用水量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

孙明权， 孙政卫， 杨世锋， 柴启辉

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南 郑州 450045)

用水量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

孙明权1,2， 孙政卫1， 杨世锋1,2， 柴启辉1,2

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南 郑州 450045)

胶凝砂砾石材料是一新型筑坝材料，拥有广阔的发展前景。用水量是影响胶凝砂砾石强度的重要因素。通过抗压强度试验分析用水量对胶凝砂砾石抗压强度的影响，得出：最优用水量随胶凝材料掺量的增大而增大，随砂率的增大而增大，最优用水量为85～125 kg/m3；最优水胶比随胶凝材料用量的增加而减小，随龄期的增加呈减小的趋势，最优水胶比为0.95～1.35。用水量对抗压强度的影响仅次于水泥用量，在施工过程中，应将其作为胶凝砂砾石材料的一项重要参数来控制，以保证胶凝砂砾石材料的性能。

胶凝砂砾石；砂率；最优用水量；水泥掺量；粉煤灰掺量

1 胶凝砂砾石材料抗压强度试验设计

1.1 试验原材料

水泥采用425#普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用二级粉煤灰，拌合与养护用水均为自来水。所用试验砂砾石料来自北汝河料场，对其进行筛分，其中胶凝砂砾石材料二级配中石子(20～40 mm)与小石子(5～20 mm)的比例为6∶4。

1.2 配合比设计

本次试验中，为了研究胶凝砂砾石材料的用水量与水泥掺量、粉煤灰掺量、砂率、龄期之间的关系[3-4]，参照文献[5]，试验配合比主要设计参数如下：

1)表观密度：2 350 kg/m3。

2)用水量为70～130 kg/m3,取值间隔为10 kg/m3。

例如在小学阶段，教师需要能够结合课堂当中的一切条件，针对学生进行英语语素的传递，并让学生产生多种感受，形成语感。家长也可以在过程中配合学习，通过参加英语夏令营等互动，逐步引导学生，培养学生形成音素认识。

3)在研究用水量与水泥用量关系的试验中，粉煤灰用量为40 kg/m3，砂率为0.2，水泥用量分别取40、50、60 kg/m3。

4)在研究用水量与粉煤灰用量关系的试验中，水泥用量为50 kg/m3，砂率为0.2，粉煤灰用量分别取30、40、50 kg/m3。

5)在研究用水量与砂率关系的试验中，水泥用量为50 kg/m3，粉煤灰用量为40 kg/m3,砂率分别取0.1、0.2、0.3、0.4。

1.3 试验标注说明

下文中胶凝砂砾石材料的配合比中的4个数据依次表示水泥用量、粉煤灰用量、砂率、龄期，其中符号C表示水泥用量，符号F表示粉煤灰用量。

2 用水量对胶凝砂砾石材料抗压强度的影响

2.1 用水量与水泥用量的关系

水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度影响很大，它是影响胶凝砂砾石材料成本的主要材料，在研究水泥用量与最优用水量关系的试验中，胶凝砂砾石材料的配合比为：粉煤灰用量40 kg/m3，砂率0.2，水泥用量分别取40、50、60 kg/m3，试验结果分别如图1和图2所示。

图1 不同水泥掺量下用水量与28 d抗压强度的关系

图2 不同水泥掺量下用水量与90 d抗压强度的关系

由图1和图2可知：①当抗压强度达到最大值时，对应的用水量为最优用水量，故每组配合比都存在最优用水量；②最优用水量随水泥掺量的增加而增大，砂率为0.2时，水泥掺量增加10 kg/m3时，最优用水量增加 10 kg/m3；③水泥用量对抗压强度的影响较明显。

出现上述情况的原因是，当胶凝材料和砂率一定时，随着用水量的增加，胶凝砂砾石拌合物经历由干涩到湿润的变化，水在砂砾石颗粒之间的润滑作用比较明显，因此振捣压实变得容易。当用水量过多时，虽然有利于对材料的振捣压实，但是部分留在内部的水具有稀释作用，使胶凝砂砾石材料的胶结能力下降，从而使胶凝砂砾石材料的强度降低；若用水量较小时，胶凝砂砾石拌合物会干涩，近似散粒状，振捣压实会非常困难，胶凝砂砾石的抗压强度将降低。

对龄期为28、90 d的材料拟合，得出每种配合比的胶凝砂砾石材料的最优用水量与最优水胶比，具体结果见表1。由表1可知，最优水胶比随水泥用量的增加而减小；最优用水量、最优水胶比随龄期的增加呈减小趋势。原因是，胶凝砂砾石材料前期含有参与水化反应的水和外界环境湿度交换的水，随着时间的增长，胶凝砂砾石材料与外界环境交换的水量减少，所以其需水量随着龄期的增加呈减小的趋势。

表1 最优用水量与水泥用量、龄期的关系

2.2 用水量与粉煤灰的关系

一定掺量粉煤灰对于改善胶凝砂砾石材料的和易性和防止粗骨料分离是非常重要的。粉煤灰的使用不仅可以降低材料成本，而且有助于胶凝砂砾石材料后期强度的增加。在研究粉煤灰用量与最优用水量关系的试验中，胶凝砂砾石材料的配合比为：水泥用量50 kg/m3，砂率0.2，粉煤灰用量分别取30、40、50 kg/m3，试验结果如图3和图4所示。

图4 不同粉煤灰掺量下用水量与90 d抗压强度的关系

由图3和图4可知：①胶凝砂砾石材料的最优用水量随粉煤灰掺量的增加而增大，砂率为0.2时，水泥掺量增加10 kg/m3时，最优用水量增加10 kg/m3；②从增加粉煤灰用量10 kg/m3，增加用水量10 kg/m3对胶凝砂砾石材料的抗压强度影响的试验结果可以看出，用水量对抗压强度的影响明显。

对龄期为28、90 d的材料拟合，得出每种配合比的胶凝砂砾石材料的最优用水量与最优水胶比，结果见表2。

表2 最优用水量与粉煤灰用量、龄期的关系

由表2可知，胶凝砂砾石材料的最优水胶比随粉煤灰用量的增加而减小，最优用水量和最优水胶比随龄期的增加呈减小趋势。

2.3 砂率与用水量的关系

砂率的变化使胶凝砂砾石材料的孔隙率和总表面积发生改变，影响胶凝砂砾石材料填充的密实性，对胶凝砂砾石材料拌合物的强度有一定的影响。在研究砂率与最优用水量的关系试验中，胶凝砂砾石材料的配合比采用水泥用量50 kg/m3，粉煤灰用量40 kg/m3，砂率分别取0.1、0.2、0.3、0.4，试验结果如图5所示。

图5 不同砂率下用水量与28 d抗压强度的关系

由图5可知：①当胶凝材料一定时，不同砂率条件下，每种配合比的胶凝砂砾石材料都存在最优用水量；②最优用水量随砂率的增大而增大，砂率每增加0.1，胶凝砂砾石材料的用水量增加10 kg/m3。

出现上述情况的原因是：当砂率较小时,砂浆量没有全部包裹胶凝砂砾石粗骨料的表面和填充骨料间的空隙,砂浆体积与粗骨料空隙体积比值较小，出现了骨料分层现象；当砂率较大时,胶凝砂砾石骨料中细颗粒料增多，骨料的总表面积和空隙率增加，流动性变差，空隙率增多，骨架疏松，胶结力降低，胶凝砂砾石的抗压强度随之降低。

对龄期为28 d的胶凝砂砾石材料进行拟合，得到每种配合比的胶凝砂砾石材料的最优用水量与最优水胶比，具体结果见表3。由表3可知,最优用水量和最优水胶比随砂率的增加而增大。

表3 最优用水量与砂率的关系

2.4 砂率与压实密度的关系

胶凝砂砾石材料的压实密度与强度、耐久性、抗渗性等性能有密切关系。在研究砂率与压实密度关系的试验中，配合比如下：水泥用量50 kg/m3，粉煤灰用量40 kg/m3，砂率分别取为0.1、0.2、0.3、0.4，试验结果如图6所示。

由图6可知：①对于每组配合比的胶凝砂砾石材料，其压实密度先随用水量的增加而增大，当其压实密度达到最大值后，随用水量的增加呈减小的趋势；②其压实密度的峰值先随砂率的增大而增大，此后随砂率的增大而减小。

出现上述情况的原因是：当砂率为0.1时，砂浆量没有全部包裹胶凝砂砾石粗骨料的表面和填充骨料间的空隙,骨料的和易性和密实性降低,从而其压实密度也降低；当砂率为0.2时，拌合物获得最大流动性且能保持好的黏滞性、保水性，此时的砂率最优，压实密度最大；当砂率为0.3时，骨料中细颗粒料较多，总表面积和空隙率增加，降低了拌合物的流动性，从而胶凝砂砾石的密度减小；当砂率为0.4时，胶凝砂砾石中未被胶凝材料浆体包裹的砂较多，未被黏结的砂较多，拌合物的颜色偏向砂的颜色，流动性较差，空隙率增大，从而材料的压实密度降低。

3 结语

根据用水量随胶凝材料、砂率的变化规律，可以推算出胶凝砂砾石每组配合比的最优用水量为85～125 kg/m3，最优水胶比为0.95～1.35。根据每组配合比拟合结果，抗压强度与用水量间是多项式函数关系，且相关性在0.85以上。在实际工程中，应将用水量作为胶凝砂砾石材料的一项重要参数来控制，准确测定胶凝砂砾石材料的含水率，并根据含水率对胶凝砂砾石材料的影响结果，对用水量做出相应调整，以使胶凝砂砾石材料的性能达到最优。

[1]邢振贤，张正亚，王静，等．超贫固结砂砾料碾压混凝土的合理水灰比[J]．人民长江，2008，39(5)：72-73．

[2]冯炜，贾金生，马锋玲．胶凝砂砾石材料配合比设计参数的研究[J]．水利水电技术，2013,44(2):55-58.

[3]孙明权,杨世锋,张镜剑.超贫胶结材料本构模型[J].水利水电科技进展,2007,27(3):35-37.

[4]彭成山,张学菊,孙明权.超贫胶结材料特性研究[J].华北水利水电学院学报,2007,28(2):26-29.

[5]南京水利科学研究院，中国水利水电科学研究院.水工混凝土试验规程：SL 352—2006[S].北京：中国电力出版社，2006.

(责任编辑：杜明侠)

Effect of Water Consumption on Compressive Strength of Cemented Sand and Gravel Material

SUN Mingquan1,2, SUN Zhengwei1,YANG Shifeng1,2, CHAI Qihui1,2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Collaborative Innovation Center of Water Resources Efficient Utilization and Protection Engineering， Zhengzhou 450045, China)

Cemented sand and gravel (CSG) material is a new type of dam material, has broad prospects for development. Water consumption is an important factor affecting the strength of cemented sand and gravel material. In this paper, the compressive strength test was conducted to analyze the effect of water consumption on the compressive strength of cemented sand and gravel material. The results show that the optimal water consumption increases with the increase of CSG material content, and increases with the increase of sand ratio, the optimal water consumption was 85～125 kg/m3. The optimal water-binder ratio decreases with the increase of the dosage of CSG material, and decreases with the increase of the age. The optimal water-binder ratio was 0.95～1.35. The effect of water consumption on compressive strength is second only to cement consumption. In the construction process, the importance of water should be fully aware of. As an important parameter of CSG material, the strength can be exerted and the quality of the project can be ensured.

cemented sand and gravel material; sand ratio; the optimal water consumption; cement content; the content of fly ash

2016-10-01

水利部公益性行业专项项目(201301025)。

孙明权(1955—),男,河北诼鹿人,教授,从事水工结构方面的研究。E-mail:sunmingquan@ncwu.edu.cn。 孙政卫(1988—)，男，河南林州人，硕士研究生，从事水工结构方面的研究。E-mail:932426170@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.013

TV42+2

A

1002-5634(2017)01-0064-04