富漿膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

劉 鈺 鑫，李 洪 濤,2，高 尚，姚 強(qiáng),2

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065； 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610065)

膠凝砂礫石壩作為一種新型材料壩[1-2]，因具有：① 骨料來源廣泛，質(zhì)量要求低；② 水泥用量少，水化熱低，可不采取溫控措施；③ 由于水泥的膠凝作用，壩體具備一定的強(qiáng)度和抗侵蝕能力，便于施工導(dǎo)流；④ 壩體施工工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高，施工速度快；⑤ 相比于碾壓混凝土壩，具有更強(qiáng)的變形特征；⑥ 壩體應(yīng)力分布均勻，具有較好的地基適應(yīng)性等特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)得到了迅速推廣和普及[3]。

富漿膠凝砂礫石是將少量膠凝材料和來自工程現(xiàn)場(chǎng)的砂礫石料經(jīng)過拌和、攤鋪、振動(dòng)碾壓后形成的具備一定強(qiáng)度和抗剪性能的材料[4]，其工作性是流態(tài)塑性，按其生產(chǎn)工藝可分為常態(tài)拌和膠凝砂礫石和加漿拌和膠凝砂礫石兩種。其中，與普通壩體膠凝砂礫石相比，常態(tài)拌和膠凝砂礫石的膠凝材料用量更高；而加漿拌和膠凝砂礫石是在初次拌和得到的干硬性富漿膠凝砂礫石的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加漿拌和形成的一種流態(tài)塑性膠凝砂礫石。膠凝砂礫石的兩種不同生產(chǎn)工藝也直接影響了其配合比差異，因此需要針對(duì)兩種膠凝砂礫石進(jìn)行具體試驗(yàn)研究。

本文結(jié)合四川省順江堰引水樞紐工程，基于“鉆石帶理論”，提出了富漿膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，針對(duì)常態(tài)拌和膠凝砂礫石和加漿拌和膠凝砂礫石，設(shè)計(jì)試驗(yàn)開展對(duì)比研究，以確定配和比。

1 工程概況

順江堰引水樞紐工程位于四川省都江堰灌區(qū)新津縣，主要由溢流壩、泄洪閘、進(jìn)水閘、上下游護(hù)堤組成，攔河壩采用閘壩方案，左岸布置270 m長(zhǎng)溢流堰，壩高4 m，右岸布置3孔泄洪沖砂閘和兩孔進(jìn)水閘。溢流壩頂部為WES曲線型實(shí)用堰，壩芯采用C10膠凝砂礫石，方量27 130 m3。基礎(chǔ)墊層和上游面層采用C20富漿膠凝砂礫石，方量12 212 m3，壩體剖面如圖1所示。

本次試驗(yàn)所用砂礫石料選自順江堰原壩體下游左岸。

2 富漿膠凝砂礫石設(shè)計(jì)方法

2.1 雙級(jí)配雙重強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的“鉆石帶理論”

對(duì)于不同級(jí)配的砂礫石料，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)用水量無(wú)法固定為某一確定的值，會(huì)形成一個(gè)用水量控制波動(dòng)范圍，即用水量的“帶”控制或邊界控制。在此用水量控制范圍的下限，會(huì)因?yàn)橛盟窟^低，而導(dǎo)致漿體較少，使得拌和物無(wú)法碾壓密實(shí)，不能獲得足夠的強(qiáng)度；相反，如果在控制范圍的上限，用水量相對(duì)較多，不僅會(huì)導(dǎo)致膠凝砂礫石的強(qiáng)度降低，也會(huì)使其工作性能變差。因此，對(duì)于不同級(jí)配砂礫石，拌和形成膠凝砂礫石材料用水量與強(qiáng)度會(huì)隨著砂礫石骨料粒徑級(jí)配變化而變化[5]。

圖1 順江堰溢流壩壩體剖面

在圖2中將具有一定適宜范圍的用水量以及與之相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分布范圍用垂直線標(biāo)出，在該范圍內(nèi)畫出同時(shí)滿足平均級(jí)配設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度高于配制強(qiáng)度、最細(xì)級(jí)配設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度、并相交于膠凝砂礫石母材級(jí)配最細(xì)級(jí)配和最粗級(jí)配之間的陰影部分，稱之為膠凝砂礫石的“鉆石帶”，如圖2所示，該圖用于表示雙級(jí)配雙重強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的“鉆石帶理論”[6]。

圖2 富漿膠凝砂礫石的鉆石帶理論

2.2 級(jí)配控制范圍

在膠材用量不變的情況下，骨料母材級(jí)配分布的不均勻，會(huì)導(dǎo)致膠凝砂礫石材料的用水量不斷變化，最終導(dǎo)致材料強(qiáng)度的波動(dòng)。就理論而言，用水量的固定可以依靠密切觀察砂礫石骨料級(jí)配和含水率的波動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際操作起來并不現(xiàn)實(shí)。

解決問題的思路如下：首先針對(duì)骨料顆粒粒徑分布仔細(xì)篩分，獲得工程現(xiàn)場(chǎng)砂礫石料的邊界情況，即膠凝砂礫石的最細(xì)級(jí)配和最粗級(jí)配，現(xiàn)場(chǎng)材料級(jí)配將分布在此邊界級(jí)配之內(nèi)。

級(jí)配控制主要是控制砂礫石母材的最大粒徑[7]，但是這種方法會(huì)導(dǎo)致棄料過多；除此之外，可以考慮對(duì)砂礫石料進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩分、復(fù)配，剔除粒徑在80 mm以上的超徑骨料，砂礫石級(jí)配歸并為80～40，40～20，20～5，5 mm以下的級(jí)配，在此基礎(chǔ)上，以d=Xmm粒徑的干篩進(jìn)行二次篩分，然后以適當(dāng)?shù)谋壤龑?duì)小于和大于Xmm的兩部分砂礫石骨料再進(jìn)行適當(dāng)比例復(fù)配，可以有效解決上述問題，使砂礫石骨料級(jí)配不均勻性顯著降低，進(jìn)一步控制富漿膠凝砂礫石的強(qiáng)度，如圖3所示。

圖3 富漿膠凝砂礫石的級(jí)配控制

3 常態(tài)拌和富漿膠凝砂礫石配合比試驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

四川順江堰溢流壩最大壩高為11.6 m，壩前擋水高度為4.0 m，應(yīng)力水平相對(duì)較低。綜合考慮其運(yùn)行工況，墊層及防滲保護(hù)層常態(tài)拌和膠凝砂礫石設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C9020。

根據(jù)SL678-2014《膠凝顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[8]：最細(xì)級(jí)配應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度20 MPa；平均級(jí)配不得低于配制強(qiáng)度要求，其值大小按下式計(jì)算：

fcu,o=fcu,k+tσ

(1)

式中,fcu,o為常態(tài)拌和膠凝砂礫石的配制強(qiáng)度，MPa，強(qiáng)度齡期取90 d；fcu,k為常態(tài)拌和膠凝砂礫石設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)，依據(jù)保證率P選定(保證率P取85%)；σ為常態(tài)拌和膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

由于常態(tài)拌和膠凝砂礫石的使用國(guó)內(nèi)無(wú)先例工程可供參考，可參照標(biāo)準(zhǔn)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]及SL678-2014《膠凝顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》取標(biāo)準(zhǔn)差σ值為4 MPa。

經(jīng)計(jì)算，墊層及防滲保護(hù)層通過設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C9020W906F9050的常態(tài)拌和膠凝砂礫石配制，強(qiáng)度為24.2 MPa。故平均級(jí)配強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為24.2 MPa，最細(xì)級(jí)配強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為20.0 MPa(均為90 d齡期)。

3.2 常態(tài)拌和配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的最大骨料粒徑為80 mm，級(jí)配比例見表1。分別采用砂率為35%和31%進(jìn)行最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配試驗(yàn)。根據(jù)最細(xì)級(jí)配膠凝砂礫石設(shè)計(jì)齡期90 d強(qiáng)度滿足20.0 MPa、平均級(jí)配設(shè)計(jì)齡期90 d強(qiáng)度滿足24.2 MPa來尋找適宜的水膠比。適當(dāng)水膠比范圍內(nèi)，從0.45～0.60每隔0.05取一組，其中粉煤的摻量為30%，試驗(yàn)中根據(jù)材料稀稠度合理選取用水量，詳見表2。配合比設(shè)計(jì)完成后，共對(duì)表2中5組編號(hào)膠凝砂礫石進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)30組(試塊均為立方體，尺寸為15 cm×15 cm×15 cm)。為減少誤差，每組強(qiáng)度值均為3次試驗(yàn)的平均值，詳見表3。

表1 富漿膠凝砂礫石的級(jí)配控制

表2 最細(xì)和平均級(jí)配配合比設(shè)計(jì)

表3 最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表2～3中可知，4組最細(xì)級(jí)配90 d抗壓強(qiáng)度值都滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。為了達(dá)到一定經(jīng)濟(jì)性，膠凝材料用量盡可能偏少，經(jīng)計(jì)算，最細(xì)級(jí)配配合比選用FX-3，相應(yīng)的膠凝材料用量225 kg/m3，其28 d抗壓強(qiáng)度為14.5 MPa，90 d抗壓強(qiáng)度為23.6 MPa；平均級(jí)配配合比選用FP-1的膠凝砂礫石，膠凝材料用量218 kg/m3，其28 d抗壓強(qiáng)度為20.1 MPa，90 d抗壓強(qiáng)度為35.2 MPa。

4 加漿拌和富漿膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

在膠凝砂礫石實(shí)際施工過程中，材料的拌制只能采用專用拌和設(shè)備進(jìn)行拌制，但所用儀器只能拌制干硬性材料，所以加漿拌和膠凝砂礫石采用兩次分開拌和(初次拌和和二次拌和)的施工工藝。

4.1 初次拌和配合比設(shè)計(jì)

由于砂礫石的平均級(jí)配代表原材料的整體情況，根據(jù)最細(xì)級(jí)配確定的膠材用量，以平均級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，初次拌和試驗(yàn)配和比及試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 富漿膠凝砂礫石初次配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

4.2 二次拌和配合比設(shè)計(jì)

二次拌和過程中，采用正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，選用L16(43×23)正交表，其水平因素見表5，根據(jù)正交表設(shè)計(jì)結(jié)果確定配合比，見表6。

表5 凈漿配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平因素

表6 加漿二次拌和材料配合比

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.3.1試驗(yàn)方法及計(jì)算

試件養(yǎng)護(hù)90 d后,選用YA-3 000B電液式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試件的破壞荷載，儀器最大量程為3 000 kN，精度為1級(jí)。一共進(jìn)行了40組試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(試塊均為立方體，尺寸為15 cm×15 cm×15 cm)。

根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)破壞荷載的實(shí)測(cè)值，按公式(2)計(jì)算膠凝砂礫石立方體的抗壓強(qiáng)度(精確至0.1 MPa)：

(2)

式中,fcc為抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程[10]表述：雖然破壞荷載數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，但仍按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算抗壓強(qiáng)度值，破壞荷載取3組破壞荷載實(shí)測(cè)值的算術(shù)平均值，如表7所示。

表7 正交試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度匯總

4.3.2極差法分析

實(shí)踐證明，極差法通過簡(jiǎn)單的計(jì)算就能判斷出試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果。因此，本文采用極差法對(duì)16組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表8所示。

從表8可以得出，通過比較極差的大小來判斷影響加漿拌和膠凝砂石抗壓強(qiáng)度的主次因素[11]，發(fā)現(xiàn)水膠比的極差明顯大于加漿量的極差，故水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響更大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可繪制出圖4～5。從圖中可知，不同因素下具有不同的變化規(guī)律,水膠比從0.8逐漸增大至1.6時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，采用純水后抗壓強(qiáng)度繼續(xù)下降至10 MPa以內(nèi)；加漿量從1.5%增大至3.0%過程中，抗壓強(qiáng)度下降較緩，由24.5 MPa降至20 MPa左右。即在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度與水膠比和加漿量均成反比例關(guān)系。

表8 極差法分析加漿拌和膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的主次因素

注:K1～K4為某水平抗壓強(qiáng)底量和，k1～k4為對(duì)應(yīng)水平平均值，ω為k1～k4中最大值與最小值之差。

圖4 加漿拌和水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖5 加漿量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

4.4 配合比優(yōu)選

依據(jù)4.3.2節(jié)分析所得到的結(jié)論[12]，選擇本次試驗(yàn)范圍內(nèi)盡可能小的水膠比與加漿量，即最優(yōu)漿液配合比為水膠比0.8、加漿量1.5%、粉煤灰摻量30%，拌和次數(shù)25次。

在順江堰原壩體下游左岸選取砂礫石料，通過正交試驗(yàn)[13]并選取具有代表料場(chǎng)整體性的平均級(jí)配作為試驗(yàn)材料。從表7中看到16組抗壓試件的最終結(jié)果離散性比較大，說明二次拌和中各種因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性影響很大，所以二次拌和配合比應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，即最終配合比的選取如下：加強(qiáng)初次拌和，在此基礎(chǔ)上對(duì)二次拌和的配合比設(shè)計(jì)如下：水膠比0.8，加漿量1.5%(水泥凈量)，拌和次數(shù)為25，粉煤灰摻量取為0。在初次拌和級(jí)配試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次拌和，得知加漿拌和膠凝砂礫石的28 d和90 d抗壓強(qiáng)度分別為14.1MPa和25.8MPa。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果比較

由于砂礫石的平均級(jí)配代表原材料的整體平均情況，故本節(jié)只對(duì)平均級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，再與常態(tài)拌和膠凝砂礫石平均級(jí)配的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷加漿拌和過程對(duì)試驗(yàn)過程強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表9所示。

表9 常態(tài)拌和與加漿拌和膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度對(duì)照

由表9可得，初次拌和獲得的富漿干硬性材料其強(qiáng)度小于常態(tài)拌和工況下強(qiáng)度，但大于加漿拌和工況的強(qiáng)度；加漿拌和膠凝砂礫石28 d強(qiáng)度為14.1MPa，常態(tài)拌和膠凝砂礫石5組28 d的強(qiáng)度平均值為25.1 MPa，是加漿拌和膠凝砂礫石28 d強(qiáng)度1.78倍。加漿拌和膠凝砂礫石90 d設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度為25.8 MPa，常態(tài)拌和膠凝砂礫石5組90 d的強(qiáng)度平均值為41.3 MPa，是加漿拌和膠凝砂礫石90 d強(qiáng)度1.60倍。其中，加漿拌和膠凝砂礫石90 d設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度值(25.8 MPa)接近于常態(tài)拌和膠凝砂礫石5組28 d的強(qiáng)度平均值的強(qiáng)度值(25.1 MPa)。

5 結(jié) 論

基于鉆石帶理論，遵循富漿膠凝砂礫石防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)的膠凝材料配合比設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過對(duì)常態(tài)拌和和加漿拌和兩種富漿膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，得出如下結(jié)論。

(1)通過常態(tài)拌和膠凝砂礫石的配合比試驗(yàn)研究，得知對(duì)于最細(xì)級(jí)配配合比，應(yīng)選用水膠比0.60、砂率35%、膠凝材料用量225 kg/m3，28和90 d抗壓強(qiáng)度分別為14.5 MPa和23.6 MPa；平均級(jí)配配合比選用水膠比0.50、砂率31%、膠凝材料用量218 kg/m3，28和90 d抗壓強(qiáng)度分別為20.1 MPa和35.2 MPa，其設(shè)計(jì)齡期的抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)通過L16(43×23)正交試驗(yàn)，采用極差法對(duì)加漿拌和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為減小試驗(yàn)結(jié)果的離散性，加漿拌和配合比應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化，得到加漿拌和膠凝砂礫石配合比設(shè)計(jì)二次拌和的配合比如下：水膠比0.8，加漿量1.5%，拌和次數(shù)為25，粉煤灰摻量取為0。運(yùn)用極差法分析影響強(qiáng)度的主次因素發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于加漿量，水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響更大。且在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度與水膠比和加漿量均成反比例關(guān)系。

(3)加漿拌和膠凝砂礫石28和90 d強(qiáng)度均小于常態(tài)拌和膠凝砂礫石的強(qiáng)度；常態(tài)拌和膠凝砂礫石5組28 d強(qiáng)度是加漿拌和膠凝砂礫石28 d強(qiáng)度的1.78倍；常態(tài)拌和膠凝砂礫石5組90 d的強(qiáng)度是加漿拌和膠凝砂礫石90 d強(qiáng)度的1.60倍。