不同类砂岩材料的配比优化方案及其强度试验

赫荣富

(辽宁泽成水利工程检测服务有限公司，辽宁 新民 110300)

相对模拟试验由于其成本较低，指标控制效果较佳，近些年来成为类砂岩材料配比方案及强度试验的主要方式。类砂岩由于和砂岩的材料特性及强度较为相近，且成本远低于砂岩材料，在水利工程中得到广泛应用，但是不同配比方案对类砂岩的特性影响较大，需要确定类砂岩的最优配比方案，从而获得性能最佳的类砂岩材料。在配比方案中，对类砂岩材料特性及强度影响的要素较多且十分复杂，为此需要对各影响因素进行敏感性分析，从而确定影响的主导因素，提高配比方案的使用效果。极差敏感法在许多材料特性影响因素敏感性分析中得到应用，但是在类砂岩材料特性影响敏感因素分析中应用还较少，为此本文结合极差敏感法，采用相对模拟试验，对类砂岩材料特性的主要敏感因素进行分析，并探讨不同类砂岩材料的最优配比方案。研究成果对于水利工程建设中类砂岩材料配比具有重要的参考价值。

1 材料选定及配比方案设计

综合国内外常用的类砂岩配比方案研究成果可看出，类砂岩主要选用水泥、石灰石、石膏、外用添加剂、重水晶石英进行原材料的配比。充分考虑各原材料的主要功能后，类砂岩配比中骨料主要选用1.45mm的筛子进行筛选，采用水泥进行强胶效果的强度分析。此外，考虑到类砂岩材料的导热性能，将外加剂铁粉的细度控制在25um之内。两种类砂岩材料的主要物理学参数见表1。为实现类砂岩和砂岩特性相近，采用总量控制以及正交相对模拟试验方式对各类砂岩进行配比方案的设计，各影响因素所占的配比方案及比例见表2—3。

表1 类砂岩的主要物理学参数表

表2 各类型类砂岩相似材料的正交试验设定值

表3 相对模拟试验方案的设计

2 试验结果分析

2.1 各影响因素测试结果

对各类型砂岩材料不同试验方案下的影响指标进行测定，试验测定结果见表4。

采用相似试验的方式，通过设定10种试验方案，对各类型砂岩的主要4种特性指标进行分析，从试验分析结果可看出，各试验方案粗粒石英砂岩的饱和密度逐步增加，在2.032～2.162g/cm3之间变化；中粒红砂岩的饱和密度要高于粗粒石英砂岩，其饱和密度在2.056～2.189g/cm3之间变化。两种类砂岩各方案声波波速变化较小，在1435～1994m/s之间变幅。导热系数是类砂岩的主要表征特性参数，从各方案类砂岩的导热系数可看出，其总体变幅较小，导热系数受外界影响变化较小。单轴抗压强度是类砂岩强度的重要特性参数，从表4中可看出，各方案类砂岩的单轴抗压强度在15MPa以上，具有较强的抗压强度。

2.2 各影响因素敏感性试验分析结果

采用极差敏感法对类砂岩4种主要影响因素进行敏感性分析，不同类砂岩的影响敏感因素分析结果如图1—2所示。

表4 不同类砂岩材料不同试验方案下的影响指标试验测定结果

图1 粗粒石英砂岩不同影响因素敏感性直观分析结果

图2 中粒红砂岩不同影响因素敏感性直观分析结果

从图1粗粒石英砂岩的饱和度敏感分析结果可看出，骨料与水泥的质量比(B)对饱和密度影响最为敏感，当骨料与水泥质量比增大5%，类砂岩的饱和密度降低16%。而水灰比(A)的影响程度最弱，敏感性最低，从图2中粒红砂岩的饱和密度敏感性分析结果中也可看出这一试验规律。由饱和密度的敏感性分析排序可看出，骨料与水泥差的质量比(B)>铁粉的掺入质量的百分比(C)>水灰比(A)。从两种类砂岩声波波速的敏感性分析结果可看出，对声波波束影响最为敏感的因素为骨料与水泥的质量比，而随着声波波速的增加，其骨料与水泥的质量比逐步减少，骨料整体含量对于类砂岩的整体声波穿透性能具有较好的调控作用。从导热系数的敏感性分析结果可看出，外加剂如掺入铁粉质量的增加将使得导热系数影响度显著增强。单轴抗压强度是类砂岩强度的主要指标，从其敏感性分析结果可看出，骨料与水泥质量比以及水灰比对单轴抗压强度影响程度均较大，对其抗压强度而言，以上两个因素配比的合理控制将使得其抗压强度显著增大，当骨料与水泥质量比增大5%，类砂岩单轴抗压强度分别增加21%。

2.3 各类型砂岩最优配比方案的确定

结合饱和密度、声波波速、导热系数以及单轴抗压强度分别作为因变量，将各配比方案作为自变量，建立两种类砂岩的线性自回归方程，见方程(1)和(2)，并通过综合对比确定各类砂岩的最优配比方案，并对其材料特性及强度进行分析，结果见表5—6。

粗粒石英砂岩线性回归方程为：

(1)

中粒红砂岩线性回归方程为：

(2)

表5 不同类砂岩最优配比方案

表6 原料砂岩与类砂岩材料参数对比结果

结合各试验方案的4种类砂岩主要特征影响指标和对应的配比方案，建立各类砂岩的多元回归方程。根据多元回归方程可以对各配比方案的类砂岩进行相似试验分析，综合考虑各试验材料的配比方案，确定不同类型下类砂岩的最优配比方案，骨料与水泥的质量比为0.51，渗入铁粉的质量百分比达到6.5%时粗粒石英砂岩的配比方案为最优，而水灰比为0.52；骨料与水泥的质量比为0.48，渗入铁粉的质量百分比达到7.2%时中粒红砂岩的配比方案为最优。从相似材料的特征分析结果可看出，最优配比方案各类砂岩的特性材料和原料砂岩的特性较为接近，单轴抗压强度均可达到25MPa以上，满足最优抗压需求。

3 试验结论

(1)骨料含量对于类砂岩整体声波波速穿透性能具有明显调控性，在实际工程施工中应控制好骨料含量的配比，外加剂中铁粉对于类砂岩的导热性能影响显著，其含量对于类砂岩材料热学参数的配比影响较大。

(2)为达到和原料砂岩较为相近的特性指标，需要重点控制骨料与水泥以及水灰比2个配比的含量，铁粉的掺入量对其强度提升影响不显著。

(3)本文只探讨了2种常用的类砂岩类型的最优配比方案，其他类砂岩最优配比还未进项相关探讨，在以后的研究中还需要针对更多类砂岩的配比最优方案进行深入研究。