骨料级配对胶凝砂砾石抗压强度影响试验研究

库热西·艾孜孜，张傲齐，朱炎宁

（中建西部建设股份有限公司，新疆　乌鲁木齐 830000）

骨料级配对胶凝砂砾石抗压强度影响试验研究

库热西·艾孜孜，张傲齐，朱炎宁

（中建西部建设股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

通过对搜集到的新疆地区 18 组水利工程筑坝用砂砾石级配进行整理和分析，依据 18 组砂砾石级配曲线，试验中砂砾石细骨料含量取平均值并保持不变，分别改变砂砾石粗细骨料级配（取上、下包线和平均线），得知砂砾石的粗骨料和细骨料单独改变时对胶凝砂砾石强度具有一定的影响，为胶凝砂砾石工程建设提供参考。

胶凝砂砾石；骨料级配；抗压强度

0　前言

胶凝砂砾石的英文名称是 Cemented Sand and Gravel，简称 CSG，它是把少量的胶凝材料（掺量为 40～100kg/m³）、天然砂砾石、水以及外加剂拌合、振动。碾压后形成的具有一定抗压强度和抗剪强度的材料，也有一些学者称之为随机级配的混凝土[1-4]。天然砂砾石按颗粒粒径大小可分为粗骨料和细骨料两部分，粗骨料构成胶凝砂砾石的基本骨架，是承受外部压力的主要部分；细骨料是填充胶凝砂砾石骨架孔隙的主要材料，可增加密实度。相关试验研究证明，胶凝砂砾石抗压强度与砂砾石的含砂率（粒径＜5mm 颗粒的含量）和含泥量密切相关[5-7]。这是因为细骨料的比表面积要远远大于粗骨料，需要更多的胶凝材料浆体去包裹颗粒，胶凝砂砾石的胶凝材料掺量较少，因此含砂率和含泥量的影响就更为突出。

国内对胶凝砂砾石骨料级配所做的相关研究，大都是基于混凝土最优级配理论，只着眼于细骨料含量的多少，但是砂砾石粗、细骨料级配的变化对胶凝砂砾石强度究竟是否有影响，有多大的影响，还缺乏相关试验研究。为探究新疆各地区的砂砾石料能否满足工程应用要求，还需要单独从砂砾石的粗细骨料级配与抗压强度关系方面做进一步试验。

1　原材料选择

原材料的组成包括天然砂砾石、水泥、减水剂以及水。经检测，水泥和减水剂的各项技术要求均满足规范要求。

1.1砂砾石料

砂砾石料采用新疆吐鲁番市某处天然砂砾石混合料，经筛分试验可知，砂砾石中砂石的比例变化不大、级配连续，砂砾石的筛分结果见表 1。试验前剔除粒径大于 80mm 的颗粒，并依次筛分为 80～60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25～0.075mm 共 10 个粒径区间部分。0.075mm 粒径以下部分为泥，由于含泥量对 CSG 抗压强度具有较大影响，为减小砂砾石中含泥量带来的试验误差，试验配料时剔除 0.075mm 以下部分。

表1　天然砂砾石筛分结果

1.2水泥

水泥采用新疆青松厂家生产的 P·O42.5，该水泥的各项物理技术性能和化学成分的测定结果见表 2 和表 3。

表2　水泥各项物理力学性能指标

表3　水泥化学成分及熟料矿物成分　　%

1.3减水剂

采用 NF-1 高效减水剂，无引气作用，产品符合 GB 8076—2008《混凝土外加剂》质量标准，经试验，减水剂掺量为水泥质量的 1%。该产品的性能指标如表 4 所示。

表4　NF-1 高效减水剂匀质性指标

1.4试验用水

本文中胶凝砂砾石试验的拌合用水和养护用水均采用乌鲁木齐市自来水。

2　试验设计

（1）对新疆地区 18 组工程中的砂砾石料剔除 80mm 以上粒径颗粒后的级配进行统计分析。细骨料含量取平均值31.2%，并始终保持不变。细骨料级配选平均级配曲线，绘制粗骨料级配的上、下包络线和平均级配曲线，如图 1 所示；同样，粗骨料的级配保持不变，绘制细骨料级配的上、下包络线和平均级配曲线，如图 2 所示。

图2　细骨料级配变化曲线

（2）将筛分好的各粒径的砂砾石按照图 1 和图 2 中的级配曲线进行配料，为减小试验误差，避免含泥量对试验造成的影响，配料时剔除含泥部分，如表 5 所示。

表5　各粒径砂砾石料百分含量　　%

砂子的粗细按细度模数分为粗砂、中砂、细砂和特细砂4 个等级，如表 6 所示。

表6　砂子分类表

对 7 组级配的砂砾石进行统计特征分析，统计特征值如表 7 所示。从表 7 可以看出，7 组砂砾石级配离散程度不大，且级配良好，新疆地区砂砾石细骨料的细度模数都较大，上包线细度模数最小，属中砂。为了突出细度模数对 CSG 强度的影响，特增加对照组，对照组的细骨料掺配而成，经计算其细度模数为 1.8，属细砂。

表7　各组骨料级配特征统计分析

3　试验过程

（1）VC 值试验。VC 值（即工作度），是指在一定的振动频率、振幅和表面压强下，胶凝砂砾石振动至表面完全泛浆所需要的时间。试验室内用维勃稠度仪测定 VC 值，维勃稠度仪是专门用来测定干硬性混凝土的稠度的仪器，但是也可适用于粒径小于 40mm、VC 值在 2～30 秒内的胶凝砂砾石拌合物稠度的测定。分别按上述 7 种砂砾石级配配料、水泥用量均采用 80kg/m³，减水剂掺量为水泥质量的 1%，上述各材料称量后在室内用铁锹干拌，然后加水拌合均匀，用水量根据 VC 值大小来定，初次拌合时用水量偏小一些。将拌合物通过 40mm 的筛子，将筛余部分分三层装入维勃稠度仪的容器中，每层用捣棒插捣 25 下；然后将容器固定在仪器的振动台上，开始测量拌合物的 VC 值。本次试验 VC 值控制在2～5s，若 VC 值偏大，则逐步增加用水量，直至 VC 值满足要求为止；经多次试验，最后确定用水量如表 8 所示。

（2）立方体抗压试块制作。将拌合好的胶凝砂砾石拌合物通过 40mm 的筛子后，将剩余部分分三层装入 150mm× 150mm×150mm 的钢试模中，每层先用捣棒振捣 25 下，然后用重型击实锤击实 35 下，换算成击实功为 0.537J/cm3。两天后脱模，然后用湿润的棉布包裹进行养护，养护温度为(20±2)℃，每天按时洒水，保证试块处于湿润的环境中。

（3）试块抗压强度测定。根据不同的砂砾石料级配共成型7组胶凝砂砾石试件，试件养护 28 天后测定试件的抗压强度。经过计算整理后的试验结果见表 8。

表8　试验结果统计表

4　试验结果分析

（1）从表 7 和表 8 可以看出，由于粗骨料的上包线和平均线级配接近，这两组试块抗压强度差别不大；粗骨料的下包线级配最粗，制作抗压试块时需筛去 40mm 以上粒径的粗骨料，相对来说试块中细骨料含量大于前两组，其抗压强度最小，但差异并不大；在细骨料含量和级配不变的情况下，粗骨料级配的变化对胶凝砂砾石强度影响不大，可以满足工程应用要求。

（2）粗骨料级配固定不变，细骨料细度模数由大到小，由粗砂逐步过渡到细砂，则细骨料比表面积增大，需要更多胶浆来满足包裹度要求。但试验中水泥用量保持 80kg/m³ 不变，用水量逐渐增多，水胶比逐渐增大，故其抗压强度随之降低。从表 7 可以看出，CSG 试块抗压强度明显随着细骨料的细度模数的减小而减小，但减小程度不大，即使对照组中细骨料细度模数减小到 1.8，其抗压强度明显小于前三组，但也在工程可控范围之内。只要工程设计时抗压强度选取合适的安全系数，CSG 工程施工可不考虑细骨料级配变化带来的影响。细骨料的细度模数与试块抗压强度关系曲线如图 3 所示。

图3　抗压强度—细度模数关系曲线

5　结论

（1）细骨料含量和级配不变，粗骨料级配由粗到细逐步改变时，CSG 试块强度变化不大，强度波动在可控制范围内；粗骨料含量和级配保持不变，细骨料由粗到细，细度模数由大到小逐级改变时，CSG 试块强度呈线性减小的趋势，但减小幅度不大，强度设计中只要选取合适的安全系数，即可满足工程需要。

（2）新疆地区砂砾石细骨料的细度模数较大，均为粗砂或中砂，适宜做 CSG 的骨料。根据本试验结果，在新疆地区胶凝砂砾石工程可放宽骨料的选材范围，检测重点为细骨料含量和含泥量。

[1] 贾金生，马锋玲，李新宇，等．胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用[J]．水利学报，2006,37(5): 578-582．

[2] 冯炜，贾金生，马锋玲，等．胶凝砂砾石坝筑坝材料耐久性能研究及新型防护材料的研发[J]．水利学报，2013,44(4): 500-504．

[3] 贾金生，马锋玲，冯炜，等．胶凝砂砾石坝配合比设计及防渗保护层研究[A]．水库大坝建设与管理中的技术进展一中国大坝协会2012学术年会论文集[C]．成都，2012: 442-447．

[4] 刘学章，李宪．胶凝砂砾石坝特点及国外己建工程简介[J].广西水利水电，2011(3): 75-79．

[5] 唐新军，陆述远．胶结堆石料的力学性能初探[J]．武汉水利电力大学学报，1997,30(06): 15-18．

[6] 冯炜，贾金生，马丰铃．胶凝砂砾石材料配合比设计参数的研究[J]．水利水电技术，2013,(06): 55-58．

[7] GB/T 50145-2007，土的分类标准[S]．

［通讯地址］乌鲁木齐市沙依巴克区雅山中路 418 号（830000）

库热西·艾孜孜（1966—），男，高级工程师，主要研究方向：新型建材研发与安全质量管理。