关于贫胶粒材料的应用研究

刘　豫

摘 要：碾压混凝土坝和面板堆石坝是目前坝工界设计采用的的两种主要的筑坝技术。贫胶粗粒料筑坝技术是综合了面板堆石坝和碾压混凝土坝在筑坝材料、结构设计和施工工艺等方面的优点而产生和发展起来的一种新坝型，其采用贫胶凝材料，就地利用开挖弃渣或天然砂砾石料等各种粗粒料，经现场简易拌和，采用振动碾碾压施工的新型筑坝技术，具有就地取材、造价经济、受地质条件限制小、抗震性能好、施工速度快的特点，以及最大程度上避免植被和土地被破坏、对环境影响小、绿色环保的优点，是一种极富潜力的新筑坝技术。同时，做为一种新的设计理念的突破，笔者认为在民用建筑方面也有广阔的应用前景。

关键词：贫胶粗粒料；应用；水工碾压混凝土

1 贫胶粗粒料的性质和特点

1.1 贫胶粗粒料的性质

(1)贫胶粗粒料的性能介于砂石料和混凝土之间：相对于砂石料有较高的抗剪和抗压强度，较高的变形模量和较强的抗冲能力，同时又不像混凝土材料那样要求胶凝材料包裹细骨料并填满粗骨料间隙形成实体；(2)不需要采料场或仅需要就近布置的小规模料场，可以利用开挖弃渣，能够显著降低骨材料成本；(3)能够利用常规混凝土难以利用的低质量骨料：如当地的岩质材料无需或仅需简单的调整即可用于制作贫胶粗粒料，从而有效利用当地材料；(4)贫胶粗粒料的制备仅需要简单的制作设备；(5)贫胶粗粒料的上坝运输、摊铺和振动压实采用与RCC相似的施工工艺；(6)贫胶粗粒料的性质离散性较大且抗渗性相对砼较差。

1.2 贫胶粗粒坝的主要特点

(1)在天然砂石料或开挖弃渣料中掺入少量胶凝材料并经振动碾压形成的贫胶粗粒料，其力学性能介于堆石料和混凝土之间，比堆石料的强度要高，但比混凝土的强度低。材料性质上的特点决定了这种坝型的断面介于重力坝和堆石坝之间。

(2)水泥掺量少是贫胶粗粒料筑坝技术的主要特点之一。低水泥掺量就意味着水化热减小，温升较小。

(3)适于在强震区建设。坝体应力水平较低，大坝整体稳定安全性及抗震安全性都较高。

(4)特别适合于中小型水利水电工程或临时工程：贫胶粗粒料筑坝技术是介于传统土石坝和重力坝之间的一种新筑坝技术，它兼备两种坝型的优点，具有一些自身独特的优势。

2 贫胶粗粒料材料试验研究

2.1 试验方法的选择

根据对贫胶粗粒料特性的初步分析，在材料试验的初步研究基础上可知，贫胶粗粒料的特性介于堆石体与碾压砼之间，但与与碾压砼更为接近，可以说是降低了较大强度指标、防渗能力的碾压砼，因此材料试验研究方法与RCC基本相同。

2.2 实验过程

鉴于贫胶粗粒料的最大粒径为150~250mm，比通常用于水工建筑物的骨料粒径120mm要大，若采用常规的15cm立方体试件做试验，必然需要剔除较大粒径，试验所取得的力学指标可能与实际施工差异较大。为了更好的反映贫胶粗粒料的特性，使试验的数据与工程实际更接近，采用了40cm立方体试件进行试验。笔者在柬埔寨甘再水电站和加纳布维水电站进行了现场实验。

2.2.1 天然砂砾料组原材料

(1)天然砂砾料：取自工地开挖料。

(2)胶凝材料：

水泥、粉煤灰为贫胶粗粒料材料主要胶凝材料，粉煤灰仍为其首选掺合料。

采用42.5MPa普通硅酸盐水泥。粉煤灰使用山东日照粉煤灰。

2.2.2 开挖弃渣组原材料

(1)开挖弃渣：坝基开挖出碴混合料，最大粒径40mm。

(2)胶凝材料

水泥：采用加纳生产的GHACEM42.5Mpa水泥。

粉煤灰：采用山东日照Ⅰ级灰

2.3 贫胶粗粒料配合比设计

笔者就实践用过的围堰设计进行说明。

2.3.1 设计参数

围堰设计基本设计参数：容重≥21.56KN/m³；抗剪断系数c/、f/按实测；渗透系数按实测；胶凝材料用量初拟为60kg/m3～80kg/m3；强度设计龄期按90d。

2.3.2 初拟配合比

围堰胶凝材料总量初拟60kg/m3、70kg/m3、80kg/m3(粉煤灰掺量为50%)，根据我院近年来对贫胶粗粒料材料试验研究，着重研究含砂率在20%～40%间波动时，抗压强度与砂率关系。初定配合比如下表。

2.4 贫胶粗粒料性能

2.4.1 拌合物性能

下表列出了三种砂率配比的贫胶粗粒料材料拌和效果。成型后的试件表面基本密实。

贫胶粗粒料为低胶凝材料的混凝土，水具有一定的润滑作用，低Vc值能使其更易泛浆形成凝聚体，可碾性较好。故贫胶粗粒料Vc值宜控制在5s左右。

2.4.2 抗压强度

初拟4种贫胶粗粒料配比，采用40cm×40cm×40cm试件尺寸，进行了28d、90d、180d抗压强度试验。

任一贫胶粗粒料配合比其强度随龄期增长而增加，180d后增长趋缓。若以180d龄期的强度为100%，则各龄期的强度增长率大致为：28d为40%～52%；90d为67%～81%，360d为105%～115%。

贫胶粗粒料材料强度依赖于胶凝材料用量，同一种砂率，强度随胶凝材料用量的增加而有较大幅度的增长。相同胶凝材料用量下，不同砂率配比的强度随砂率的增加而明显减少。结合多年来工程贫胶粗粒料材料试验结果，不同龄期时抗压强度与砂率间的关系曲线见图。

2.4.3 抗剪断参数

注：上表中抗剪断试件的配合比为水泥35kg/m³、粉煤灰35kg/m³采用开挖料

2.4.4 弹性模量和极限拉伸值

贫胶粗粒料弹性模量随砂率增加而减少，180d龄期时，在8300MPa～13520MPa间。贫胶粗粒料材料和普通混凝土一样是弹塑性材料。当最大压缩荷载没有超过贫胶粗粒料材料的线性极限强度时，贫胶粗粒料材料呈现出弹性状态。

由于贫胶粗粒料材料浆体很少，它的抗拉强度低，变形性能小。极拉强度随砂率增加而明显减少，极限拉伸值相对来说变化不甚明显。

2.4.5渗透性能

从渗透系数试验结果可以看出，砂砾料的渗透系数在10-2～10^-3数量级间，属半透水材料，其渗透系数与砂率大小成反比；由于砂率较小时，砾石间空隙率大，存在渗水通道，而砂多时，内部骨料不架空，渗透系数略小。贫胶粗粒料的渗透系数在10-5～10-6数量级间，同样胶凝材料用量下，贫胶粗粒料的渗透系数与砂率成正比，主要得益于砂率小时，贫胶粗粒料的强度较高，抗渗能力强。

3 结论与建议

(1)贫胶粗粒料是具有一定强度的干硬凝聚体，其容重在22.05KN/m³～23.52KN/m³范围内。当混合砂砾料含砂量在20%～40%范围时，贫胶粗粒料与碾压混凝土一样是由粗骨料分散在砂浆中所组成的两相材料，其中砂浆为连续相，粗骨料为分散相。

(2)同一龄期下，贫胶粗粒料强度是胶凝材料用量、砂砾石级配、用水量关系的函数。贫胶粗粒料强度不仅取决于水灰比，还与贫胶粗粒料中的可碾性指标浆砂比关系密切。选取合适砂率有利于强度以及渗透等耐久等性能。若砂率增大，浆砂比减小，骨料总比表面积较大，拌合物需水量明显增大，同时贫胶粗粒料为贫浆混凝土，浆体不足以填充细骨料间的空隙，混凝土略显疏松，振动不易液化泛浆，可碾性差，强度降低较多。

(3)180d龄期时，贫胶粗粒料弹性模量达到10000MPa以上，贫胶粗粒料单轴抗压应力～应变关系表明，贫胶粗粒料和普通混凝土一样是弹塑性材料。当最大压缩荷载没有超过贫胶粗粒料的线性极限强度时，贫胶粗粒料呈现出弹性状态。

(4)贫胶粗粒料浆体很少，抗拉强度低，变形性能小。极限拉伸强度随砂率增加而明显减少，极限拉伸值相对来说变化不甚明显。180d龄期时，砂率从20%～31%(天砂砾料)～40%，相应的轴拉强度变化为0.78MPa～0.52MPa～0.44MPa，极拉值变化范围为0.70×10^-4～0.60×10^-4～0.63×10^-4。

(5)渗透系数试验结果表明贫胶粗粒料的渗透系数在10^-5～10^-6数量级间。

(6)贫胶粗粒料母材：坝址附近天然砂砾石可开挖料来源丰富，平均含砂率31%左右，天然料场成层交替分布，均匀性尚可，天然料场中砾石呈连续分布，颗粒级配比较理想。试验结果表明当采用骨料最大粒径为400mm时，天然砂砾料含砂量在20%～27%范围时，强度随砂率增加降低幅度较小；砂率在27%～35%时，可适当增加水泥用量来提高强度；含砂率大于35%时对强度影响较大，需将天然砂砾料简单筛除后再利用。

笔者所在工地采用该种材料进行了约20Km的路面硬化，应用该材料作为27.5m高的过水围堰材料，取得了良好的经济效益。因此，笔者认为，在条件许可的情况下，该种材料可在适当范围内推广。