水泥掺量与骨料性质对超贫混凝土力学特性影响

陈 婷

(新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队,新疆 昌吉 831100)

水泥掺量与骨料性质对超贫混凝土力学特性影响

陈 婷

(新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队,新疆 昌吉 831100)

为分析水泥掺量、骨料最大粒径和骨料形状特性对超贫混凝土强度和模量的影响，对超贫混凝土开展了单轴压缩试验，试验结果表明：超贫混凝土单轴抗压强度和模量与水泥掺量均呈线性关系，随水泥掺量增大，超贫混凝土单轴抗压强度和模量均增大；随骨料最大粒径增大，超贫混凝土单轴抗压强度和模量均增大；骨料为角砾的超贫混凝土单轴抗压强度与模量均大于骨料为圆砾的超贫混凝土。

超贫混凝土；水泥掺量；骨料最大粒径；骨料形状

超贫混凝土是指将开挖料直接与水和胶凝剂拌合而形成的具有较高强度的材料。超贫混凝土由于其强度高、材料获取方便、经济成本低等优点，在筑坝、施工围堰等工程中应用广泛。近年来大量的胶结砂砾石坝(CSG坝)相继修建，CSG坝具有工程造价低且环保等特点，CSG坝的筑坝材料为一种典型的超贫混凝土。因此，对超贫混凝土力学特性进行研究具有重要意义。

近年来，随着超贫混凝土在实际工程中的应用不断广泛，国内外专家学者开展了大量研究。唐新军等[1]认为超贫混凝土兼具粗粒料与混凝土两种材料特性，其单轴抗压强度与骨料级配、含水率、胶凝剂掺量以及压实度等[2-6]因素有关，其中胶凝剂掺量和含石量是主要影响因素，此外，掺入粉煤灰后超贫混凝土能改善其结构特性，在一定粉煤灰掺量范围内，随粉煤灰掺量增大，超贫混凝土抗压强度增大；Kuwano等[7]研究了高围压和超长养护龄期耦合作用对超贫混凝土力学特性的影响，试验研究结果表明，超贫混凝土强度与变形特性指标随围压增大均增大，试样剪胀性越强；Haeri等[8]研究了水泥掺量对超贫混凝土破坏模式的影响，水泥掺量较小时，超贫混凝土表现为剪缩特性，试验主要为剪切破坏，水泥掺量超过一定水平时，超贫混凝土具有剪胀特性，试样表现为鼓胀破坏。Hirose等[9-11]研究了超贫混凝土的应力应变关系曲线特征，认为超贫混凝土的强度发展可分为三个阶段：第一阶段随应变增长超贫混凝土偏应力逐渐增大，其强度与变形呈线性关系，超贫混凝土表现为弹性特性，第一阶段的终止点偏应力称为弹性极限强度；第二阶段，随应变增长超贫混凝土偏应力逐渐增大，其强度与变形呈非线性关系，这是由于超过超贫混凝土弹性阶段，其产生了塑性变形，表现出了较强的非线性特性，第二阶段的终止点偏应力称为峰值强度；第三阶段，随应变增长超贫混凝土偏应力逐渐减小，这是由于超过超贫混凝土峰值强度，试样结构被破坏，第三阶段的终止点偏应力称为残余强度。

综上所述，超贫混凝土作为一种新材料，国内外对此进行了大量研究，并取得了许多成果，然而这些研究尚不够完全，有许多地方尚未涉及，如骨架最大粒径和形状对超贫混凝土力学特性的影响研究有待进一步研究补充。

本文根据对不同水泥掺量、不同骨料最大粒径和不同骨料形状超贫混凝土所进行的单轴压缩试验，研究了水泥掺量，骨料最大粒径以及骨料形状对其强度和模量的影响。

1 试验材料与程序

1.1 试验材料

试验所用角砾料为爆破料，圆砾料为天然鹅卵石，将试验材料取回后筛分备用，骨料最大粒径分别为20 mm、10 mm、5 mm和2 mm，不同最大粒径骨料按相似级配法进行配置，不同最大粒径骨料级配如图1所示。水泥采用PC32.5R，水泥3 d抗折强度大于3.5 MPa，抗压强度大于16 MPa，试验用水为蒸馏水。

图1 级配曲线

1.2 试验程序

试验分为两组，第一组为探讨水泥掺量对超贫混凝土力学特性的影响，水泥掺量分别2%、3%、4%和5%，骨料最大粒径为5 mm，骨料形状有圆砾和角砾两种；第二组为探讨骨料最大粒径对超贫混凝土力学特性的影响，骨料最大粒径分别为20 mm、10 mm、5 mm和2 mm，骨料形状有圆砾和角砾两种。将水泥与骨料充分混匀后加入适量的水，水灰比为2∶1，搅拌均匀后分五层填筑于模具成型，模具尺寸为长×宽×高=200 mm×200 mm×100 mm，成型后24 h脱模，脱模后置于标准养护室养护，养护龄期为28 d。达到养护龄期后，将试样取出进行单轴压缩试验，试验仪器为应变控制式单轴压缩仪，剪切速率为0.1 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 水泥掺量影响

为分析水泥掺量对超贫混凝土强度与变形特性影响，对水泥掺量为2%、3%、4%和5%的超贫混凝土进行单轴压缩试验，试验结果如图2和图3所示，图2为超贫混凝土单轴抗压强度与水泥掺量关系曲线，图3为超贫混凝土变形模量与水泥掺量关系曲线。

由图2可知，随水泥掺量增大，超贫混凝土单轴抗压强度逐渐增大，超贫混凝土单轴抗压强度与水泥掺量呈线性关系，这是由于水泥水化物能够联结骨料，形成强度较高的结石体，抵抗外部荷载，使得其单轴抗压强度增大；不同水泥掺量下，骨料为角砾的超贫混凝土单轴抗压强度大于骨料为圆砾的超贫混凝土单轴抗压强度，这是由于角砾具有大量棱角，能增大颗粒间咬合作用，此外，相比于圆砾，水泥水化物与角砾联结更容易，更容易形成强度较高的结构。

由图3可知，随水泥掺量增大，超贫混凝土变形模量逐渐增大，这是由于水泥掺量越高，水泥与骨架形成的结石体越稳定，其抵抗变形能力越强，变形模量越高；不同水泥掺量下，骨料为角砾超贫混凝土变形模量大于骨料为圆砾超贫混凝土变形模量，这是由于，角砾间咬合更紧密，其在外部荷载作用下抵抗变形能力越强，变形模量越大。

图2 单轴抗压强度与水泥掺量关系曲线

图3 变形模量与水泥掺量关系曲线

2.2 骨料最大粒径影响

为分析骨料最大粒径对超贫混凝土强度与变形特性影响，对骨料最大粒径为20 mm、10 mm、5 mm和2 mm的超贫混凝土进行单轴压缩试验，试验结果如图4和图5所示，图4为超贫混凝土单轴抗压强度与骨料最大粒径关系曲线，图5为超贫混凝土变形模量与骨料最大粒径关系曲线。

由图4可知，骨料在2～20 mm之间时，随骨料最大粒径增大，超贫混凝土单轴抗压强度逐渐增大，这是由于骨架最大粒径增大，骨料比表面积减小，试样胶结作用增强，试样单轴抗压强度越高；骨料粒径相同时，骨料为角砾超贫混凝土单轴抗压强度大于骨料为圆砾超贫混凝土单轴抗压强度。

由图5可知，随骨料最大粒径增大，超贫混凝土变形模量逐渐增大，这是由于，骨架粒径越大，颗粒间骨架作用越明显，超贫混凝土越不容易发生变形，其变形模量越大；骨料粒径相同时，骨料为角砾超贫混凝土变形模量大于骨料为圆砾超贫混凝土变形模量。

图4 单轴抗压强度与骨料最大粒径关系曲线

图5 变形模量与骨料最大粒径关系曲线

3 结 论

针对不同水泥掺量、不同骨料最大粒径和不同骨料形态超贫混凝土开展单轴压缩试验，分析了水泥掺量、骨料最大粒径和骨料形态对超贫混凝土强度和变形模量的影响，主要结论如下：

(1)随水泥掺量增大，超贫混凝土单轴抗压强度和变形模量均增大，且超贫混凝土单轴抗压强度与水泥掺量呈线性关系。

(2)骨料最大粒径对超贫混凝土力学特性有影响，骨料在2～20 mm之间时，随骨料最大粒径增大，超贫混凝土单轴抗压强度和变形模量均增大。

(3)骨料形状对超贫混凝土力学特性有影响，骨料为圆砾超贫混凝土单轴抗压强度和变形模量均小于骨料为角砾超贫混凝土。

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陈 婷(1986-)，女，新疆沙湾人，工程师，研究方向为岩土工程、混凝土工程。E-mail:137477424@qq.com。

TU528

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：2096-0506(2017)08-0056-03