基于CSG工法铺筑渠道斜坡垫层特性试验研究

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(新疆额河建管局质量技术处， 乌鲁木齐 830000)

基于CSG工法铺筑渠道斜坡垫层特性试验研究

李行星，李维炳

(新疆额河建管局质量技术处， 乌鲁木齐 830000)

在新疆北疆地区某大型渠道施工中，对采用胶结砂砾石(CSG)工法铺筑的渠道斜坡垫层材料的工程特性进行了室外、室内试验，分析了制备不同密度掺水泥胶结材料的试验参数，确定了胶结砂砾石铺筑1d后可进行铺膜浇筑混凝土板施工的材料实际应用指标，提高了施工效率。本文对此加以介绍。

CSG工法； 渠道斜坡； 衬砌垫层； 试验研究

CSG工法已广泛应用于道路、大坝等工程施工，通常情况下，胶结料施工为水平铺筑，重型机械压实，而在本工程中，垫层料为斜坡布料，小功率振动压实，与传统CSG工法有较大差别，目前，该工法铺筑胶结砂砾料的工程特性的相关研究甚少。本试验研究首先在现场人工挖块取样，在现场密度、颗粒级配试验成果分析的基础上，根据现场胶结物中砂干密度的变化范围，在室内制备不同水泥掺量、不同密度的试样，进行抗压强度试验和渗透试验，经统计分析，拟合确定数学公式，计算出实际施工胶结砂砾石的工程特性参数。

1 现场试验

1.1 砂石料级配及干燥表观密度

颗粒级配试验和干燥表观密度的试料取自现场Ⅰ标、Ⅱ标、Ⅲ标、Ⅳ标4个稳定土拌和站。砂石料级配见图1。从图1中可以看出，砂石料最大粒径为30mm，小于5mm粒径含量为70%以上，小于0.08的含量约10%，砂砾料中颗粒粒径大于5mm的砾石质量百分比(以下简称P5)为10%～25%，且各个标段砂石料级配曲线差别较小。砂颗粒表观干密度为2.63g/cm3，砾石颗粒表观干密度2.67g/cm3。按混凝土试验规程[2]干砂的堆积密度试验结果见表1。按土工试验规程[1]，砂最大干密度加压重的振动试验，砂最大干密度可达1.90g/cm3。

表1 室内干砂堆积密度试验结果(g/cm3)

图1 现场各标段砂石料颗粒级配曲线

1.2 胶结块密度

本次密度测定共取24块，在室内用腊封法[1]测定其密度。测定密度后将胶结块碾碎，用筛分法测定每一块P5数值。并分别测定砂和砾石的含水量，用加权平均法计算胶结块的含水量。由于当地气候干燥多风，取到室内的胶结块的含水量仅为1%～2%。根据胶结块密度试验结果，可由式(1)计算出胶结块的干密度γSCG(g/cm3)。

γCSG=γ/(1+WCSG)

(1)

式中γ——腊封法测定胶结块密度，g/cm3；

WCSG：胶结块含水量，%。

图2 P5与γCSG关系

图2为P5-γCSG关系图，从图2可看出，P5在10%～25%范围内，胶结砂砾石的干密度在1.50～1.75g/cm3范围内。因砾石颗粒的比表面积较砂颗粒大，表面需包裹的水泥砂颗粒较少，如果忽略不计砾石表面胶结的水泥，则在胶结砂砾石中水泥主要与砂颗粒胶结，在水泥掺量按干砂砾混合料控制为5%的条件下，水泥占砂颗粒的百分比也随含砾量增加。

1.3 干燥空隙率

由于压实功能小，渠道垫层胶结砂砾石的干燥密度低，其空隙率也较大，干燥空隙率可按式(2)计算。

VCSG=1-γCSG/ρCSG

(2)

式中VCSG——胶结砂砾石的空隙率，%；

γCSG：胶结砂砾石的压实干密度，g/cm3；

ρCSG:胶结砂砾石中水泥、砂、砾石颗粒表观密度加权平均值，g/cm3。

根据式(2)计算的空隙率见图3，由此可知垫层胶结砂砾石的空隙率在35%～45%范围内，且随着P5增加，空隙率加大。

图3 P5与VCSG关系

1.4 单位砂用量

胶结砂砾在掺砾石较少和压实密度低的条件下，其性能主要由水泥和砂的压实密度及其比例确定，根据现场胶结砂砾石干密度可计算出砂的干密度，即可得出单位砂用量。设现场压实取胶结砂砾石21kg，即水泥为1kg，砂石料为20kg，水泥掺量为5%，则砂的干密度可由式(3)计算。

γS=(20×(1-P5))/(21/γCSG-1/ρC-20×P5/ρG)

(3)

式中γS——现场胶结砂砾石中砂的干密度，g/cm3；

P5——砾石含量，%；

γCSG——胶结砂砾石干密度，g/cm3；

ρC——水泥颗粒密度，g/cm3，按3.10g/cm3计；

ρG——砾石颗粒表观干密度，g/cm3，按实测2.67 g/cm3计。

P5与γS的关系见图4。渠道斜坡垫层胶结砂石料，因压实功能低，其干密度在1.45～1.75 g/cm3之间，P5越大干密度越低，其干燥空隙率为30%～45%。在忽略不计砾石粘结水泥颗粒的情况下，胶结砂中水泥占砂的百分比为5%～7%。结合图5的结果，可计算出在胶结砂砾石中，除去水泥颗粒及砾石颗粒，砂的干密度γS处于1.30～1.60g/cm3范围内，即砂的单位用量在1300～1600kg/m3范围内。

图4 P5与γS的关系

2 室内试验

2.1 原材料与试验方法

水泥为P.O42.5水泥，水泥颗粒密度为3.10g/cm3，水为工地饮用水，砂采用Ⅰ标、Ⅱ标、Ⅳ标砂石料中筛除5mm以上颗粒的砂料。

采用水泥胶砂试模(尺寸为4cm×4cm×16cm)成型不同密度的龄期为1d的抗压强度试样，成型后立即用塑膜覆盖养护，保持室温20℃至24h后，在小型压力设备上进行抗压强度试验。龄期为28d的试样采用10cm3立方体试模按一定的密度压制成型，在标准养护室养护28d后，进行抗压强度试验。抗渗试样的尺寸为渗水厚度为4cm，面积为30cm2的圆柱体，按一定的密度压制成型后，立即用塑膜覆盖，保持室温20℃，试样在圆环试模中保持14d后进行变水头抗渗试验。所有试样均按试模体积计算试料质量，分2层称取试料，按设定的密度压实。

2.2 试验结果

试验共进行22组抗压强度试验和9组抗渗试验。试验配合比、配合比参数及试验结果见表2。

表2 室内试验配合比及抗压强度、渗透系数试验结果

续表

2.3 分析与讨论

2.3.1 渗透系数

根据表2的渗透系数的试验数据，室内试样干燥空隙率VCS与渗透系数K拟合曲线见图5。渗透系数K与室内试样干燥空隙率VCS的拟合公式见式(4)。

图5 室内试样干燥空隙率与渗透系数拟合曲线

K=49.95×(VCS)9.83(相关系数R2=0.915)

(4)

式中VCS——室内(砂+水泥)试样空隙率；

γCS——室内(砂+水泥)试样干密度，VCS=1-γCS/ρCS；

ρCS——砂+水泥加权平均颗粒表观密度。

图6 实测干燥空隙率与推算渗透系数关系

将式(2)计算的实测胶结砂砾石空隙率VCSG带入公式(4)，推算出现场胶结砂砾石的渗透系数KT见图6。由图6可知现场胶结砂砾的渗透系数在1×10-3～1×10-2cm/s之间，砾石含量较大的Ⅳ标段渗透系数为1×10-2cm/s。

2.3.2 抗压强度

2.3.2.1 室内试验龄期为1d的抗压强度R1

根据表2的抗压强度的试验数据，不同水泥掺量的干砂密度γS和抗压强度R1关系见图7。由图7可知，砂的压实干密度在1.60g/cm3以下，水泥外掺4%、5%、6%的强度差别逐渐缩小，在1.60g/cm3以上，掺量4%，强度随密度增加差别较小，但当水泥掺量大于等于5%时，强度与砂干密度关系曲线斜率增大，这或许是由于水泥微小颗粒的距离缩小到一定程度，吸引力大于斥力所致，这也证明水泥外掺5%，是一个合理的数值。根据表2中水泥外掺5%～6%的试验结果，砂干密度和抗压强度R1的拟合曲线公式见图8，拟合曲线公式见式(5)，相关系数R2=0.93。

图8 砂干密度和R1抗压强度拟合曲线

R1=0.016×γS6.924

(5)

式中R1——1d抗压强度,MPa；

γS——试样砂干密度,g/cm3。

2.3.2.2 现场R1抗压强度的推算

利用式(3)计算出的现场砂干密度γS代入式(5)中，可推算出现场胶结砂砾料的抗压强度R1，结果见图9。从图9中可以看出，Ⅳ标的强度最低，最小为0.09MPa，其他标段强度在0.15～0.41MPa内，究其原因是因为Ⅳ标段P5较大，为25%左右，其他标段P5为15%左右。

图9 现场干密度γS与R1的关系

图10 不同水泥掺量的干砂密度γS和抗压强度R28

2.3.2.3 室内试验龄期为28d的抗压强度R28

根据表2的抗压强度的试验数据，不同水泥掺量的干砂密度γS和抗压强度R28关系见图10。由图10知，R28随干砂密度增加而加大，干砂密度较小。加大水泥掺量对强度影响小，干砂密度增加，则不同水泥掺量的强度差异加大，规律与R1大致相同。根据表2水泥外掺5%～6%的试验结果，砂干密度和抗压强度R28的拟合曲线见图11。拟合公式见式(6)，相关系数R2=0.95。

R28=0.053×γS6.101

(6)

式中R28——28d抗压强度(MPa)；

γS——试样砂干密度(g/cm3)。

图11 砂干密度和R1抗压强度拟合曲线

2.3.2.4 现场龄期为28d的抗压强度R28推算

利用式(3)计算出的现场砂干密度γS代入式(6)中，计算出现场胶结砂砾料的抗压强度R28，结果见图12。从图12中可以看出，标记Ⅳ标的强度最低，最小为0.20～0.30MPa，其他标段强度在0.30～0.90MPa内。

图12 现场干密度γS与R28的关系

3 结 论

a.在压实功能较低和砾石含量大的条件下，由于砾石的“支撑”作用，胶结砂砾石中砂的密度处于疏松堆积状态时，不能充分发挥掺水泥的胶结作用，在本斜坡胶结砂砾石垫层料的P5宜小于20%。

b.胶结砂砾石垫层料在低密度状态下，水泥用量增加对强度贡献不大，强度大小主要取决于砂密度和空隙率。

c.胶结砂石垫层料渗透系数在1×10-3～1×10-2cm/s内，现场胶结砂石垫层料R1强度在0.10～0.40MPa范围内，R28强度在0.20～0.90范围内。胶结砂砾石铺筑1d后可进行铺膜浇筑混凝土板的施工。

[1] SL 237—1999土工试验规程[S].

[2] SL 352—2006,水工混凝土试验规程[S].

Research of Channel Slope Cushion Feature Test Based on CSG Method

LI Xing-xing, LI Wei-bing

(XinjiangEheConstructionAuthorityQualityandTechnicalDepartment,Urumqi830000,China)

Indoor and outdoor test is conducted on engineering features of channel slope cushion materials paved by adopting cemented sand and gravel (CSG) method in construction of west to east water division channel lining project construction in northern region of Xinjiang. Test parameters for preparing cement-mixed materials with different densities are analyzed. Practical application indicators of materials for membrane paving concrete slab paving one day after CSG pavement are determined, thereby improving construction efficiency. The condition is introduced in the paper.

CSG construction method; channel slope; lining cushion; experimental research

F323

B

1005-4774(2014)09-0000-03