相似級配骨料和單位水泥含量對CSG材料抗凍性能影響★

徐 濤 金光日

(延邊大學工學院結構工程學科，吉林 延吉 133002)

CSG(Cement Sand and Gravel，膠凝砂礫石，簡稱CSG)材料為一種新型的環保壩體材料。CSG材料中水泥含量比普通混凝土中水泥含量要少很多，砂礫的取材一般是使用工程中廢棄的殘渣、砂礫石混合料以及河床砂礫，因此具有成本低、污染小和效率高等特點[1]，同時CSG壩體比土石壩體具有更加適應軟弱地基能力[2]。經過近十年的工程實踐發現，CSG壩體結構安全可靠，施工技術簡單容易。目前CSG筑壩技術在希臘、日本和土耳其都有所應用[3-5]，日本在1994年和1999年又分別修建了Tyubetsu水壩圍堰、Kubusugawa水壩圍堰工程和Nagashima水壩攔砂壩。2004年，我國首次采用CSG壩體技術在貴州省松道塘建筑水庫上游過水圍堰，在2014年，中國第一座永久性CSG建筑物——守口堡大壩在山西省開工建設[6-8]。

本文采用相似級配的方法對原級配骨料進行縮尺，使用最大粒徑小于80 mm的骨料進行凍融循環試驗，通過設置單位水泥含量和相似級配兩個變量進行試驗，分析比較CSG材料的單位水泥含量和最大粒徑對于CSG材料耐久性能以及強度變化。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

CSG材料取自粒徑小于80 mm的天然砂礫作為試件骨料，其中砂礫骨料及試驗水泥物理特性如表1所示；其試驗所用的水泥為普通水泥成分如表2所示。

表1 骨料和水泥物理特性

表2 普通水泥化學成分

圖1是實驗所用顆粒相似級配曲線圖，其中卵石占全部骨料2%，礫石占全部骨料的35%，砂占全部骨料的56%，其余的全部為細粒。室內測得每組材料的最大干密度在2.11 g/cm3～2.19 g/cm3之間，最佳含水量在6.2%～8.0%之間，各組之間變化不大。試件最大干密度以及最優含水量如表3所示。

表3 最大干密度與最優含水率

1.2 試件制作

根據表3數據結果計算每個試件所需要的顆粒含量。CSG材料是一種介于混凝土和土石料的材料，因此，參照《水工混凝土實驗規程》和《公路土工實驗規程》進行制作試件，試件尺寸為φ100 mm×H200 mm的圓柱體試件，如圖2所示。

1.3 試驗方法及裝備

本試驗通過室內試驗對CSG材料的抗凍性進行研究，試驗方法采用的是SL 352—2006水工混凝土試驗規程中的凍融試驗方法中水中凍融。

相對動彈性模量計算公式為：

(1)

其中，Pn為凍融循環n次后試件相對動彈性模量；fn為試件凍融循環n次后的自振頻率，Hz；f0為試件凍融循環前的自振頻率，Hz。

試驗采用 KDR型快速凍融試驗機，試件表面水層厚度為3 mm，凍結溫度范圍在6 ℃～17.8 ℃ ，融化溫度在-17. 8 ℃～6 ℃，極限溫度允差為±1. 7 ℃。凍結融化的溫度變化范圍以試件中心溫度為準，凍融周期時間在2 h～4 h之間，融化時間不小于凍融時間的25%。動彈性模量測定儀采用是DT—W18動彈性模量測定儀，頻率測量范圍在100 Hz～20 000 Hz，測量誤差小于2%，頻率靈敏度為1 Hz。

2 實驗結果

2.1 相對動彈性模量

由式(1)可知，通過自振頻率計算出相對動彈性模量，數據結果分析整理，如圖3所示。

試件相對動彈性模量達到60%時認為試件破壞。圖3數據顯示單位水泥含量為100 kg/m3，材料承受凍融循環次數最多。在單位水泥含量為100 kg/m3時，最大粒徑為20 mm的試件在第3次～4次凍融循環期間達到破壞，最大粒徑為40 mm的試件在第3次～4次凍融循環期間破壞，最大粒徑為80 mm的試件在第4次～5次凍融循環期間破壞。同時數據顯示，CSG材料在6次之內均達到破壞。凍融循環的過程中，試件內部毛細水凍結將會產生體積膨脹，毛細水體積膨脹會在材料內部產生拉應力，從而會在試件內部產生裂縫，導致試件的抗凍性能下降。CSG材料中隨著水泥含量的增加，水泥凝膠的存在，可以增加骨料與骨料之間的粘結力，抑制裂縫的發展，提高CSG材料抗凍性。

如圖4所示，當骨料最大粒徑為80 mm時，材料承受凍融循環次數最多。在最大粒徑為80 mm的情況下，單位水泥含量為40 kg/m3的試件在3次～4次凍融循環期間破壞，單位水泥含量為60 kg/m3的試件在2次～3次凍融循環期間破壞,在單位水泥含量為80 kg/m3的試件在3次～4次凍融循環期間破壞,在單位水泥含量為100 kg/m3的試件在4次～5次凍融循環期間破壞。試驗表明CSG材料在最大粒徑為80 mm時，材料的抗凍性顯示為最好。砂礫石為CSG材料的主要成分，骨料最大粒徑為80 mm時，材料密實度最高，并且粒徑越大材料的含水率越小，因此毛細水凍結時產生的體積效應較小，從而抗凍性能較好。

2.2 質量損失率

根據數據結果，以相對動彈性模量達到60%時的質量損失率作為分析，得到圖5所示數據結果。

由圖5a)可以看出，隨著單位水泥含量的增加，質量損失率逐漸降低。由圖5b)可以看出，最大粒徑為40 mm的試件質量損失率最少。最大粒徑為40 mm時，水泥與試件內粗骨料表面接觸比較充分，試件內部骨料間的粘結力比較大，因此，凍融循環過程中試件質量損失較少。

2.3 抗凍耐久性指數

對于混凝土和其他類型材料可以用耐久性指數DF作為其抗凍性能指標，計算公式如下：

(2)

其中，N為材料相對動彈性模量達到60%時循環次數；P為材料N次凍融循環結束時相對動彈性模量；M為材料凍融循環結束時的凍融循環次數。

表4 抗凍耐久性指數及評價

表4為抗凍耐久性指數及評價，根據圖6a)可以看出，隨著單位水泥含量增加，耐久性指數增加，當單位水泥含量大于80%，材料耐久性指數大于40%；根據圖6b)數據可知，在單位水泥含量相同的情況下，最大粒徑為80 mm試件耐久性指數能達到40%。根據表4可以得出，CSG材料在單位水泥含量在80%以上的情況下，耐久性能為中等。

3 結語

1)當CSG材料的相對動彈性模量降到60%時，3組相似級配中最大粒徑為80 mm試件的抗凍性顯示最好，單位水泥含量越高，材料的相對動彈性模量降到60%時對應凍融循環次數越大。

2)凍融循環實驗結束后發現，單位水泥含量越高，質量損失越少；3組相似級配中，最大粒徑為40 mm組材料質量損失最少。

3)凍融循環前后，單位水泥含量越高，耐久性指數越好，水泥含量在80 kg/m3以上耐久性指數為中等，水泥含量在80 kg/m3以下耐久性指數為較差，三組相似級配骨料中只有最大粒徑為80 mm 試件耐久性能指數達到中等等級，最大粒徑為20 mm和40 mm的耐久性能指數較差。

4)綜合分析得出，在符合本文試驗條件下，CSG材料的最大粒徑選取80 mm，單位水泥含量使用量在80 kg/m3～100 kg/m3之間，此時，CSG材料的抗凍性得到保證。