富浆胶凝砂砾石配合比设计试验研究

刘 钰 鑫，李 洪 涛,2，高 尚，姚 强,2

(1.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都610065)

胶凝砂砾石坝作为一种新型材料坝[1-2]，因具有：① 骨料来源广泛，质量要求低；② 水泥用量少，水化热低，可不采取温控措施；③ 由于水泥的胶凝作用，坝体具备一定的强度和抗侵蚀能力，便于施工导流；④ 坝体施工工艺简单、机械化程度高，施工速度快；⑤ 相比于碾压混凝土坝，具有更强的变形特征；⑥ 坝体应力分布均匀，具有较好的地基适应性等特点在国内得到了迅速推广和普及[3]。

富浆胶凝砂砾石是将少量胶凝材料和来自工程现场的砂砾石料经过拌和、摊铺、振动碾压后形成的具备一定强度和抗剪性能的材料[4]，其工作性是流态塑性，按其生产工艺可分为常态拌和胶凝砂砾石和加浆拌和胶凝砂砾石两种。其中，与普通坝体胶凝砂砾石相比，常态拌和胶凝砂砾石的胶凝材料用量更高；而加浆拌和胶凝砂砾石是在初次拌和得到的干硬性富浆胶凝砂砾石的基础上，进行加浆拌和形成的一种流态塑性胶凝砂砾石。胶凝砂砾石的两种不同生产工艺也直接影响了其配合比差异，因此需要针对两种胶凝砂砾石进行具体试验研究。

本文结合四川省顺江堰引水枢纽工程，基于“钻石带理论”，提出了富浆胶凝砂砾石配合比设计准则，针对常态拌和胶凝砂砾石和加浆拌和胶凝砂砾石，设计试验开展对比研究，以确定配和比。

1 工程概况

顺江堰引水枢纽工程位于四川省都江堰灌区新津县，主要由溢流坝、泄洪闸、进水闸、上下游护堤组成，拦河坝采用闸坝方案，左岸布置270 m长溢流堰，坝高4 m，右岸布置3孔泄洪冲砂闸和两孔进水闸。溢流坝顶部为WES曲线型实用堰，坝芯采用C10胶凝砂砾石，方量27 130 m3。基础垫层和上游面层采用C20富浆胶凝砂砾石，方量12 212 m3，坝体剖面如图1所示。

本次试验所用砂砾石料选自顺江堰原坝体下游左岸。

2 富浆胶凝砂砾石设计方法

2.1 双级配双重强度标准的“钻石带理论”

对于不同级配的砂砾石料，在进行室内试验时用水量无法固定为某一确定的值，会形成一个用水量控制波动范围，即用水量的“带”控制或边界控制。在此用水量控制范围的下限，会因为用水量过低，而导致浆体较少，使得拌和物无法碾压密实，不能获得足够的强度；相反，如果在控制范围的上限，用水量相对较多，不仅会导致胶凝砂砾石的强度降低，也会使其工作性能变差。因此，对于不同级配砂砾石，拌和形成胶凝砂砾石材料用水量与强度会随着砂砾石骨料粒径级配变化而变化[5]。

图1 顺江堰溢流坝坝体剖面

在图2中将具有一定适宜范围的用水量以及与之相对应的强度分布范围用垂直线标出，在该范围内画出同时满足平均级配设计龄期强度高于配制强度、最细级配设计龄期强度不低于设计强度、并相交于胶凝砂砾石母材级配最细级配和最粗级配之间的阴影部分，称之为胶凝砂砾石的“钻石带”，如图2所示，该图用于表示双级配双重强度标准的“钻石带理论”[6]。

图2 富浆胶凝砂砾石的钻石带理论

2.2 级配控制范围

在胶材用量不变的情况下，骨料母材级配分布的不均匀，会导致胶凝砂砾石材料的用水量不断变化，最终导致材料强度的波动。就理论而言，用水量的固定可以依靠密切观察砂砾石骨料级配和含水率的波动而实现，但实际操作起来并不现实。

解决问题的思路如下：首先针对骨料颗粒粒径分布仔细筛分，获得工程现场砂砾石料的边界情况，即胶凝砂砾石的最细级配和最粗级配，现场材料级配将分布在此边界级配之内。

级配控制主要是控制砂砾石母材的最大粒径[7]，但是这种方法会导致弃料过多；除此之外，可以考虑对砂砾石料进行简单的筛分、复配，剔除粒径在80 mm以上的超径骨料，砂砾石级配归并为80～40，40～20，20～5，5 mm以下的级配，在此基础上，以d=Xmm粒径的干筛进行二次筛分，然后以适当的比例对小于和大于Xmm的两部分砂砾石骨料再进行适当比例复配，可以有效解决上述问题，使砂砾石骨料级配不均匀性显著降低，进一步控制富浆胶凝砂砾石的强度，如图3所示。

图3 富浆胶凝砂砾石的级配控制

3 常态拌和富浆胶凝砂砾石配合比试验

3.1 设计准则

四川顺江堰溢流坝最大坝高为11.6 m，坝前挡水高度为4.0 m，应力水平相对较低。综合考虑其运行工况，垫层及防渗保护层常态拌和胶凝砂砾石设计强度为C9020。

根据SL678-2014《胶凝颗粒料筑坝技术导则》[8]：最细级配应满足设计强度20 MPa；平均级配不得低于配制强度要求，其值大小按下式计算：

fcu,o=fcu,k+tσ

(1)

式中,fcu,o为常态拌和胶凝砂砾石的配制强度，MPa，强度龄期取90 d；fcu,k为常态拌和胶凝砂砾石设计强度标准值，MPa；t为概率度系数，依据保证率P选定(保证率P取85%)；σ为常态拌和胶凝砂砾石抗压强度标准差，MPa。

由于常态拌和胶凝砂砾石的使用国内无先例工程可供参考，可参照标准JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[9]及SL678-2014《胶凝颗粒料筑坝技术导则》取标准差σ值为4 MPa。

经计算，垫层及防渗保护层通过设计强度为C9020W906F9050的常态拌和胶凝砂砾石配制，强度为24.2 MPa。故平均级配强度设计值为24.2 MPa，最细级配强度设计值为20.0 MPa(均为90 d龄期)。

3.2 常态拌和配合比设计试验

试验采用的最大骨料粒径为80 mm，级配比例见表1。分别采用砂率为35%和31%进行最细级配和平均级配试验。根据最细级配胶凝砂砾石设计龄期90 d强度满足20.0 MPa、平均级配设计龄期90 d强度满足24.2 MPa来寻找适宜的水胶比。适当水胶比范围内，从0.45～0.60每隔0.05取一组，其中粉煤的掺量为30%，试验中根据材料稀稠度合理选取用水量，详见表2。配合比设计完成后，共对表2中5组编号胶凝砂砾石进行抗压强度试验30组(试块均为立方体，尺寸为15 cm×15 cm×15 cm)。为减少误差，每组强度值均为3次试验的平均值，详见表3。

表1 富浆胶凝砂砾石的级配控制

表2 最细和平均级配配合比设计

表3 最细级配和平均级配强度试验结果

从表2～3中可知，4组最细级配90 d抗压强度值都满足设计强度要求。为了达到一定经济性，胶凝材料用量尽可能偏少，经计算，最细级配配合比选用FX-3，相应的胶凝材料用量225 kg/m3，其28 d抗压强度为14.5 MPa，90 d抗压强度为23.6 MPa；平均级配配合比选用FP-1的胶凝砂砾石，胶凝材料用量218 kg/m3，其28 d抗压强度为20.1 MPa，90 d抗压强度为35.2 MPa。

4 加浆拌和富浆胶凝砂砾石配合比设计试验

在胶凝砂砾石实际施工过程中，材料的拌制只能采用专用拌和设备进行拌制，但所用仪器只能拌制干硬性材料，所以加浆拌和胶凝砂砾石采用两次分开拌和(初次拌和和二次拌和)的施工工艺。

4.1 初次拌和配合比设计

由于砂砾石的平均级配代表原材料的整体情况，根据最细级配确定的胶材用量，以平均级配进行试验，初次拌和试验配和比及试验结果见表4。

表4 富浆胶凝砂砾石初次配合比设计及试验结果

4.2 二次拌和配合比设计

二次拌和过程中，采用正交设计安排试验，选用L16(43×23)正交表，其水平因素见表5，根据正交表设计结果确定配合比，见表6。

表5 净浆配合比试验设计水平因素

表6 加浆二次拌和材料配合比

4.3 试验结果及分析

4.3.1试验方法及计算

试件养护90 d后,选用YA-3 000B电液式压力试验机测定试件的破坏荷载，仪器最大量程为3 000 kN，精度为1级。一共进行了40组试验抗压强度试验(试块均为立方体，尺寸为15 cm×15 cm×15 cm)。

根据正交试验数据破坏荷载的实测值，按公式(2)计算胶凝砂砾石立方体的抗压强度(精确至0.1 MPa)：

(2)

式中,fcc为抗压强度，MPa；P为破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

根据相关规程[10]表述：虽然破坏荷载数据的波动性较大，但仍按实测数据计算抗压强度值，破坏荷载取3组破坏荷载实测值的算术平均值，如表7所示。

表7 正交试验抗压强度汇总

4.3.2极差法分析

实践证明，极差法通过简单的计算就能判断出试验的优化结果。因此，本文采用极差法对16组试验结果进行分析，结果如表8所示。

从表8可以得出，通过比较极差的大小来判断影响加浆拌和胶凝砂石抗压强度的主次因素[11]，发现水胶比的极差明显大于加浆量的极差，故水胶比对抗压强度的影响更大。根据计算结果可绘制出图4～5。从图中可知，不同因素下具有不同的变化规律,水胶比从0.8逐渐增大至1.6时，抗压强度呈单调递减趋势，采用纯水后抗压强度继续下降至10 MPa以内；加浆量从1.5%增大至3.0%过程中，抗压强度下降较缓，由24.5 MPa降至20 MPa左右。即在本次试验范围内，抗压强度与水胶比和加浆量均成反比例关系。

表8 极差法分析加浆拌和胶凝砂砾石抗压强度的主次因素

注:K1～K4为某水平抗压强底量和，k1～k4为对应水平平均值，ω为k1～k4中最大值与最小值之差。

图4 加浆拌和水胶比与抗压强度的关系曲线

图5 加浆量与抗压强度的关系曲线

4.4 配合比优选

依据4.3.2节分析所得到的结论[12]，选择本次试验范围内尽可能小的水胶比与加浆量，即最优浆液配合比为水胶比0.8、加浆量1.5%、粉煤灰掺量30%，拌和次数25次。

在顺江堰原坝体下游左岸选取砂砾石料，通过正交试验[13]并选取具有代表料场整体性的平均级配作为试验材料。从表7中看到16组抗压试件的最终结果离散性比较大，说明二次拌和中各种因素对试验结果的波动性影响很大，所以二次拌和配合比应尽量简化，减小试验结果的离散性，即最终配合比的选取如下：加强初次拌和，在此基础上对二次拌和的配合比设计如下：水胶比0.8，加浆量1.5%(水泥净量)，拌和次数为25，粉煤灰掺量取为0。在初次拌和级配试验的基础上进行二次拌和，得知加浆拌和胶凝砂砾石的28 d和90 d抗压强度分别为14.1MPa和25.8MPa。

4.5 试验结果比较

由于砂砾石的平均级配代表原材料的整体平均情况，故本节只对平均级配进行试验，再与常态拌和胶凝砂砾石平均级配的试验结果进行对比，判断加浆拌和过程对试验过程强度的影响，结果如表9所示。

表9 常态拌和与加浆拌和胶凝砂砾石抗压强度对照

由表9可得，初次拌和获得的富浆干硬性材料其强度小于常态拌和工况下强度，但大于加浆拌和工况的强度；加浆拌和胶凝砂砾石28 d强度为14.1MPa，常态拌和胶凝砂砾石5组28 d的强度平均值为25.1 MPa，是加浆拌和胶凝砂砾石28 d强度1.78倍。加浆拌和胶凝砂砾石90 d设计龄期强度为25.8 MPa，常态拌和胶凝砂砾石5组90 d的强度平均值为41.3 MPa，是加浆拌和胶凝砂砾石90 d强度1.60倍。其中，加浆拌和胶凝砂砾石90 d设计龄期强度值(25.8 MPa)接近于常态拌和胶凝砂砾石5组28 d的强度平均值的强度值(25.1 MPa)。

5 结 论

基于钻石带理论，遵循富浆胶凝砂砾石防渗保护结构的胶凝材料配合比设计准则，通过对常态拌和和加浆拌和两种富浆胶凝砂砾石配合比设计方法进行试验对比，得出如下结论。

(1)通过常态拌和胶凝砂砾石的配合比试验研究，得知对于最细级配配合比，应选用水胶比0.60、砂率35%、胶凝材料用量225 kg/m3，28和90 d抗压强度分别为14.5 MPa和23.6 MPa；平均级配配合比选用水胶比0.50、砂率31%、胶凝材料用量218 kg/m3，28和90 d抗压强度分别为20.1 MPa和35.2 MPa，其设计龄期的抗压强度满足设计要求。

(2)通过L16(43×23)正交试验，采用极差法对加浆拌和试验结果进行分析，为减小试验结果的离散性，加浆拌和配合比应该尽量简化，得到加浆拌和胶凝砂砾石配合比设计二次拌和的配合比如下：水胶比0.8，加浆量1.5%，拌和次数为25，粉煤灰掺量取为0。运用极差法分析影响强度的主次因素发现，相对于加浆量，水胶比对抗压强度影响更大。且在本次试验范围内，抗压强度与水胶比和加浆量均成反比例关系。

(3)加浆拌和胶凝砂砾石28和90 d强度均小于常态拌和胶凝砂砾石的强度；常态拌和胶凝砂砾石5组28 d强度是加浆拌和胶凝砂砾石28 d强度的1.78倍；常态拌和胶凝砂砾石5组90 d的强度是加浆拌和胶凝砂砾石90 d强度的1.60倍。