水膠比對膠凝砂礫石抗壓強度影響規律研究

韓立煒 楊志斌 郭磊

摘?要：膠凝砂礫石作為一種新型筑堤筑壩材料，具有環境友好、漫頂不潰或緩潰、建設成本低、施工速度快及發揮效益早等優點，在業界得到了廣泛的認可，但尚存在諸多關鍵技術難題需要攻克。膠凝砂礫石材料的力學特性受多方面因素的影響，本文針對最優水膠比，在工程常用的配合比范圍內設計膠凝砂礫石立方體抗壓強度室內試驗，針對試驗數據分別分析了最優水膠比與膠凝材料用量、砂率、齡期的相關關系，得到如下結論：最優水膠比與膠凝材料用量負相關，膠凝材料用量增加時，最優水膠比減小;最優水膠比與砂率正相關，砂率提高時，最優水膠比增大;隨著水膠比的增大，90 d齡期相對于28 d齡期的強度提升率增大，且不同水膠比的強度在90 d后趨近于同一數值。

關鍵詞：膠凝砂礫石;立方體抗壓強度;最優水膠比;膠凝材料;砂率;齡期

中圖分類號：TV43?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.024

Abstract： Cemented sand and gravel， as a new type of material for embankment and dam construction has the advantages of environmental friendliness， overtopping or slow collapse， low construction cost， fast construction speed and early benefit. It has been widely recognized in the industry， but as a new dam type， there are still many key technical issues that need to be overcome. The mechanical properties of cemented sand and gravel materials are affected by many factors. Aiming at the optimal water-binder ratio， this article designed the indoor test of the cubic compressive strength of cemented sand and gravel within the range of the commonly used engineering mix ratios and analyzed the most the correlation between the optimal water-binder ratio and the amount of cementing material， sand rate and age. The following valid conclusions are obtained： The optimal water-binder ratio is negatively related to the amount of cementing material and when the amount of cementing material increases， the optimal water-binder ratio decreases. The optimal water-binder ratio is positively correlated with the sand rate. When the sand rate increases， the optimal water-binder ratio increases. With the increase of the water-binder ratio， the strength improvement rate of the 90-day age relative to the 28-day age increases and the strength of different water-binder ratios gradually approach the same value after 90 days.

Key words： cemented sand and gravel; cubic compressive strength; optimal water-binder ratio; cementitious material; sand rate; age

膠凝砂礫石壩是近些年發展起來的一種新壩型[1-4]，相比混凝土壩能適應各種不同的地基，相比土石壩則大大減小了斷面面積，膠凝砂礫石本身具有一定的抗剪強度，在遇到洪水漫頂時也可保持自身結構的穩定、防止潰壩[5]。膠凝砂礫石可以用當地的砂石料與水泥、粉煤灰加水經過簡易拌和制成，適宜就地取材，在工程上常采用碾壓的方式施工。針對黃河的洪水預防和泥沙淤積問題，可以充分考慮膠凝砂礫石壩的優勢，對黃河河床開挖的砂礫石、淤砂等回收利用作為筑壩、筑堤材料，減淤的同時降低材料和運輸成本，也可以減少運輸過程的污染，推動黃河流域生態保護和高質量發展，符合當今人與自然和諧共生的新發展理念[6]。

對膠凝砂礫石材料力學性能進行分析，找出膠凝砂礫石強度隨各影響因素的變化規律，從而指導膠凝砂礫石堤壩建設，是膠凝砂礫石材料研究不可或缺的一個重點。水膠比是膠凝砂礫石配合比設計中的一個重要參數。目前國內外學者對膠凝砂礫石的研究局限于力學性能、耐久性和壩體結構方面，對單個具體的影響因素沒有深入研究。本文通過設計不同配合比，進行膠凝砂礫石立方體抗壓強度試驗研究，得到了立方體抗壓強度下的最優水膠比。

1?膠凝砂礫石立方體抗壓強度試驗

1.1?試驗材料

試驗中水泥采用河南多樣達水泥有限公司生產的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥[7]，基本參數見表1。粉煤灰采用鄭州熱電廠干排F類Ⅱ級粉煤灰，參數見表2。

石子和砂：取自汝河汝州市段河道，對河床原狀砂石進行篩分，其中粒徑20 mm以上的石子采用人工振動篩分，20 mm以下的顆粒采用振動臺篩分。最終得到粒徑5～20、20～40 mm的石子作為粗骨料，5 mm以下的砂粒作為細骨料。

1.2?配合比設計

根據參考文獻[8]，工程中推薦水泥用量不得少于32 kg/m3，膠凝材料總量不宜低于80 kg/m3，建議水膠比為0.7～1.3，建議砂率為18%～32%。為了探究膠凝材料、砂率和養護齡期與水膠比之間的關系，得到各種情況下水膠比與立方體抗壓強度的關系，對膠凝材料、砂率和水、齡期設置不同的試驗值進行對比。20～40 mm石子與5～20 mm石子用量之比為3∶2，在此前提下本次試驗配合比設定如下：①水泥用量為40～70 kg/m3，設置變化間隔為10 kg/m3;②粉煤灰用量為20～50 kg/m3，設置變化間隔為10 kg/m3;③在研究砂率對最優水膠比的影響試驗中，設置砂率為0.1、0.2、0.3和0.4，水膠比為0.8～1.4（變化間隔為0.1），其余試驗砂率均為0.2、水膠比變化間隔設定為0.2;④試件養護齡期為28 d和90 d。

1.3?試驗方法

膠凝砂礫石的原材料和試樣制備過程都與碾壓混凝土較為相似，制備過程參照《水工碾壓混凝土試驗規程》（SL48—94）[9]，依次進行骨料篩分、加料拌和、裝料振搗成型和養護，試塊為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體。

2?水膠比對立方體抗壓強度的影響

2.1?水膠比與膠凝材料的關系

膠凝砂礫石依靠膠凝材料將骨料黏結在一起，膠凝材料包括水泥和粉煤灰，膠凝材料用量對于膠凝砂礫石的強度有重要的影響，在研究水膠比和膠凝材料關系的試驗中，控制砂率為0.2，得到立方體抗壓強度—水膠比關系曲線，見圖1和圖2，粉煤灰為40 kg/m3時水泥為40、50、60 kg/m3，記為配合比1～3;水泥為50 kg/m3時粉煤灰為30、40、50 kg/m3，記為配合比4～6。

通過圖1和圖2可以看出：①在相同配合比下，膠凝砂礫石材料強度均隨著水膠比的增大先提高后降低;②膠凝材料用量增加時，相同水膠比下膠凝砂礫石強度增大;③配合比1試件強度在水膠比為1.2時達到最大值，其余情況強度均在水膠比為1.0時達到最大。

對上述情況分析，在拌和過程中，水主要作用是浸潤骨料并與膠凝材料結合形成水泥漿包裹在粗細骨料表面，水膠比較小時，用水量相對較少，拌和過程中和易性較差，水泥漿黏性不足，不能有效包裹骨料，振搗過程砂漿也不能較好地填充粗骨料間的空隙;水膠比較大時，用水量相對較多，不能完全轉化為結合水，在拌和后會產生泌水和離析現象，影響試塊成型并使強度下降。膠凝材料是提供黏聚力的主要來源，在水膠比不變的情況下增加膠凝材料用量，骨料含量相對降低，水泥漿包裹骨料更加充分，可提高拌和過程的和易性，裝料振搗會更加密實[10]。

將圖1和圖2中曲線進行擬合，得到如下關系式：

式中：a、b、c均為統計參數;x為水膠比;N為抗壓強度。

最優水膠比與膠凝材料的擬合結果見表3，擬合結果的相關系數都在0.9以上，屬于高度相關。可以看出，隨著膠凝材料用量的增加，用水量增加，最優水膠比減小，總體上用水量和最優水膠比的變動幅度較小。

在直角坐標系繪制最優水膠比—膠凝材料用量曲線，并擬合得到兩個關系式：

y=-0.008 5t+1.88（2）

y=-0.006 5t+1.67（3）

式中：t為膠凝材料用量，kg/m3;y為最優水膠比。

根據《碾壓混凝土壩設計規范》[11]可知，碾壓混凝土的膠凝材料用量在140～160 kg/m3之間，建議水膠比為0.43～0.65，試驗所用膠凝砂礫石的膠凝材料用量在80～100 kg/m3之間，將其分別代入式（2）、式（3），可預測最優水膠比范圍分別為0.52～0.69和0.63～0.76，與碾壓混凝土的建議水膠比接近，這表明隨著膠凝砂礫石的膠凝材料用量不斷增加，性質會逐漸趨近碾壓混凝土。

2.2?水膠比與砂率的關系

圖3為不同砂率下28 d齡期的抗壓強度—水膠比關系曲線，水泥和粉煤灰用量分別為50 kg/m3和40 kg/m3，砂率為0.1、0.2、0.3、0.4，記為配合比7～10，水膠比為0.8～1.4。

由圖3可以看出：①在膠凝材料用量一定時，任一砂率下的立方體抗壓強度隨著水膠比的增大呈現先增大后減小的趨勢，存在最優用水量;②隨著砂率的提高，最優用水量逐漸增大;③砂率從0.1提高到0.2時，抗壓強度曲線整體上移，砂率為0.2時整體抗壓強度曲線最高，砂率繼續提高后整體強度呈現下滑趨勢。

對上述情況分析：隨著砂率的提高，骨料的比表面積增大，用于浸潤骨料的水量增多，與膠凝材料結合形成的水泥漿水分相對減少，導致拌和物整體缺水，流動性差，影響強度。適當增大水膠比，可以改善拌和物水分缺失問題，提高強度，因此最優水膠比隨砂率的提高而增大。砂率較低時，拌和后的水泥砂漿較少，在振搗后不能有效填充粗骨料間的空隙;砂率較大時，膠凝材料相對變少，形成的水泥漿不能充分包裹砂粒，水泥砂漿的黏結性較差。

為具體研究砂率與最優水膠比之間的關系，將圖3曲線按式（1）進行擬合，擬合結果見表4，擬合關系式的相關系數都在0.85以上，屬于高度相關，說明所選函數與實際情況相符。可以看出，隨著砂率的提高，最優水膠比明顯提升。

最優水膠比與砂率之間的關系如圖4所示，可以看出，兩者基本為線性關系，對其進行線性擬合后發現相關系數在0.99以上，充分表明了擬合結果的合理性，擬合結果證明了最優水膠比與砂率成正比。

2.3?齡期與水膠比的關系

在研究齡期與水膠比關系的試驗中，水泥用量為50 kg/m3，砂率為0.2，水膠比為1、1.2和1.4，粉煤灰為30、40、50 kg/m3，齡期為28 d和90 d。

不同齡期下試塊的強度見表5。可知：①其他條件相同時，90 d齡期抗壓強度相對于28 d齡期抗壓強度有明顯提升，且水膠比增大時，90 d齡期相對于28 d齡期抗壓強度提升率逐漸提高;②在膠凝材料用量和砂率都相同的情況下，28 d和90 d齡期抗壓強度都會隨著水膠比的增大而有所降低;③不同水膠比條件下，90 d齡期抗壓強度大小相近，趨近于同一值。

分析可知：膠凝砂礫石材料的抗壓強度隨養護齡期的增長而增大，這與混凝土具有相同的性質，齡期越長，強度越大;在水膠比較大時，膠凝材料被稀釋，黏結性不足，加上水分蒸發后留下的內部空隙，使膠凝砂礫石前期強度不足，隨著時間推移，粉煤灰逐漸參與反應并填充空隙，使強度逐漸提升至正常水平。

3?結?論

水膠比是膠凝砂礫石強度的一個重要影響因子，通過多組試驗得出膠凝砂礫石存在最優水膠比，在其他條件相同時，最優水膠比下得到的膠凝砂礫石強度最高。

最優水膠比隨著膠凝材料用量增多而小幅減小。最優水膠比隨著砂率的提升而顯著增大，兩者之間為線性關系。

從最優水膠比開始，增大水膠比，28 d齡期強度會降低，而90 d齡期強度相對于28 d齡期的提升率會隨著水膠比的增大而提升，隨著時間推移兩者會逐漸趨近，但仍小于最優水膠比下的強度。

最優水膠比跟所用配合比有關，根據已有資料和試驗結果給出最優水膠比的建議值為1.0～1.4，砂率高時取上限，砂率較低時取下限。

參考文獻：

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【責任編輯?張華巖】