，水灰比次之，細料含量最小。

4 投影尋蹤仿真單因素分析

PPR仿真單因素分析是在投影尋蹤回歸的基礎上對各項影響因素進行單因素分析，將一個影響因素作為考察指標時，其余影響因素取中位數進行仿真計算，結合表6模型分析結果，試驗采用PPR仿真單因素分析法進一步研究不同水平下各影響因素對CSGR材料的抗壓強度和抗凍性能的影響規律。為了便于繪圖，每組水平值下增加兩個仿真變量，分析結果見表7。

4.1 膠凝材料用量的影響規律

根據PPR仿真單因素分析結果表7，繪制出CSGR材料抗壓及抗凍性能隨膠凝材料用量的變化規律曲線，見圖1。由圖1可知，CSGR材料抗壓強度和抗凍性能都是隨著膠凝材料用量的增加而增大，但兩者曲線關系所呈現的規律趨勢有所不同。抗壓強度隨膠凝材料用量的增加，先快速增大隨后增幅逐漸平緩；相反，抗凍性能增幅先平緩后快速增大。此規律可通過膠漿包裹裕度理論[14-15]進行解釋，膠漿包裹裕度公式為：

(2)

式中：α為膠漿體積與細料空隙體積比，即膠漿裕度；W為用水量,kg；C為水泥用量,kg；F為摻合料用量,kg；S為細料用量,kg；ρ為密度,g/cm3；Vs為細料空隙率,%；ωs為細料密實容重,kg/m3。

對于抗壓強度，當CSGR材料中細料含量與水灰比不變時，系數α隨著膠凝材料用量增加而增大，即細料膠結界面強度隨膠凝材料用量的增加而增大。但隨著膠凝材料逐漸將細料空隙填充，材料密實度增大，抗壓強度增幅逐漸減小。對于抗凍性能，在漿體未將細料空隙充分填充前，材料內部存在空隙和毛細孔，抗凍性能增幅平緩，當膠凝材料用量大于250 kg/m3時，曲線斜率驟然變大，抗凍性能明顯增強，此時說明膠漿已將細料基本裹附，其內部空隙基本填充，隨膠凝材料用量增加，一部分膠凝材料起膠結作用，另一部分則起到填充砂礫石料空隙作用，使得抗凍性能提高。

表6 投影尋蹤回歸模型分析結果

表7 投影尋蹤仿真單因素分析結果

圖1 膠凝材料用量與CSGR抗壓強度、抗凍性能關系

此外，隨著膠凝材料用量增加，其水化產物隨之增多，并將材料內部毛細通道阻塞，加速毛細孔閉合，抗凍性能進一步提升[16]，這種提升不是無限制增大，最終抗凍性能會隨膠凝材料用量增加逐漸趨于穩定。

4.2 水灰比的影響規律

水灰比對CSGR材料抗壓及抗凍性能的影響與其對混凝土的影響規律十分相似，水灰比的大小不僅決定著CSGR材料的工作性質及施工工藝，并且對其力學性能起著重要影響。圖2為水灰比與CSGR材料抗壓強度及抗凍性能的關系。

由圖2可以看出，材料抗壓及抗凍性能隨著水灰比增大而增強，在水灰比大于0.45時出現峰值后下降。抗壓強度這一規律表明，隨著水灰比的增加，CSGR材料工作性質由低流態塑性向流動態轉變，拌合物流動性增加，振實密度增大，材料空隙率減小，使得抗壓強度增大；當水灰比大于0.45時，用水量過多，振動密實時易產生泌水，形成毛細通道，降低抗壓強度。對于抗凍性能，當水灰比小于0.45時，變化規律及內在機理與抗壓性能相似；當水灰比大于0.45時，毛細孔增多，其內部孔隙率和水分擴散率會隨之增大，同時在材料硬化以后，水分易進入內部，在凍融循環過程中更易發生凍融侵蝕，從而加劇劣化[17-18]。

圖2 水灰比與CSGR材料抗壓強度、抗凍性能關系

4.3 細料含量的影響規律

細料含量對工作性質屬于低流態塑性的CSGR材料的密實度起著重要影響，適宜的細料含量對填充大粒徑砂礫石料骨架空隙，降低空隙率，提高力學性能是較為有利的。圖3為細料含量與CSGR材料抗壓強度及抗凍性能的關系。由圖3可知CSGR材料抗壓及抗凍性能隨細料含量的增大而增大，在細料含量大于27.5%時增幅趨于平緩。根據細料砂漿包裹裕度公式：

(3)

式中：β為細料砂漿體積與砂礫石料空隙體積比，即細料砂漿裕度；Va為含氣量,%；G為礫石料用量,

kg；ρg為礫石料表觀密度,g/cm3；Vg為礫石料空隙率,%；ωg為礫石料密實容重,kg/m3。

當礫石料用量一定時，其礫石料空隙率、密實容重和礫石料表觀密度不變，隨著細料含量的增加，礫石料空隙率下降，材料密實度增大，系數β增大，即抗壓強度隨著細料含量增加逐漸將礫石料空隙填充而增大，在細料含量大于27.5%時，礫石料內部空隙已基本被填充，抗壓強度隨細料含量增加增幅趨于平緩。

細料含量對CSGR材料抗凍性能與抗壓強度的影響規律相似，隨著細料含量增加，空隙率下降，有利于發揮引氣劑均勻分散微細氣泡、減少毛細孔的作用，使得抗凍性能提高。由于用水量一定，隨著細料含量的進一步增加，比表面積增大，漿體裹附率下降，CSGR材料抗壓強度與抗凍性能逐漸降低。

圖3 細料含量與CSGR材料抗壓強度、抗凍性能關系

5 結 論

本研究通過配合比試驗設計，探究膠凝材料用量、水灰比及細料含量對CSGR材料抗壓和抗凍性能的影響，結合PPR分析法和PPR單因素仿真分析法對試驗結果進行分析，得出如下結論：

(1)投影尋蹤回歸分析表明其各項影響因素對CSGR材料抗壓強度和抗凍性能指標的影響程度為膠凝材料用量最大，水灰比次之，細料含量最小。

(2)CSGR材料抗壓強度和抗凍性能都是隨著膠凝材料用量的增加而增大，但兩者曲線關系所呈現的規律趨勢有所不同。抗壓強度隨膠凝材料用量的增加，先快速增大隨后增幅逐漸平緩；相反，抗凍性能先平緩增大，當膠凝材料用量大于250 kg/m3時快速增大。

(3)CSGR材料抗壓及抗凍性能隨著水灰比增大而增強，在水灰比大于0.45時出現峰值后下降。

(4)細料含量對CSGR材料抗壓強度與抗凍性能的影響規律相似，隨細料含量的增大CSGR材料抗壓及抗凍性能都隨之增大，且在細料含量大于27.5%時增幅趨于平緩。