基于石膏砂漿的軟弱巖層相似材料配合比試驗研究

程俊偉，崔文杰，孔令弟，王驍男，于海洋，徐 程

(1.山東高速基礎設施建設有限公司，山東 濟南 250000； 2.山東高速嵐臨高速公路有限公司，山東 臨沂 276713；3.濟南市政工程設計研究院，山東 濟南 250002； 4.山東高速巖土科技有限公司，山東 濟南 250102)

巖土模型試驗是根據一定的相似原理對特定巖土工程問題進行縮尺研究的一種常用方法，其中正確選擇相似材料是能否正確模擬工程原型的關鍵[1]。相似材料模擬試驗具有試驗周期短、可重復性和可控性強等優點，直觀再現采空區導致的地基變形和地表沉陷情況，并可用于理論分析和數值仿真計算的結果驗證。在該類型試驗中，試驗結果的精度取決于模型材料與工程現場真實材料之間的物理和力學相似性。軟弱巖層是巖土工程實踐過程中最為常見的欠穩定地質條件之一[2-3]。本文首先通過相似理論方法確定軟弱巖層相似材料物理和力學參數，基于已有經驗，優選原材料；然后，通過開展強度試驗和密度試驗，確定最終模型材料配比，為相關模型試驗的開展提供配合比設計參考依據[4-10]。

1 試驗材料及基本性質

模型試驗中用于模擬巖石的相似材料通常由膠結料和骨料組成，常用的膠結材料有水泥、粉煤灰、石膏粉、石灰、黏土、水玻璃、凡士林等，常用的骨料有河砂、(鐵銅)礦粉、重晶石粉等。本次模型試驗采用石膏粉作為膠結材料。根據試驗要求和已有相似材料配制試驗，選擇以最大粒徑為2 mm的石英砂作為骨料，以石膏粉作為膠結料，通過摻入一定比例的水，配制石膏砂漿用作巖層相似材料。

1.1 石膏

考慮攪拌時間與澆筑模具等試驗需求，最終選用細度模數為200目、初凝時間約為2 h的黃氏建材石膏粉(后簡稱為H-石膏粉)。取水灰比(質量比，下同)為0.5∶1,0.55∶1與0.6∶1，將石膏粉與水混合后攪拌形成石膏凈漿，倒入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體模具中，在室內常溫條件下養護，分別檢測其12 h,24 h,3 d,7 d的抗壓強度。試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，石膏凈漿試件強度在養護時間24 h后趨于穩定，且隨水灰比的增大而減小，水灰比為0.5∶1時，石膏凈漿養護24 h后抗壓強度約為0.8 MPa；水灰比為0.55∶1時，24 h后抗壓強度約為0.55 MPa；水灰比為0.6∶1時，24 h后抗壓強度均小于0.4 MPa。

1.2 砂集料

考慮澆筑過程中砂漿的和易性，初步確定砂集料級配為粗砂∶細砂的質量比=1∶0.3，根據《公路土工試驗規程》[11]，取篩孔孔徑(mm)為4.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.075的標準篩對采購的兩批石英砂進行篩分試驗，得到如圖2所示的顆粒級配曲線。

根據級配曲線與最大最小干密度實驗，可得砂的物理性質參數，列入表1。

表1 石英砂物理參數

2 正交試驗設計與試驗方法

2.1 石膏砂漿強度初試配合比

根據石膏凈漿試驗結果，選取三組石膏砂漿配合比開展試驗，即砂∶石膏粉∶水=3∶1∶0.5,3∶1∶0.55,3∶1∶0.6。為保證材料和易性，加入質量比占水質量2%的減水劑，攪拌后澆筑成尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件，置于室內常溫條件下養護，分別測定試件12 h,24 h,48 h,3 d,7 d的無側限抗壓強度。

具體試驗結果如圖3所示，石膏砂漿試件強度于12 h 后基本趨于穩定，隨水灰比的增大而減小。配合比為3∶1∶0.5時，石膏砂漿的立方體無側限抗壓強度約為1 MPa；配合比為3∶1∶0.55時，無側限抗壓強度約為0.5 MPa；配合比為3∶1∶0.6時，石膏砂漿立方體無側限抗壓強度約為0.35 MPa。

2.2 相似材料與配合比

根據相似材料設計需求和以上初步試驗結果，并結合前人相關研究結果[12-13]，取砂集料的粗細比、砂膏比、水灰比三個影響因素設計正交試驗。通過材料正交試驗，研究相似材料物理指標和力學指標的關鍵影響因素，從而指導后期配合比設計。根據正交試驗方法，選擇4個影響水平、3個影響因素，繪制L9(43)相似材料配比實驗表(如表2所示)。

表2 正交試驗設計

2.3 試驗方法

根據《公路土工試驗規范》與《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[14]，石膏砂漿立方體無側限抗壓強度試驗與密度試驗均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件。試件置于常溫狀態下養護，24 h后脫模機脫模。對養護后試件開展抗壓試驗，加荷速度設定為0.5 mm/min～1 mm/min，加載直至試件破壞，記錄破壞荷載。每組進行三次平行試驗，當三組試驗測量值的最大值或最小值與中間值之差不超過中間值的15%時，則取中間值為測定值；如超過15%，該組試驗無效。

3 試驗結果分析

3.1 抗壓試驗數據

石膏砂漿密度和抗壓試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗結果

對石膏砂漿的密度與抗壓強度兩種物理性質分別進行正交極差分析，根據正交試驗表計算三種因素的影響因子極差表，計算結果列于表4。

表4 正交試驗極差分析

圖4,圖5分別為不同石膏砂漿物理性質正交試驗敏感性分析圖，圖中橫坐標為不同正交水平下各正交因素的取值，縱坐標為在不同正交水平下，某一影響因素取值相同的試驗結果的均值，根據圖4，圖5更直觀的分析正交實驗表中不同影響因素對石膏砂漿不同物理性質的影響程度。

石膏砂漿試件的密度與抗壓強度均受水灰比影響最大，且均隨水灰比的增大近似呈線性關系不斷減小。關于石膏砂漿強度方面的性質，集料粗細比與砂膏比影響類似且影響較小，因此針對石膏砂漿材料強度性質進行分析時，主要考慮水灰比的影響。粗細比對石膏砂漿的密度有一定的影響，由前期測得砂集料的級配曲線可知，當砂集料粗細比為1∶0.25時其集料級配屬于骨架空隙型級配，當砂集料粗細比不小于1∶0.5時為密級配，因此其對密度的影響規律表現為先略微減小后增大。

3.2 石膏砂漿相似材料評價

采用石膏粉、石英砂與水三種基本原材料，并摻加適量減水劑，配置的相似材料的參數取值范圍跨度較大，可較好滿足一般模型試驗較軟弱風化巖層的需求，具體取值范圍見表5。

表5 石膏砂漿物理性質取值范圍

4 結語

采用常見的石膏粉、石英砂與水三種基本原材料并摻加適量減水劑配制石膏砂漿材料，正交試驗結果表明石膏砂漿材料養護12 h后強度趨于穩定，且水灰比、集料粗細比以及砂膏比的影響主次順序為水灰比>粗細比>砂膏比，材料不同配合比條件下密度與抗壓強度取值范圍分別為1.653 g/cm3～2.155 g/cm3和0.19 MPa～2.29 MPa。