不同類砂巖材料的配比優化方案及其強度試驗

赫榮富

(遼寧澤成水利工程檢測服務有限公司，遼寧 新民 110300)

相對模擬試驗由于其成本較低，指標控制效果較佳，近些年來成為類砂巖材料配比方案及強度試驗的主要方式。類砂巖由于和砂巖的材料特性及強度較為相近，且成本遠低于砂巖材料，在水利工程中得到廣泛應用，但是不同配比方案對類砂巖的特性影響較大，需要確定類砂巖的最優配比方案，從而獲得性能最佳的類砂巖材料。在配比方案中，對類砂巖材料特性及強度影響的要素較多且十分復雜，為此需要對各影響因素進行敏感性分析，從而確定影響的主導因素，提高配比方案的使用效果。極差敏感法在許多材料特性影響因素敏感性分析中得到應用，但是在類砂巖材料特性影響敏感因素分析中應用還較少，為此本文結合極差敏感法，采用相對模擬試驗，對類砂巖材料特性的主要敏感因素進行分析，并探討不同類砂巖材料的最優配比方案。研究成果對于水利工程建設中類砂巖材料配比具有重要的參考價值。

1 材料選定及配比方案設計

綜合國內外常用的類砂巖配比方案研究成果可看出，類砂巖主要選用水泥、石灰石、石膏、外用添加劑、重水晶石英進行原材料的配比。充分考慮各原材料的主要功能后，類砂巖配比中骨料主要選用1.45mm的篩子進行篩選，采用水泥進行強膠效果的強度分析。此外，考慮到類砂巖材料的導熱性能，將外加劑鐵粉的細度控制在25um之內。兩種類砂巖材料的主要物理學參數見表1。為實現類砂巖和砂巖特性相近，采用總量控制以及正交相對模擬試驗方式對各類砂巖進行配比方案的設計，各影響因素所占的配比方案及比例見表2—3。

表1 類砂巖的主要物理學參數表

表2 各類型類砂巖相似材料的正交試驗設定值

表3 相對模擬試驗方案的設計

2 試驗結果分析

2.1 各影響因素測試結果

對各類型砂巖材料不同試驗方案下的影響指標進行測定，試驗測定結果見表4。

采用相似試驗的方式，通過設定10種試驗方案，對各類型砂巖的主要4種特性指標進行分析，從試驗分析結果可看出，各試驗方案粗粒石英砂巖的飽和密度逐步增加，在2.032～2.162g/cm3之間變化；中粒紅砂巖的飽和密度要高于粗粒石英砂巖，其飽和密度在2.056～2.189g/cm3之間變化。兩種類砂巖各方案聲波波速變化較小，在1435～1994m/s之間變幅。導熱系數是類砂巖的主要表征特性參數，從各方案類砂巖的導熱系數可看出，其總體變幅較小，導熱系數受外界影響變化較小。單軸抗壓強度是類砂巖強度的重要特性參數，從表4中可看出，各方案類砂巖的單軸抗壓強度在15MPa以上，具有較強的抗壓強度。

2.2 各影響因素敏感性試驗分析結果

采用極差敏感法對類砂巖4種主要影響因素進行敏感性分析，不同類砂巖的影響敏感因素分析結果如圖1—2所示。

表4 不同類砂巖材料不同試驗方案下的影響指標試驗測定結果

圖1 粗粒石英砂巖不同影響因素敏感性直觀分析結果

圖2 中粒紅砂巖不同影響因素敏感性直觀分析結果

從圖1粗粒石英砂巖的飽和度敏感分析結果可看出，骨料與水泥的質量比(B)對飽和密度影響最為敏感，當骨料與水泥質量比增大5%，類砂巖的飽和密度降低16%。而水灰比(A)的影響程度最弱，敏感性最低，從圖2中粒紅砂巖的飽和密度敏感性分析結果中也可看出這一試驗規律。由飽和密度的敏感性分析排序可看出，骨料與水泥差的質量比(B)>鐵粉的摻入質量的百分比(C)>水灰比(A)。從兩種類砂巖聲波波速的敏感性分析結果可看出，對聲波波束影響最為敏感的因素為骨料與水泥的質量比，而隨著聲波波速的增加，其骨料與水泥的質量比逐步減少，骨料整體含量對于類砂巖的整體聲波穿透性能具有較好的調控作用。從導熱系數的敏感性分析結果可看出，外加劑如摻入鐵粉質量的增加將使得導熱系數影響度顯著增強。單軸抗壓強度是類砂巖強度的主要指標，從其敏感性分析結果可看出，骨料與水泥質量比以及水灰比對單軸抗壓強度影響程度均較大，對其抗壓強度而言，以上兩個因素配比的合理控制將使得其抗壓強度顯著增大，當骨料與水泥質量比增大5%，類砂巖單軸抗壓強度分別增加21%。

2.3 各類型砂巖最優配比方案的確定

結合飽和密度、聲波波速、導熱系數以及單軸抗壓強度分別作為因變量，將各配比方案作為自變量，建立兩種類砂巖的線性自回歸方程，見方程(1)和(2)，并通過綜合對比確定各類砂巖的最優配比方案，并對其材料特性及強度進行分析，結果見表5—6。

粗粒石英砂巖線性回歸方程為：

(1)

中粒紅砂巖線性回歸方程為：

(2)

表5 不同類砂巖最優配比方案

表6 原料砂巖與類砂巖材料參數對比結果

結合各試驗方案的4種類砂巖主要特征影響指標和對應的配比方案，建立各類砂巖的多元回歸方程。根據多元回歸方程可以對各配比方案的類砂巖進行相似試驗分析，綜合考慮各試驗材料的配比方案，確定不同類型下類砂巖的最優配比方案，骨料與水泥的質量比為0.51，滲入鐵粉的質量百分比達到6.5%時粗粒石英砂巖的配比方案為最優，而水灰比為0.52；骨料與水泥的質量比為0.48，滲入鐵粉的質量百分比達到7.2%時中粒紅砂巖的配比方案為最優。從相似材料的特征分析結果可看出，最優配比方案各類砂巖的特性材料和原料砂巖的特性較為接近，單軸抗壓強度均可達到25MPa以上，滿足最優抗壓需求。

3 試驗結論

(1)骨料含量對于類砂巖整體聲波波速穿透性能具有明顯調控性，在實際工程施工中應控制好骨料含量的配比，外加劑中鐵粉對于類砂巖的導熱性能影響顯著，其含量對于類砂巖材料熱學參數的配比影響較大。

(2)為達到和原料砂巖較為相近的特性指標，需要重點控制骨料與水泥以及水灰比2個配比的含量，鐵粉的摻入量對其強度提升影響不顯著。

(3)本文只探討了2種常用的類砂巖類型的最優配比方案，其他類砂巖最優配比還未進項相關探討，在以后的研究中還需要針對更多類砂巖的配比最優方案進行深入研究。