膠凝砂礫石配合比設計研究與工程應用

閆林 何建新 楊海華

摘?要：針對某實際膠凝砂礫石永久性水利工程特性進行配合比設計，采用丁樸榮理論公式法和最大密度試驗法進行三種砂礫石料混合級配設計，并結合配合比試驗研究優選膠凝材料用量和水膠比。膠凝砂礫石材料的抗壓強度隨著膠凝材料用量的增大而增大，且在膠凝材料用量大于100 kg/m3時，膠凝砂礫石材料力學性能趨向于混凝土。此外，在同一膠凝材料用量下，試件抗壓強度隨水膠比的增大呈現先增大后減小的趨勢，即存在最優水膠比。綜合實際施工技術、節約經濟及抗壓強度富余度等條件，最終為該工程推薦膠凝材料用量為100 kg/m3，水膠比為1.0。

關鍵詞：膠凝砂礫石;配合比設計;級配;膠凝材料用量;最優水膠比

中圖分類號：TV41?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.018

Abstract： This paper details the mixture ratio design of the Permanent Water Conservancy project of the actual cementing sand and gravel. The Ding Pu-rong theory formula method and the maximum compactness test method were used to carry out three kinds of sand and gravel mixture gradation design. And combining the mix ratio test to optimize the amount of cementitious materials and the ratio of water and rubber. The compressive strength of cementitious sand-gravel material increases with the increases of the dosage of cementitious materials. And when the dosage of cementitious material is greater than that of 100 kg/m3， the mechanical properties of cementitious sand-gravel materials tend to be concrete. In addition， under the same cementitious material dosage， the tendency of the compressive strength of specimen was increased first and then decreased with the increase of the ratio of water to rubber. And the optimal water glue ratio was found in the test results. Combined with the actual construction technology， economical and the surplus degrees of compressive strength， the recommended cementitious materials dosage and water glue ratio for the project is 100 kg/m3 and 1.0， respectively.

Key words： cementitious sand gravel; proportioning design; gradation; gel material dosage; optimal water glue ratio

膠凝砂礫石壩是介于土石壩和混凝土壩之間的一種過渡壩型，其使用材料膠凝砂礫石（簡稱CSG）是用少量的膠凝材料（如水泥、粉煤灰）及原則上不經過篩分和水洗的壩址區河床砂礫石料，通過簡易拌和、攤鋪、振動碾壓而形成的具有一定抗壓、抗剪強度的新型筑壩材料[1-4]。膠凝砂礫石材料的應用起源于20世紀70年代，由于其符合“宜材適構”的建筑理念，且具有施工快速、經濟環保、安全性高等特點[5-7]，因此在國外永久性水利工程中得到廣泛應用。但其在我國永久性水利工程中鮮有使用，究其原因：一是目前國內學者在進行膠凝砂礫石配合比設計研究時，對于砂礫石料不進行級配篩分或采用三級配設計，致使理論方法不統一，試驗和研究結果有差異;二是不進行砂礫石料級配篩分時，實際工程現場天然砂礫石料級配離散性太大，造成膠凝砂礫石強度離散性過大，使得膠凝砂礫石壩施工質量難以控制。

新疆某調蓄水池壩型為膠凝砂礫石壩，是新疆首座采用膠凝砂礫石材料的永久性水利工程，調蓄水池最大壩高22.31 m，壩頂長68.0 m，寬4.0 m，大壩上游坡比為1∶0.50，下游坡比為1∶0.75。大壩通體分兩區，皆采用膠凝砂礫石材料填筑。經調查發現，該工程壩址區河床的天然砂礫石料（A料）中細料含量過少，僅為18.4%，級配偏粗，且含泥量（為3.6%）稍高。結合前期室內試驗得出，A料在膠凝材料用量達到120 kg/m3時28 d抗壓強度勉強滿足設計要求，為4.16 MPa，但此時膠凝材料用量較多，試件空隙較大，蜂窩麻面嚴重。本研究通過丁樸榮理論公式法和最大密度試驗法改善砂礫石料級配，并結合膠凝砂礫石配合比試驗分析各項因素對膠凝砂礫石材料的影響，為該工程

配合比設計提供理論依據和技術參考。

1?原材料及試驗方法

1.1?砂礫石料

A料為壩址區河床剔除粒徑大于80 mm顆粒后的砂礫石料;B料為A料剔除部分加工破碎顆粒后產生的砂礫石料，其粒徑小于60 mm;C料是由外料場提供的細料，粒徑小于5 mm。該工程擬混合使用A、B、C三種砂礫石料，以達到減少膠凝材料用量和提高膠凝砂礫石材料強度的目的。三種砂礫石料級配見表1。

1.2?其他原材料

試驗水泥采用新疆蒙鑫P.O42.5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，水為普通自來水。

1.3?試驗方法

借鑒國內外相關研究經驗進行配合比設計試驗[8-11]，結合該工程設計要求，將VC值（用來衡量干硬性或低流塑性拌和物流動性能的指標）控制在2～15 s，進行室內試驗時考慮砂礫石料的飽和面干吸水量，在此基礎上根據VC值調整水膠比，并設置對照組試驗。采用維勃稠度儀測定VC值，VC值測定后，采用濕篩法剔除粒徑大于40 mm的砂礫石料，并分三層裝入150 mm×150 mm×150 mm的鋼試模中，每層插搗后擊實，擊實功為0.537 J/cm3。將擊實后的試件表面抹平并稱重，每組試驗制作3個試件，將3個試件的抗壓強度平均值作為該組試驗的結果。膠凝砂礫石配合比設計及實測參數見表2。

2?試驗結果及分析

2.1?試驗結果

成型試件蓋封2 d后脫模，室內采用棉布包裹覆蓋，恒溫（20±2） ℃灑水養護28 d。抗壓強度采用STYE-200J型巖石抗剪抗壓試驗機測定，將加載速度控制為0.8 kN/s，直到試件破壞，試件28 d抗壓強度試驗結果見表3。

2.2?砂礫石料級配設計

砂礫石料含量占膠凝砂礫石材料的90%以上，對膠凝砂礫石材料力學性能具有重要影響。不同地區砂礫石料級配差異性顯著，即便是同一地區的砂礫石料，級配也存在隨機性，砂礫石料級配的差異性是造成膠凝砂礫石材料抗壓強度離散性的主要原因，也是制約膠凝砂礫石在永久性工程中使用的主要因素。通過可靠的理論依據調整幾種級配不良的砂礫石料混合比例，以改善混合后的砂礫石料級配，對膠凝砂礫石材料在實際工程中的運用具有重要價值。

2.2.1?丁樸榮理論公式法

針對該工程三種不同級配的砂礫石料用量，進行人工調配，以優化其級配。采用丁樸榮級配理論公式計算最優配合比例[12]，得到理論最大密實度下的砂礫石料級配組成，即

式中：Pi為篩孔直徑di的通過率，%;F為粒徑小于0.075 mm的填料用量，%;n為級配指數;di為某一篩孔直徑，mm;Dmax為石料最大粒徑，mm;d0.075為填料最大粒徑，d0.075=0.075 mm。

可以看出，影響級配的關鍵因素為填料最大粒徑、級配指數和粒徑0.075 mm顆粒用量等取值。根據《膠結顆粒料筑壩技術導則》[13]及前人試驗總結得到：砂礫石料最大粒徑不宜超過80 mm，小于5 mm粒徑細料的含量以18%～35%為宜。張傲齊[14]認為新疆地區膠凝砂礫石工程建設中，骨料的最大粒徑宜選擇100 mm，級配指數宜為0.30～0.36。劉錄錄[15]進一步提出，小于5 mm粒徑細料的最優含量為25%～30%，在砂礫石料用量優選時將其作為參考。

采用丁樸榮理論公式經多種情況求解得到三種砂礫石料混合比例為A料∶B料∶C料=75∶15∶10時，理論級配曲線與合成級配曲線擬合程度最佳，最優級配組成見表4。取A料級配曲線作為對比，砂礫石料級配曲線見圖1。可以看出，理論級配曲線與合成級配曲線擬合良好，與理論級配相比A料級配明顯偏粗，合成砂礫石料中細料含量明顯提升，達到31.3%，含泥量（為3.1%）有所降低。

2.2.2?最大密實度試驗法

不同于振搗密實的普通混凝土施工工藝，膠凝砂礫石施工宜采用類似于碾壓混凝土振動碾壓的施工工藝，因此膠凝砂礫石級配設計采用相對密度試驗原理更為適宜。砂礫石料混合比例不同對應最大密實度不盡相同，砂礫石料密實度越大土體顆粒空隙越小、所成型膠凝砂礫石密實度越大，此時使用較少的漿體（膠凝材料漿體）即可滿足膠結要求。

采用相對密度試驗儀對各組混合砂礫石料分別進行3次最大密實度試驗，試驗振動頻率為50 Hz，振幅為±1 mm，頂部施加正應力14 kPa，振動時間為6～8 min，將3次試驗的平均值作為最終結果，試驗組合及結果見表5。

由表5可知，當砂礫石料混合比例為75∶15∶10時，砂礫石料的最大密實度為2 120 kg/m3，試驗最優混合比例與丁樸榮理論公式計算比例相吻合，證明利用理論公式法進行設計、最大密度試驗法進行復核可有效解決膠凝砂礫石工程砂礫石料級配離散性的問題，從而提高膠凝砂礫石材料的適用性和易用性。

綜上所述，在混合比例為75∶15∶10的合成砂礫石料基礎上進行膠凝砂礫石配合比試驗研究更為合理，可規避砂礫石料級配問題帶來的影響。膠凝砂礫石實測密度與抗壓強度的關系見圖2。

隨著實測密度的增大抗壓強度不斷增大，相同條件下實測密度與抗壓強度成正比。通過計算，擬合出其一次函數（關系式），確定系數R2為0.95，線性相關程度較高。由此說明，通過砂礫石料最大密度控制砂礫石料級配是可行的，對設計膠凝砂礫石配合比有利。

2.3?膠凝材料用量設計

膠凝材料用量是影響膠凝砂礫石材料抗壓強度的主要因素。《膠結顆粒料筑壩技術導則》[13]中指出膠凝材料用量不宜低于80 kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3，粉煤灰和其他摻合料的總含量宜為40%～60%。因此，對膠凝材料用量m分別設為80、100、120 kg/m3的試件進行抗壓強度試驗，其中膠凝材料配合比為水泥∶Ⅱ級粉煤灰=1∶1。由圖3可知，膠凝砂礫石材料的抗壓強度隨膠凝材料用量的增大而增大，在水膠比w分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2時，抗壓強度隨膠凝材料用量的增大分別提升了42%、44%、26%、22%、22%，且在膠凝材料用量大于100 kg/m3時，抗壓強度增長率平均提高了9%，此時膠凝砂礫石材料力學性能更趨同于混凝土的。

2.4?水膠比設計

水膠比對膠凝砂礫石材料的密實度和強度有重要影響。由圖4可知，同一膠凝材料用量下，試件抗壓強度先隨水膠比的增大而增大，出現峰值后下降。原因是：一方面砂礫石料具有一定的空隙，所能填充的漿體是一定的，在不改變漿體體積的情況下，膠凝材料用量與用水量成反比，使得水膠比隨著膠凝材料用量的增大而減小。另一方面試件抗壓強度與漿體濃度有關，當漿體濃度過稠時，拌和物干澀不易擊實，造成試件密實度降低，抗壓強度減小;當漿體濃度過稀時，拌和物易泌水，造成部分膠凝材料分布不均或隨水分流失，試件強度減小。因此，膠凝材料用量為80、100、120 kg/m3時，對應的最優水膠比分別為1.1、1.0、0.9。

2.5?推薦配合比

該膠凝砂礫石壩工程設計要求28 d抗壓強度不小于4.0 MPa，由表3可以看出，膠凝材料用量達到80（僅當水膠比為1.1和1.2時）、100、120 kg/m3時，抗壓強度都可滿足要求，但120 kg/m3的膠凝材料用量過大，工程造價較高。當膠凝材料為80 kg/m3、水膠比為1.1時，合成料抗壓強度為4.15 MPa，滿足工程設計要求，然而此時強度富余度不足，對施工技術要求過高，實際施工中保證率較低。綜合上述分析，推薦該工程膠凝材料用量為100 kg/m3，水膠比為1.0。

3?結?論

（1）選用天然砂礫石料作為膠凝砂礫石的原材料時，原則上無需考慮級配問題，但在特殊情況下人為適當調整砂礫石料級配對降低膠凝材料的用量和工程造價是較為有利的。針對該工程，采用丁樸榮理論公式法和最大密度試驗法能夠有效改善砂礫石料的級配，理論清晰，結果可靠，推薦砂礫石料混合比例為A料∶B料∶C料=75∶15∶10。

（2）通過配合比設計試驗可知，膠凝砂礫石材料的抗壓強度隨著膠凝材料用量的增大而增大，且在膠凝材料用量大于100 kg/m3時，其力學性能更趨同于混凝土的。同一膠凝材料用量下，試件抗壓強度先隨水膠比的增大而增大，出現峰值后下降，即存在最優水膠比。

（3）考慮實際施工技術、節約經濟及抗壓強度富余度等條件，推薦該工程膠凝材料用量為100 kg/m3，水膠比為1.0。

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【責任編輯?張華巖】