相似级配骨料和单位水泥含量对CSG材料抗冻性能影响★

徐 涛 金光日

(延边大学工学院结构工程学科，吉林 延吉 133002)

CSG(Cement Sand and Gravel，胶凝砂砾石，简称CSG)材料为一种新型的环保坝体材料。CSG材料中水泥含量比普通混凝土中水泥含量要少很多，砂砾的取材一般是使用工程中废弃的残渣、砂砾石混合料以及河床砂砾，因此具有成本低、污染小和效率高等特点[1]，同时CSG坝体比土石坝体具有更加适应软弱地基能力[2]。经过近十年的工程实践发现，CSG坝体结构安全可靠，施工技术简单容易。目前CSG筑坝技术在希腊、日本和土耳其都有所应用[3-5]，日本在1994年和1999年又分别修建了Tyubetsu水坝围堰、Kubusugawa水坝围堰工程和Nagashima水坝拦砂坝。2004年，我国首次采用CSG坝体技术在贵州省松道塘建筑水库上游过水围堰，在2014年，中国第一座永久性CSG建筑物——守口堡大坝在山西省开工建设[6-8]。

本文采用相似级配的方法对原级配骨料进行缩尺，使用最大粒径小于80 mm的骨料进行冻融循环试验，通过设置单位水泥含量和相似级配两个变量进行试验，分析比较CSG材料的单位水泥含量和最大粒径对于CSG材料耐久性能以及强度变化。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

CSG材料取自粒径小于80 mm的天然砂砾作为试件骨料，其中砂砾骨料及试验水泥物理特性如表1所示；其试验所用的水泥为普通水泥成分如表2所示。

表1 骨料和水泥物理特性

表2 普通水泥化学成分

图1是实验所用颗粒相似级配曲线图，其中卵石占全部骨料2%，砾石占全部骨料的35%，砂占全部骨料的56%，其余的全部为细粒。室内测得每组材料的最大干密度在2.11 g/cm3～2.19 g/cm3之间，最佳含水量在6.2%～8.0%之间，各组之间变化不大。试件最大干密度以及最优含水量如表3所示。

表3 最大干密度与最优含水率

1.2 试件制作

根据表3数据结果计算每个试件所需要的颗粒含量。CSG材料是一种介于混凝土和土石料的材料，因此，参照《水工混凝土实验规程》和《公路土工实验规程》进行制作试件，试件尺寸为φ100 mm×H200 mm的圆柱体试件，如图2所示。

1.3 试验方法及装备

本试验通过室内试验对CSG材料的抗冻性进行研究，试验方法采用的是SL 352—2006水工混凝土试验规程中的冻融试验方法中水中冻融。

相对动弹性模量计算公式为：

(1)

其中，Pn为冻融循环n次后试件相对动弹性模量；fn为试件冻融循环n次后的自振频率，Hz；f0为试件冻融循环前的自振频率，Hz。

试验采用 KDR型快速冻融试验机，试件表面水层厚度为3 mm，冻结温度范围在6 ℃～17.8 ℃ ，融化温度在-17. 8 ℃～6 ℃，极限温度允差为±1. 7 ℃。冻结融化的温度变化范围以试件中心温度为准，冻融周期时间在2 h～4 h之间，融化时间不小于冻融时间的25%。动弹性模量测定仪采用是DT—W18动弹性模量测定仪，频率测量范围在100 Hz～20 000 Hz，测量误差小于2%，频率灵敏度为1 Hz。

2 实验结果

2.1 相对动弹性模量

由式(1)可知，通过自振频率计算出相对动弹性模量，数据结果分析整理，如图3所示。

试件相对动弹性模量达到60%时认为试件破坏。图3数据显示单位水泥含量为100 kg/m3，材料承受冻融循环次数最多。在单位水泥含量为100 kg/m3时，最大粒径为20 mm的试件在第3次～4次冻融循环期间达到破坏，最大粒径为40 mm的试件在第3次～4次冻融循环期间破坏，最大粒径为80 mm的试件在第4次～5次冻融循环期间破坏。同时数据显示，CSG材料在6次之内均达到破坏。冻融循环的过程中，试件内部毛细水冻结将会产生体积膨胀，毛细水体积膨胀会在材料内部产生拉应力，从而会在试件内部产生裂缝，导致试件的抗冻性能下降。CSG材料中随着水泥含量的增加，水泥凝胶的存在，可以增加骨料与骨料之间的粘结力，抑制裂缝的发展，提高CSG材料抗冻性。

如图4所示，当骨料最大粒径为80 mm时，材料承受冻融循环次数最多。在最大粒径为80 mm的情况下，单位水泥含量为40 kg/m3的试件在3次～4次冻融循环期间破坏，单位水泥含量为60 kg/m3的试件在2次～3次冻融循环期间破坏,在单位水泥含量为80 kg/m3的试件在3次～4次冻融循环期间破坏,在单位水泥含量为100 kg/m3的试件在4次～5次冻融循环期间破坏。试验表明CSG材料在最大粒径为80 mm时，材料的抗冻性显示为最好。砂砾石为CSG材料的主要成分，骨料最大粒径为80 mm时，材料密实度最高，并且粒径越大材料的含水率越小，因此毛细水冻结时产生的体积效应较小，从而抗冻性能较好。

2.2 质量损失率

根据数据结果，以相对动弹性模量达到60%时的质量损失率作为分析，得到图5所示数据结果。

由图5a)可以看出，随着单位水泥含量的增加，质量损失率逐渐降低。由图5b)可以看出，最大粒径为40 mm的试件质量损失率最少。最大粒径为40 mm时，水泥与试件内粗骨料表面接触比较充分，试件内部骨料间的粘结力比较大，因此，冻融循环过程中试件质量损失较少。

2.3 抗冻耐久性指数

对于混凝土和其他类型材料可以用耐久性指数DF作为其抗冻性能指标，计算公式如下：

(2)

其中，N为材料相对动弹性模量达到60%时循环次数；P为材料N次冻融循环结束时相对动弹性模量；M为材料冻融循环结束时的冻融循环次数。

表4 抗冻耐久性指数及评价

表4为抗冻耐久性指数及评价，根据图6a)可以看出，随着单位水泥含量增加，耐久性指数增加，当单位水泥含量大于80%，材料耐久性指数大于40%；根据图6b)数据可知，在单位水泥含量相同的情况下，最大粒径为80 mm试件耐久性指数能达到40%。根据表4可以得出，CSG材料在单位水泥含量在80%以上的情况下，耐久性能为中等。

3 结语

1)当CSG材料的相对动弹性模量降到60%时，3组相似级配中最大粒径为80 mm试件的抗冻性显示最好，单位水泥含量越高，材料的相对动弹性模量降到60%时对应冻融循环次数越大。

2)冻融循环实验结束后发现，单位水泥含量越高，质量损失越少；3组相似级配中，最大粒径为40 mm组材料质量损失最少。

3)冻融循环前后，单位水泥含量越高，耐久性指数越好，水泥含量在80 kg/m3以上耐久性指数为中等，水泥含量在80 kg/m3以下耐久性指数为较差，三组相似级配骨料中只有最大粒径为80 mm 试件耐久性能指数达到中等等级，最大粒径为20 mm和40 mm的耐久性能指数较差。

4)综合分析得出，在符合本文试验条件下，CSG材料的最大粒径选取80 mm，单位水泥含量使用量在80 kg/m3～100 kg/m3之间，此时，CSG材料的抗冻性得到保证。