配合比參數(shù)對膠結(jié)砂礫石抗沖磨性能影響的試驗(yàn)研究

張 棟

(陜西省涇惠渠灌溉中心，陜西 咸陽 713800)

膠結(jié)砂礫石材料是將水泥、粉煤灰等膠凝材料、水、原狀砂礫或工程廢棄料通過簡易拌和所得到的新型筑壩材料[1]。在水利工程生態(tài)屬性需求日益提升的時(shí)代背景下，膠結(jié)砂礫石材料壩已經(jīng)成為當(dāng)前筑壩技術(shù)的新突破，可以充分利用大壩壩址部位的天然砂石料和開挖棄料，有效拓展骨料的使用范圍，不僅施工方便，還可以大幅降低工程投資，相對于土石壩具有漫頂不潰的巨大優(yōu)勢，在水利工程領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景[2]。目前，關(guān)于膠結(jié)砂礫石材料的研究主要集中于強(qiáng)度、滲透性以及抗凍性等物理力學(xué)性質(zhì)方面，對抗沖磨性能的關(guān)注不多[3]。但在水利工程運(yùn)行過程中，高速水流經(jīng)常會(huì)攜帶大量的泥沙，會(huì)對膠結(jié)砂礫石大壩的防滲保護(hù)層產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖刷和磨蝕破壞，從而降低大壩的安全性，不利于大壩的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[4]。基于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討配合比參數(shù)對膠結(jié)砂礫石抗沖磨性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥是膠結(jié)砂礫石材料中的主要膠凝材料，對其力學(xué)性質(zhì)存在顯著影響[5]。此次研究選擇河南多樣達(dá)水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)檢驗(yàn)，其初凝時(shí)間為168 min，終凝時(shí)間為230 min，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為52.5和8.3 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足此次試驗(yàn)要求。

粉煤灰屬于一種活性混合材料，在膠結(jié)砂礫石材料中添加一定量的粉煤灰，可以起到良好的膠結(jié)骨料、提高材料強(qiáng)度的作用。此次研究選用本溪市熱電二廠的干排粉煤灰，其表觀密度為2.11 g/cm3、需水比為102%、燒失量為1.78%。

試驗(yàn)用骨料為河床砂礫石料其細(xì)骨料的模數(shù)為3.09，為中砂，粗骨料的最粒徑為150 mm。對砂礫石材料進(jìn)行壓碎指標(biāo)檢驗(yàn)，檢測結(jié)果為3.2%，說明其抵抗受壓破碎的能力較強(qiáng)。

試驗(yàn)用高效減水劑和引氣劑均由北京中水科海利工程有限公司生產(chǎn)；試驗(yàn)用水為普通自來水。

1.2 試樣制備

在試驗(yàn)中進(jìn)行膠結(jié)砂礫石料的拌和時(shí)，使用JZW350強(qiáng)制式多功能攪拌機(jī)。在攪拌過程中，嚴(yán)禁先上料后開機(jī)。在拌和之前，首先根據(jù)設(shè)計(jì)好的配合比，稱量好水泥、粉煤灰、砂礫石料，然后加入攪拌機(jī)攪拌10 s，使上述拌和物充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅偌尤胨屯饧觿贁嚢?20 s。采用兩次拌和的方式，可以實(shí)現(xiàn)膠凝材料和骨料的充分接觸，并均勻包裹住骨料。在裝料之前，要首先清理模具，并在其內(nèi)壁涂刷一層脫模劑，防止在脫模過程中試件產(chǎn)生損壞。將攪拌完成的膠結(jié)砂礫石材料裝入試模，并進(jìn)行人工振搗，插搗時(shí)要從試模的四周向中心進(jìn)行，插搗次數(shù)不少于25次。在插搗完畢之后，采用相同配比的水泥砂漿填補(bǔ)試件表面的孔洞，然后用抹刀將表面抹平。在試件成型之后靜置24 h拆模，然后將其轉(zhuǎn)移至養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，之后在自然環(huán)境下靜置90 d齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

試件采用直徑300 mm、高100 mm的圓柱形，實(shí)驗(yàn)前需要對試件進(jìn)程浸水飽和，然后再進(jìn)行試驗(yàn)。膠結(jié)砂礫石抗沖磨性能試驗(yàn)采用HCKM-2型混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)，其基本原理是通過電磁調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)葉輪，使葉輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/s，并帶動(dòng)水?dāng)噭?dòng)70個(gè)直徑大小不等的鋼球?qū)υ嚰M(jìn)行72 h的摩擦磨損，以驗(yàn)證試件表面的抗磨損能力[6]。試驗(yàn)中，利用單位面積上的磨損質(zhì)量所需要的時(shí)間表示試件的抗沖磨強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠凝材料

膠凝材料用量是膠結(jié)砂礫石材料抗沖磨強(qiáng)度的重要影響因素，而膠凝材料用量越小，工程成本就越低[7]。因此，探究合適的膠凝材料用量具有重要價(jià)值。結(jié)合膠結(jié)砂礫石材料的工程實(shí)踐，研究中對200、175、150、125和100 kg/m3等5種不同的膠凝材料用量的試件進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)。為不受其他因素影響，試驗(yàn)固定砂率為38%、粉煤灰摻量為50%、水膠比為0.65。不同膠凝材料含量試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 抗沖磨強(qiáng)度隨膠凝材料用量變化曲線

由圖1可知，在其他參數(shù)不變的情況下，試件的抗沖磨強(qiáng)度會(huì)隨著膠凝材料摻量的減小而降低。由此可見，膠凝材料的用量不僅會(huì)對膠結(jié)砂礫石材料的強(qiáng)度存在顯著影響，也會(huì)明顯影響其抗沖磨性能。從具體的變化規(guī)律來看，隨著膠結(jié)材料用量的減少，試件的抗沖磨強(qiáng)度先小幅下降，后迅速降低再趨于平穩(wěn)。特別是膠凝材料用量由150 kg/m3減少至125 kg/m3的情況下，試件的抗沖磨強(qiáng)度下降26.4%。同時(shí)，大量增加水泥摻量，不僅會(huì)大幅提高工程成本，同時(shí)也不利于膠結(jié)砂礫石的溫控，而材料凝固過程中產(chǎn)生的大量水化熱，也會(huì)造成防滲保護(hù)層裂縫的迅速增加，反而不利于提高工程質(zhì)量。綜合考慮膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨性能和經(jīng)濟(jì)性，建議采用150 kg/m3的膠凝材料用量。

2.2 粉煤灰摻量

從上節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果可知，提高膠結(jié)砂礫石材料中的膠凝材料用量，不僅可以提高材料本身的強(qiáng)度，亦可以明顯提高其抗沖磨性能，但是大幅增加水泥用量亦有其不利之處。同時(shí)工程實(shí)踐表明，在膠結(jié)砂礫石材料中摻加一定量的粉煤灰，可以充分利用其活性效應(yīng)，提高膠結(jié)砂礫石材料的后期強(qiáng)度和抗沖磨性能[8]。基于此，試驗(yàn)中在保持水泥用量150 kg/m3、砂率38%、水膠比0.65不變情況下，設(shè)計(jì)0%、10%、20%、30%、40%、50%等6種不同的粉煤灰摻量進(jìn)行試件的抗沖磨試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制膠結(jié)砂礫石材料抗沖磨強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化曲線，見圖2。由圖2可知，隨著粉煤灰摻量的增加，膠凝砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后波動(dòng)減小的變化特點(diǎn)。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)粉煤灰的摻量為20%時(shí)試件的抗沖磨強(qiáng)度最大，達(dá)到3.92 h/kg·m2，與不摻加粉煤灰的方案相比，提升約21.7%；隨著粉煤灰摻量的進(jìn)一步增加，膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度迅速減小，反而低于沒有摻加粉煤灰的情況。同時(shí)，粉煤灰摻量為10%和20%時(shí)，試件的抗沖磨強(qiáng)度相差并不大。由此可見，在膠結(jié)砂礫石材料制備過程中，粉煤灰的摻量應(yīng)該以10%～20%為宜。

圖2 抗沖磨強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線

2.3 砂 率

相關(guān)研究顯示，砂率也是影響混凝土抗沖磨性能的重要因素。在膠結(jié)砂礫石材料中，砂的作用不僅是調(diào)和拌和物的使用性能，同時(shí)還具有一定的內(nèi)部孔隙填充作用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，膠結(jié)砂礫石材料一般是就地取材，但是這些材料的含沙量往往是固定的。因此，研究砂率對膠結(jié)砂礫石材料抗沖磨性能的影響，可以為工程應(yīng)用中的材料選擇和必要調(diào)整提供依據(jù)。結(jié)合工程實(shí)際和相關(guān)研究結(jié)論，此次試驗(yàn)選擇30%、35%、40%、45%和50%共5種不同的砂率進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中，保持水泥用量150 kg/m3、粉煤灰摻量20%、水膠比0.65不變，以保證對比試驗(yàn)的有效性。

根據(jù)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，繪制膠結(jié)砂礫石材料抗沖磨強(qiáng)度隨砂率的變化曲線，見圖3。由圖3可知，隨著砂率的增加，膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小、后增加再減小的變化特征。究其原因，合適的砂率會(huì)充分發(fā)揮其對內(nèi)部孔隙的填充作用，而過高的砂率會(huì)導(dǎo)致抗沖磨性能較強(qiáng)的粗骨料含量的降低，反而不利于抗沖磨強(qiáng)度的提高。鑒于砂率在30%～40%時(shí)膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度較高且變化幅度較小，建議膠結(jié)砂礫石材料的砂率范圍為30%～40%。

圖3 抗沖磨強(qiáng)度隨砂率變化曲線

3 結(jié) 論

此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了膠凝材料、粉煤灰和砂率3個(gè)主要配合比參數(shù)對膠結(jié)砂礫石材料抗沖磨性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1)膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度隨著膠凝材料摻量的減小而降低，且膠凝材料摻量由175 kg/m3減小至150 kg/m3時(shí)的降幅較大。

2)膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后波動(dòng)減小的變化特點(diǎn)；當(dāng)粉煤灰的摻量為20%時(shí)，試件的抗沖磨強(qiáng)度最大，且粉煤灰摻量為10%和20%時(shí)的抗沖磨強(qiáng)度比較接近。

3)膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度隨著砂率的增加呈現(xiàn)出先減小、后增加再減小的變化特征；砂率在30%～40%時(shí)，膠結(jié)砂礫石材料的抗沖磨強(qiáng)度較高且變化幅度較小。

4)綜合試驗(yàn)結(jié)果，在制作膠結(jié)砂礫石材料時(shí)，建議摻加150 kg/m3的膠凝材料，選擇10%～20%的粉煤灰摻量以及30%～40%的砂率。