膠凝砂礫石材料特性及填筑工藝研究

吳海燕

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 831100)

0 引 言

膠凝砂礫石作為一種高水膠比、低膠凝材料用量的經濟環保型筑壩材料，其填筑施工工藝與混凝土碾壓施工近似，很多單位都積累了比較豐富的施工經驗，而且對骨料的要求比后者低，同時具有單次攤鋪厚度更厚、施工效率更高的特點，因而在水利工程建設中越來越受到重視和應用[1-2]。

由于膠凝砂礫石材料的最大骨料粒徑可達150 mm，甚至300 mm，因此在填筑施工過程中需要大型施工機械進行振動碾壓才能將其壓實。目前，關于膠凝砂礫石的研究大多數都是采用單因素輪換分析法[3-6]，這種試驗得出的結論與實際應用之間還存在一定的差異，研究成果的轉化利用率較低。因此，開展多因素多水平協同作用下的膠凝砂礫石材料性能研究，對于推動膠凝砂礫石的實際工程應用具有重要意義。

本文采用四因素三水平正交試驗，對單位用水量、單位水泥用量、單位粉煤灰用量以及砂率4種因素協同作用下的工作性能和力學性能進行試驗研究，以期能為指導工程實踐提供幫助。

1 試驗概況

1.1 原材料

膠凝材料：主要包括PO42.5R普通硅酸鹽水泥和Ⅱ級粉煤灰。水泥密度為3.16 g/cm3，主要化學成分為CaO、SiO2和Al2O3，占比分別為58.5%、24.7%和4.5%，初凝和終凝時間分別為205和249 min，3 d和28 d抗壓強度分別為22.8和43.6 MPa；粉煤灰主要化學成分為SiO2、Fe2O3和Al2O3，占比分別為56.6%、7.6%和21.3%，密度為2.1 g/cm3，比表面積3 400 cm2/g，需水比為102%。細度為18%，燒失量為3.6%。

骨料：粗骨料為二級配天然卵石，質量比：小石(5～20 mm)：中石(20～40 mm)=3∶1，堆積密度為1 711 kg/m3；細骨料為天然河砂，細度模數為2.8，中砂，級配分區為Ⅱ區，級配曲線見圖1。

圖1 砂料顆粒級配

水：當地自來水，pH=6.6，密度為1 000 kg/m3。

外加劑：選用聚羧酸系 PCA-HPWR高效減水劑，減水率為37%。

1.2 配合比設計

采用正交試驗方法，將單位用水量、單位水泥用量、單位粉煤灰用量以及砂率4種因素作為變量，單位用水量分別為110、120和130 kg/m3，單位水泥用量分別為60、70和80 kg/m3，單位粉煤灰用量分別為60、70和80 kg/m3，砂率分別為24%、27%和30%，從而構建四因素三水平的正交試驗配比方案，見表1。

表1 正交試驗配比方案

續表1

1.3 試驗過程

原材料拌和：按照試驗配比稱取各種原材料，首先投入水泥、粉煤灰和砂攪拌0.5 min，然后加入1/2的水攪拌0.5 min，接著加入粗骨料、減水劑以及剩余的1/2水攪拌3 min，最后將攪拌好的膠凝砂礫石料靜置10 s后卸料。

VC值試驗：VC值主要反映膠凝砂礫石料的工作性能。實驗儀器主要使用VBR-2數顯維勃稠度儀，VC值測試應在膠凝砂礫石料拌和完成20 min內進行，取兩次實驗值的平均值作為最終結果。

強度試驗：將拌和好的膠凝砂礫石料做成150 mm×150 mm×150 mm的正方體試件，然后在標準養護箱中養護60 d，取出試件后在萬能試驗機上進行單軸抗壓試驗，試驗荷載加載速率為5 kN/s。

抗滲試驗：分為兩個部分，一部分進行氣滲性試驗，一部分進行水滲性試驗，實驗儀器均采用Autoclam全自動滲透性測試儀。根據滲透試驗結果，劃分為“很好”、“好”、“差”、“很差”4個等級，對應的滲透系數情況見表2。

表2 滲透系數等級劃分

2 試驗結果分析

2.1 VC值

膠凝砂礫石材料的VC值試驗結果見圖2。從圖2中可以看到，相同單位用水量情況下，膠凝砂礫石材料的VC值呈鋸齒狀降低，水膠比越小，VC值越小，單位用水量對VC值呈顯著性影響，單位用水量每增加1 kg/m3，VC值平均降低0.44 s；而砂率與水泥、砂率與粉煤灰之間的交互影響對膠凝砂礫石的影響不顯著；從整體變化趨勢來講，4種因素對膠凝砂礫石的VC值影響程度從大到小依次排序為：單位用水量>單位粉煤灰用量>單位水泥用量>砂率，水對VC值的貢獻率達到75%，而砂率對VC值的貢獻率僅為0.08%；VC值并不是越大越好，根據試驗結果分析認為，當水、粉煤灰、水泥和砂率的摻量分別為110、60、60 kg/m3和24%時，膠凝砂礫石材料性能最為穩定，當水、粉煤灰、水泥和砂率的摻量分別為130、80、80 kg/m3和30%時，膠凝砂礫石材料的性能最優。

圖2 VC值試驗結果

2.2 強 度

膠凝砂礫石材料的強度試驗結果見圖3。從圖3中可知，相同單位用水量情況下，膠凝砂礫石材料的強度值呈鋸齒狀升高，水膠比越小，強度值越大，單位用水量越大，抗壓強度的增幅越小；抗壓強度的變化特征與VC值相反，但是過高的單位用水量可能會導致VC值和強度值同時減小，這說明膠凝砂礫石的工作性能和力學性能存在相互制約的情況，當VC值太小時，拌和料用水太多，易發生泌水和骨料分離，使得膠凝砂礫石的強度降低，當VC值太大時，拌合料太干，灰漿量太少，使得骨架出現架空，對膠凝砂礫石材料的壓實不利，從而導致強度降低；4種因素對膠凝砂礫石的強度值影響程度從大到小依次排序為：單位粉煤灰用量>單位用水量>單位水泥用量>砂率，砂率對強度值的貢獻率僅為1.17%；從整體上來講，第9試驗組的強度最高，其配比分別為：水110 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率30%。

圖3 強度試驗結果

2.3 抗滲性

膠凝砂礫石材料的抗滲試驗結果見圖4。從圖4中可知，在27個試驗組中，水滲透系數并未呈現規律性變化。其中，抗水滲透性表現為很好的試驗組為：2～6，11，16，19～20，23～25；氣滲透性表現出一定規律性，即當單位用水量較小時，氣體滲透系數較小，當單位用水量較大時，氣體滲透系數較大，但是從整體上來講，膠凝砂礫石材料的表面抗氣體滲透性表現為“差”或者“很差”，這是因為膠凝砂礫石材料的最大骨料粒徑達到40 mm，再加之膠凝材料用量少，單位用水量大，導致材料在拌和過程中容易出現振搗不均、密實性差的現象，從而在試件內部留下許多滲透通道。因此，在膠凝礫石料填筑過程中，需要特別注意碾壓參數，提高壓實度，從而增強膠凝礫石壩的抗滲性。

圖4 抗滲性試驗結果

3 填筑施工工藝

膠凝礫石料的施工工藝與碾壓混凝土有點類似，但是對骨料的要求比后者低，同時具有單次攤鋪厚度更厚、施工效率更高的特點，膠凝砂礫石壩填筑施工工藝流程見圖5。膠凝砂礫石的澆筑過程需要注意以下幾點：①施工配合比，從上文分析可知，單位用水量和膠凝材料摻量對膠凝砂礫石的工作性能和力學性能有較大影響，特別是單位用水量呈非常顯著影響，工作性能與力學性能之間又存在相互制約的關系，因而單位用水量不能太高也不能太低。根據室內試驗結果，推薦施工配合比為：水120 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率27%；②由于膠凝砂礫石的骨料粒徑較大，一般拌和設備無法滿足膠凝砂礫石的生產要求，因此應該選用設計生產能力較大的拌和設備，建議>200 m3/h；③防滲層、保護層模板的錨固件不宜布置在膠凝砂礫石的碾壓施工區域；④結構縫宜使用預埋瀝青木板法，表層T形止水宜采用銅片止水和橡膠止水兩道止水，銅片止水搭接長度不小于20 mm，安裝允許偏差為±30 mm；⑤膠凝砂礫石在澆筑過程中水化熱較低，可不采取溫控措施。

圖5 膠凝砂礫石澆筑施工流程

4 結 語

采用四因素三水平正交試驗，對膠凝砂礫石的工作性能和力學性能進行了試驗研究。結果表明：①單位用水量對膠凝砂礫石VC值的影響最大，貢獻率達到75%，單位粉煤灰摻量對膠凝砂礫石材料的強度影響最大，砂率對膠凝砂礫石VC值和強度的影響均為不顯著；②膠凝砂礫石材料的抗水滲透性表現為“很好”、“好”、“差”、“很差”4個等級，而抗氣體滲透性表現為“差”或者“很差”兩個等級，單位用水量較小時，表面氣體抗滲性稍好些；③根據室內試驗結果，推薦膠凝砂礫石的施配合比為水120 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率27%；④對膠凝砂礫石的填筑施工工藝進行了詳細分析，并提出了幾點注意事項，可為工程實際施工提供指導。