砂率及水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

胶凝砂砾石材料是将少许胶凝材料（水泥和粉煤灰）和水直接添加到河床砂砾石中，再用常见施工机械设备进行简单拌和而获得的一种新型筑坝材料[1]。胶凝砂砾石坝是由胶凝砂砾石材料作为大坝主体材料而筑成的大坝，它具备面板坝和碾压混凝土坝两者的优点，与之相比还可以缩小坝体断面、简化施工、缩短工期、减少费用等。由于胶凝砂砾石坝安全性高，抗震性强，对施工工艺及地基条件要求低，而且可就地取材，造价低廉，基本实现零弃料，对环境的负面影响小，在国际坝工界已经得到了普遍的重视[2-3]。

山西省守口堡水库大坝是我国第一座用胶凝砂砾石材料筑成的大坝，坝址位于山西省大同市阳高县黑水河上游段，是一座小（Ι）型水库，水库总库容为980万m3，主要用于工业供水、农业灌溉及防洪等，其工程等别为Ⅳ等，其中主要建筑物为4级，次要建筑物和临时建筑物为5级。其大坝主体为胶凝砂砾石，上下游防渗保护均采用常态混凝土。由于筑坝所用砂砾石料直接取自当地河床，砂率都是随机分布的，且胶凝材料用量少，因此确定胶凝砂砾石筑坝材料的最佳砂率和最少水泥用量对于指导工程的实施具有重要的意义。本文以守口堡水库施工现场所取得原材料为研究对象，通过研究不同砂率及不同水泥用量对胶凝砂砾石试件抗压强度的影响，得出了胶凝砂砾石筑坝材料的最佳砂率和最少水泥用量，试验结果可以为胶凝砂砾石坝的建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验用的水泥为大同水泥厂生产的冀东水泥普硅P.O 42.5，水泥的物理力学性能经检测符合标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的要求，性能指标见表1。

试验用的粉煤灰为大同二电厂产的III级灰，经检测符合标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的要求，性能指标见表2。

表1 水泥性能指标

表2 粉煤灰性能指标

试验用的细骨料为胶凝砂砾石里筛分出的砂子，为天然砂，细度模数为2.60，属中砂，其物理化学性能经检测符合标准《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）的要求，性能指标见表3。

试验用的砂砾石料为守口堡水库砂砾石料场挖取的砂砾石（试验前筛除粒径大于150 mm的颗粒），砂砾石通过添加25%的5～40 mm碎石进行了级配优化，其物理化学性能经检测符合标准《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）的要求，优化后砂砾石的颗粒级配见表4。

表3 细骨料理化性能指标

表4 添加25%石子后砂砾石料颗粒级配试验结果

1.2 试验配合比

在砂砾石添加25%的5～40 mm碎石前提下，调配砂率为20%、25%、30%、35%、40%、45%六组别的砂砾石料，用水量控制在110 kg/m3，胶凝材料用量保持不变为P.O 42.5水泥50 kg/m3，粉煤灰40 kg/m3，分别成型150 mm×150 mm×150 mm立方体抗压强度试件进行试验。保持用水量、砂砾石、粉煤灰和砂率不变，设置了 30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3、60 kg/m3、70 kg/m3、80 kg/m3六种水泥掺量进行试验。胶凝砂砾石的配合比见表5。

1.3 试验方法

1.3.1 成型与养护

胶凝砂砾石的成型及养护过程为:先将水泥、粉煤灰及砂砾石料等依次倒入搅拌机中，干拌1 min；然后再将水徐徐加入搅拌机中，湿拌2～3 min，使拌合物均匀分散；卸料时将搅拌均匀的胶凝砂砾石倾倒在湿润的钢板上，再人工拌和2～3次后装入试模，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣，使拌和物高出试模上口。试件的成型适宜采用振动台振实，振动成型时一边将拌合物装模一边用抹刀沿试模内壁稍加插捣，振动至混凝土表面出浆（振动时间控制在30 s左右）；试件在温度为20±5℃的环境中静置一夜，然后编号、拆模，将拆模后的试件放标准养护室养护，养护28 d后进行抗压强度的试验。

表5 胶凝砂砾石配合比

1.3.2 抗压强度试验

胶凝砂砾石立方体试件抗压强度试验严格按照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）的相关要求进行，试验仪器采用混凝土液压式YE-2000型压力试验机。

2 试验结果与分析

2.1 砂率对胶凝砂砾石筑坝材料抗压强度的影响

图1为砂率与胶凝砂砾石抗压强度的关系。从图中可以看出，胶凝砂砾石试件的抗压强度随着砂率的增大呈现先增大后减小的变化趋势。从曲线的斜率来看，砂砾石的砂率从20%增加到30%时，胶凝砂砾石试件的抗压强度增长较慢；当砂率大于30%时，试件的抗压强度呈现明显下降的趋势，可见胶凝砂砾石材料存在一个最佳砂率，最佳砂率时胶凝砂砾石的抗压强度最大。这可能是由于胶凝砂砾石的胶凝材料用量较少，当砂率大于30%后，由水、水泥、粉煤灰和砂砾石所组成的灰浆浆体已开始无法完全填满砂的所有空隙，造成了抗压强度的下降。

图1 砂率与胶凝砂砾石抗压强度的关系

2.2 水泥用量对胶凝砂砾石筑坝材料抗压强度的影响

图2为水泥用量与胶凝砂砾石抗压强度的关系。从图中可以看出，胶凝砂砾石试件的抗压强度随着水泥用量的增加而增大。水泥用量为30 kg/m3和40 kg/m3时，胶凝砂砾石试件的抗压强度低于设计抗压强度（守口堡水库胶凝砂砾石坝的设计强度经设计部门确定为6 MPa）。当水泥用量为50 kg/m3时，抗压强度为7.5 MPa，满足设计要求。当水泥用量大于50 kg/m3时，随着水泥用量每增加10 kg/m3，试件抗压强度可提高10%～27%。由此可以看出，水泥作为主要的胶凝材料起到了很好的胶结作用，水泥用量的增加可以显著提高胶凝砂砾石筑坝材料的抗压强度。在满足设计要求的前提下，推荐的最少水泥用量为50 kg/m3。

图2 水泥用量与胶凝砂砾石抗压强度的关系

3 结语

在胶凝砂砾石筑坝材料中，砂率和胶凝材料是影响胶凝砂砾石抗压强度的主要因素，而水泥是主要的胶凝材料。本文通过研究不同砂率及不同水泥用量对胶凝砂砾石试件抗压强度的影响，得出以下结论:胶凝砂砾石试件的抗压强度随着砂率的增大呈现先增大后减小的变化趋势；胶凝砂砾石筑坝材料的最佳砂率为30%。胶凝砂砾石试件的抗压强度随着水泥用量的增加而增大；满足设计要求的最小水泥用量为50 kg/m3。试验结果可以为胶凝砂砾石坝的建设提供参考。