胶凝砂砾石材料特性及填筑工艺研究

吴海燕

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 831100)

0 引 言

胶凝砂砾石作为一种高水胶比、低胶凝材料用量的经济环保型筑坝材料，其填筑施工工艺与混凝土碾压施工近似，很多单位都积累了比较丰富的施工经验，而且对骨料的要求比后者低，同时具有单次摊铺厚度更厚、施工效率更高的特点，因而在水利工程建设中越来越受到重视和应用[1-2]。

由于胶凝砂砾石材料的最大骨料粒径可达150 mm，甚至300 mm，因此在填筑施工过程中需要大型施工机械进行振动碾压才能将其压实。目前，关于胶凝砂砾石的研究大多数都是采用单因素轮换分析法[3-6]，这种试验得出的结论与实际应用之间还存在一定的差异，研究成果的转化利用率较低。因此，开展多因素多水平协同作用下的胶凝砂砾石材料性能研究，对于推动胶凝砂砾石的实际工程应用具有重要意义。

本文采用四因素三水平正交试验，对单位用水量、单位水泥用量、单位粉煤灰用量以及砂率4种因素协同作用下的工作性能和力学性能进行试验研究，以期能为指导工程实践提供帮助。

1 试验概况

1.1 原材料

胶凝材料：主要包括PO42.5R普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰。水泥密度为3.16 g/cm3，主要化学成分为CaO、SiO2和Al2O3，占比分别为58.5%、24.7%和4.5%，初凝和终凝时间分别为205和249 min，3 d和28 d抗压强度分别为22.8和43.6 MPa；粉煤灰主要化学成分为SiO2、Fe2O3和Al2O3，占比分别为56.6%、7.6%和21.3%，密度为2.1 g/cm3，比表面积3 400 cm2/g，需水比为102%。细度为18%，烧失量为3.6%。

骨料：粗骨料为二级配天然卵石，质量比：小石(5～20 mm)：中石(20～40 mm)=3∶1，堆积密度为1 711 kg/m3；细骨料为天然河砂，细度模数为2.8，中砂，级配分区为Ⅱ区，级配曲线见图1。

图1 砂料颗粒级配

水：当地自来水，pH=6.6，密度为1 000 kg/m3。

外加剂：选用聚羧酸系 PCA-HPWR高效减水剂，减水率为37%。

1.2 配合比设计

采用正交试验方法，将单位用水量、单位水泥用量、单位粉煤灰用量以及砂率4种因素作为变量，单位用水量分别为110、120和130 kg/m3，单位水泥用量分别为60、70和80 kg/m3，单位粉煤灰用量分别为60、70和80 kg/m3，砂率分别为24%、27%和30%，从而构建四因素三水平的正交试验配比方案，见表1。

表1 正交试验配比方案

续表1

1.3 试验过程

原材料拌和：按照试验配比称取各种原材料，首先投入水泥、粉煤灰和砂搅拌0.5 min，然后加入1/2的水搅拌0.5 min，接着加入粗骨料、减水剂以及剩余的1/2水搅拌3 min，最后将搅拌好的胶凝砂砾石料静置10 s后卸料。

VC值试验：VC值主要反映胶凝砂砾石料的工作性能。实验仪器主要使用VBR-2数显维勃稠度仪，VC值测试应在胶凝砂砾石料拌和完成20 min内进行，取两次实验值的平均值作为最终结果。

强度试验：将拌和好的胶凝砂砾石料做成150 mm×150 mm×150 mm的正方体试件，然后在标准养护箱中养护60 d，取出试件后在万能试验机上进行单轴抗压试验，试验荷载加载速率为5 kN/s。

抗渗试验：分为两个部分，一部分进行气渗性试验，一部分进行水渗性试验，实验仪器均采用Autoclam全自动渗透性测试仪。根据渗透试验结果，划分为“很好”、“好”、“差”、“很差”4个等级，对应的渗透系数情况见表2。

表2 渗透系数等级划分

2 试验结果分析

2.1 VC值

胶凝砂砾石材料的VC值试验结果见图2。从图2中可以看到，相同单位用水量情况下，胶凝砂砾石材料的VC值呈锯齿状降低，水胶比越小，VC值越小，单位用水量对VC值呈显著性影响，单位用水量每增加1 kg/m3，VC值平均降低0.44 s；而砂率与水泥、砂率与粉煤灰之间的交互影响对胶凝砂砾石的影响不显著；从整体变化趋势来讲，4种因素对胶凝砂砾石的VC值影响程度从大到小依次排序为：单位用水量>单位粉煤灰用量>单位水泥用量>砂率，水对VC值的贡献率达到75%，而砂率对VC值的贡献率仅为0.08%；VC值并不是越大越好，根据试验结果分析认为，当水、粉煤灰、水泥和砂率的掺量分别为110、60、60 kg/m3和24%时，胶凝砂砾石材料性能最为稳定，当水、粉煤灰、水泥和砂率的掺量分别为130、80、80 kg/m3和30%时，胶凝砂砾石材料的性能最优。

图2 VC值试验结果

2.2 强 度

胶凝砂砾石材料的强度试验结果见图3。从图3中可知，相同单位用水量情况下，胶凝砂砾石材料的强度值呈锯齿状升高，水胶比越小，强度值越大，单位用水量越大，抗压强度的增幅越小；抗压强度的变化特征与VC值相反，但是过高的单位用水量可能会导致VC值和强度值同时减小，这说明胶凝砂砾石的工作性能和力学性能存在相互制约的情况，当VC值太小时，拌和料用水太多，易发生泌水和骨料分离，使得胶凝砂砾石的强度降低，当VC值太大时，拌合料太干，灰浆量太少，使得骨架出现架空，对胶凝砂砾石材料的压实不利，从而导致强度降低；4种因素对胶凝砂砾石的强度值影响程度从大到小依次排序为：单位粉煤灰用量>单位用水量>单位水泥用量>砂率，砂率对强度值的贡献率仅为1.17%；从整体上来讲，第9试验组的强度最高，其配比分别为：水110 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率30%。

图3 强度试验结果

2.3 抗渗性

胶凝砂砾石材料的抗渗试验结果见图4。从图4中可知，在27个试验组中，水渗透系数并未呈现规律性变化。其中，抗水渗透性表现为很好的试验组为：2～6，11，16，19～20，23～25；气渗透性表现出一定规律性，即当单位用水量较小时，气体渗透系数较小，当单位用水量较大时，气体渗透系数较大，但是从整体上来讲，胶凝砂砾石材料的表面抗气体渗透性表现为“差”或者“很差”，这是因为胶凝砂砾石材料的最大骨料粒径达到40 mm，再加之胶凝材料用量少，单位用水量大，导致材料在拌和过程中容易出现振捣不均、密实性差的现象，从而在试件内部留下许多渗透通道。因此，在胶凝砾石料填筑过程中，需要特别注意碾压参数，提高压实度，从而增强胶凝砾石坝的抗渗性。

图4 抗渗性试验结果

3 填筑施工工艺

胶凝砾石料的施工工艺与碾压混凝土有点类似，但是对骨料的要求比后者低，同时具有单次摊铺厚度更厚、施工效率更高的特点，胶凝砂砾石坝填筑施工工艺流程见图5。胶凝砂砾石的浇筑过程需要注意以下几点：①施工配合比，从上文分析可知，单位用水量和胶凝材料掺量对胶凝砂砾石的工作性能和力学性能有较大影响，特别是单位用水量呈非常显著影响，工作性能与力学性能之间又存在相互制约的关系，因而单位用水量不能太高也不能太低。根据室内试验结果，推荐施工配合比为：水120 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率27%；②由于胶凝砂砾石的骨料粒径较大，一般拌和设备无法满足胶凝砂砾石的生产要求，因此应该选用设计生产能力较大的拌和设备，建议>200 m3/h；③防渗层、保护层模板的锚固件不宜布置在胶凝砂砾石的碾压施工区域；④结构缝宜使用预埋沥青木板法，表层T形止水宜采用铜片止水和橡胶止水两道止水，铜片止水搭接长度不小于20 mm，安装允许偏差为±30 mm；⑤胶凝砂砾石在浇筑过程中水化热较低，可不采取温控措施。

图5 胶凝砂砾石浇筑施工流程

4 结 语

采用四因素三水平正交试验，对胶凝砂砾石的工作性能和力学性能进行了试验研究。结果表明：①单位用水量对胶凝砂砾石VC值的影响最大，贡献率达到75%，单位粉煤灰掺量对胶凝砂砾石材料的强度影响最大，砂率对胶凝砂砾石VC值和强度的影响均为不显著；②胶凝砂砾石材料的抗水渗透性表现为“很好”、“好”、“差”、“很差”4个等级，而抗气体渗透性表现为“差”或者“很差”两个等级，单位用水量较小时，表面气体抗渗性稍好些；③根据室内试验结果，推荐胶凝砂砾石的施配合比为水120 kg/m3、粉煤灰80 kg/m3、水泥80 kg/m3和砂率27%；④对胶凝砂砾石的填筑施工工艺进行了详细分析，并提出了几点注意事项，可为工程实际施工提供指导。