胶凝砂砾石配合比设计研究与工程应用

闫林 何建新 杨海华

摘 要：针对某实际胶凝砂砾石永久性水利工程特性进行配合比设计，采用丁朴荣理论公式法和最大密度试验法进行三种砂砾石料混合级配设计，并结合配合比试验研究优选胶凝材料用量和水胶比。胶凝砂砾石材料的抗压强度随着胶凝材料用量的增大而增大，且在胶凝材料用量大于100 kg/m3时，胶凝砂砾石材料力学性能趋向于混凝土。此外，在同一胶凝材料用量下，试件抗压强度随水胶比的增大呈现先增大后减小的趋势，即存在最优水胶比。综合实际施工技术、节约经济及抗压强度富余度等条件，最终为该工程推荐胶凝材料用量为100 kg/m3，水胶比为1.0。

关键词：胶凝砂砾石;配合比设计;级配;胶凝材料用量;最优水胶比

中图分类号：TV41 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.018

Abstract： This paper details the mixture ratio design of the Permanent Water Conservancy project of the actual cementing sand and gravel. The Ding Pu-rong theory formula method and the maximum compactness test method were used to carry out three kinds of sand and gravel mixture gradation design. And combining the mix ratio test to optimize the amount of cementitious materials and the ratio of water and rubber. The compressive strength of cementitious sand-gravel material increases with the increases of the dosage of cementitious materials. And when the dosage of cementitious material is greater than that of 100 kg/m3， the mechanical properties of cementitious sand-gravel materials tend to be concrete. In addition， under the same cementitious material dosage， the tendency of the compressive strength of specimen was increased first and then decreased with the increase of the ratio of water to rubber. And the optimal water glue ratio was found in the test results. Combined with the actual construction technology， economical and the surplus degrees of compressive strength， the recommended cementitious materials dosage and water glue ratio for the project is 100 kg/m3 and 1.0， respectively.

Key words： cementitious sand gravel; proportioning design; gradation; gel material dosage; optimal water glue ratio

膠凝砂砾石坝是介于土石坝和混凝土坝之间的一种过渡坝型，其使用材料胶凝砂砾石（简称CSG）是用少量的胶凝材料（如水泥、粉煤灰）及原则上不经过筛分和水洗的坝址区河床砂砾石料，通过简易拌和、摊铺、振动碾压而形成的具有一定抗压、抗剪强度的新型筑坝材料[1-4]。胶凝砂砾石材料的应用起源于20世纪70年代，由于其符合“宜材适构”的建筑理念，且具有施工快速、经济环保、安全性高等特点[5-7]，因此在国外永久性水利工程中得到广泛应用。但其在我国永久性水利工程中鲜有使用，究其原因：一是目前国内学者在进行胶凝砂砾石配合比设计研究时，对于砂砾石料不进行级配筛分或采用三级配设计，致使理论方法不统一，试验和研究结果有差异;二是不进行砂砾石料级配筛分时，实际工程现场天然砂砾石料级配离散性太大，造成胶凝砂砾石强度离散性过大，使得胶凝砂砾石坝施工质量难以控制。

新疆某调蓄水池坝型为胶凝砂砾石坝，是新疆首座采用胶凝砂砾石材料的永久性水利工程，调蓄水池最大坝高22.31 m，坝顶长68.0 m，宽4.0 m，大坝上游坡比为1∶0.50，下游坡比为1∶0.75。大坝通体分两区，皆采用胶凝砂砾石材料填筑。经调查发现，该工程坝址区河床的天然砂砾石料（A料）中细料含量过少，仅为18.4%，级配偏粗，且含泥量（为3.6%）稍高。结合前期室内试验得出，A料在胶凝材料用量达到120 kg/m3时28 d抗压强度勉强满足设计要求，为4.16 MPa，但此时胶凝材料用量较多，试件空隙较大，蜂窝麻面严重。本研究通过丁朴荣理论公式法和最大密度试验法改善砂砾石料级配，并结合胶凝砂砾石配合比试验分析各项因素对胶凝砂砾石材料的影响，为该工程

配合比设计提供理论依据和技术参考。

1 原材料及试验方法

1.1 砂砾石料

A料为坝址区河床剔除粒径大于80 mm颗粒后的砂砾石料;B料为A料剔除部分加工破碎颗粒后产生的砂砾石料，其粒径小于60 mm;C料是由外料场提供的细料，粒径小于5 mm。该工程拟混合使用A、B、C三种砂砾石料，以达到减少胶凝材料用量和提高胶凝砂砾石材料强度的目的。三种砂砾石料级配见表1。

1.2 其他原材料

试验水泥采用新疆蒙鑫P.O42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用准东东方希望电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，水为普通自来水。

1.3 试验方法

借鉴国内外相关研究经验进行配合比设计试验[8-11]，结合该工程设计要求，将VC值（用来衡量干硬性或低流塑性拌和物流动性能的指标）控制在2～15 s，进行室内试验时考虑砂砾石料的饱和面干吸水量，在此基础上根据VC值调整水胶比，并设置对照组试验。采用维勃稠度仪测定VC值，VC值测定后，采用湿筛法剔除粒径大于40 mm的砂砾石料，并分三层装入150 mm×150 mm×150 mm的钢试模中，每层插捣后击实，击实功为0.537 J/cm3。将击实后的试件表面抹平并称重，每组试验制作3个试件，将3个试件的抗压强度平均值作为该组试验的结果。胶凝砂砾石配合比设计及实测参数见表2。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

成型试件盖封2 d后脱模，室内采用棉布包裹覆盖，恒温（20±2） ℃洒水养护28 d。抗压强度采用STYE-200J型岩石抗剪抗压试验机测定，将加载速度控制为0.8 kN/s，直到试件破坏，试件28 d抗压强度试验结果见表3。

2.2 砂砾石料级配设计

砂砾石料含量占胶凝砂砾石材料的90%以上，对胶凝砂砾石材料力学性能具有重要影响。不同地区砂砾石料级配差异性显著，即便是同一地区的砂砾石料，级配也存在随机性，砂砾石料级配的差异性是造成胶凝砂砾石材料抗压强度离散性的主要原因，也是制约胶凝砂砾石在永久性工程中使用的主要因素。通过可靠的理论依据调整几种级配不良的砂砾石料混合比例，以改善混合后的砂砾石料级配，对胶凝砂砾石材料在实际工程中的运用具有重要价值。

2.2.1 丁朴荣理论公式法

针对该工程三种不同级配的砂砾石料用量，进行人工调配，以优化其级配。采用丁朴荣级配理论公式计算最优配合比例[12]，得到理论最大密实度下的砂砾石料级配组成，即

式中：Pi为筛孔直径di的通过率，%;F为粒径小于0.075 mm的填料用量，%;n为级配指数;di为某一筛孔直径，mm;Dmax为石料最大粒径，mm;d0.075为填料最大粒径，d0.075=0.075 mm。

可以看出，影响级配的关键因素为填料最大粒径、级配指数和粒径0.075 mm颗粒用量等取值。根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》[13]及前人试验总结得到：砂砾石料最大粒径不宜超过80 mm，小于5 mm粒径细料的含量以18%～35%为宜。张傲齐[14]认为新疆地区胶凝砂砾石工程建设中，骨料的最大粒径宜选择100 mm，级配指数宜为0.30～0.36。刘录录[15]进一步提出，小于5 mm粒径细料的最优含量为25%～30%，在砂砾石料用量优选时将其作为参考。

采用丁朴荣理论公式经多种情况求解得到三种砂砾石料混合比例为A料∶B料∶C料=75∶15∶10时，理论级配曲线与合成级配曲线拟合程度最佳，最优级配组成见表4。取A料级配曲线作为对比，砂砾石料级配曲线见图1。可以看出，理论级配曲线与合成级配曲线拟合良好，与理论级配相比A料级配明显偏粗，合成砂砾石料中细料含量明显提升，达到31.3%，含泥量（为3.1%）有所降低。

2.2.2 最大密实度试验法

不同于振捣密实的普通混凝土施工工艺，胶凝砂砾石施工宜采用类似于碾壓混凝土振动碾压的施工工艺，因此胶凝砂砾石级配设计采用相对密度试验原理更为适宜。砂砾石料混合比例不同对应最大密实度不尽相同，砂砾石料密实度越大土体颗粒空隙越小、所成型胶凝砂砾石密实度越大，此时使用较少的浆体（胶凝材料浆体）即可满足胶结要求。

采用相对密度试验仪对各组混合砂砾石料分别进行3次最大密实度试验，试验振动频率为50 Hz，振幅为±1 mm，顶部施加正应力14 kPa，振动时间为6～8 min，将3次试验的平均值作为最终结果，试验组合及结果见表5。

由表5可知，当砂砾石料混合比例为75∶15∶10时，砂砾石料的最大密实度为2 120 kg/m3，试验最优混合比例与丁朴荣理论公式计算比例相吻合，证明利用理论公式法进行设计、最大密度试验法进行复核可有效解决胶凝砂砾石工程砂砾石料级配离散性的问题，从而提高胶凝砂砾石材料的适用性和易用性。

综上所述，在混合比例为75∶15∶10的合成砂砾石料基础上进行胶凝砂砾石配合比试验研究更为合理，可规避砂砾石料级配问题带来的影响。胶凝砂砾石实测密度与抗压强度的关系见图2。

随着实测密度的增大抗压强度不断增大，相同条件下实测密度与抗压强度成正比。通过计算，拟合出其一次函数（关系式），确定系数R2为0.95，线性相关程度较高。由此说明，通过砂砾石料最大密度控制砂砾石料级配是可行的，对设计胶凝砂砾石配合比有利。

2.3 胶凝材料用量设计

胶凝材料用量是影响胶凝砂砾石材料抗压强度的主要因素。《胶结颗粒料筑坝技术导则》[13]中指出胶凝材料用量不宜低于80 kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3，粉煤灰和其他掺合料的总含量宜为40%～60%。因此，对胶凝材料用量m分别设为80、100、120 kg/m3的试件进行抗压强度试验，其中胶凝材料配合比为水泥∶Ⅱ级粉煤灰=1∶1。由图3可知，胶凝砂砾石材料的抗压强度随胶凝材料用量的增大而增大，在水胶比w分别为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2时，抗压强度随胶凝材料用量的增大分别提升了42%、44%、26%、22%、22%，且在胶凝材料用量大于100 kg/m3时，抗压强度增长率平均提高了9%，此时胶凝砂砾石材料力学性能更趋同于混凝土的。

2.4 水胶比设计

水胶比对胶凝砂砾石材料的密实度和强度有重要影响。由图4可知，同一胶凝材料用量下，试件抗压强度先随水胶比的增大而增大，出现峰值后下降。原因是：一方面砂砾石料具有一定的空隙，所能填充的浆体是一定的，在不改变浆体体积的情况下，胶凝材料用量与用水量成反比，使得水胶比随着胶凝材料用量的增大而减小。另一方面试件抗压强度与浆体浓度有关，当浆体浓度过稠时，拌和物干涩不易击实，造成试件密实度降低，抗压强度减小;当浆体浓度过稀时，拌和物易泌水，造成部分胶凝材料分布不均或随水分流失，试件强度减小。因此，胶凝材料用量为80、100、120 kg/m3时，对应的最优水胶比分别为1.1、1.0、0.9。

2.5 推荐配合比

该胶凝砂砾石坝工程设计要求28 d抗压强度不小于4.0 MPa，由表3可以看出，胶凝材料用量达到80（仅当水胶比为1.1和1.2时）、100、120 kg/m3时，抗压强度都可满足要求，但120 kg/m3的胶凝材料用量过大，工程造价较高。当胶凝材料为80 kg/m3、水胶比为1.1时，合成料抗压强度为4.15 MPa，满足工程设计要求，然而此时强度富余度不足，对施工技术要求过高，实际施工中保证率较低。综合上述分析，推荐该工程胶凝材料用量为100 kg/m3，水胶比为1.0。

3 结 论

（1）选用天然砂砾石料作为胶凝砂砾石的原材料时，原则上无需考虑级配问题，但在特殊情况下人为适当调整砂砾石料级配对降低胶凝材料的用量和工程造价是较为有利的。针对该工程，采用丁朴荣理论公式法和最大密度试验法能够有效改善砂砾石料的级配，理论清晰，结果可靠，推荐砂砾石料混合比例为A料∶B料∶C料=75∶15∶10。

（2）通过配合比设计试验可知，胶凝砂砾石材料的抗压强度随着胶凝材料用量的增大而增大，且在胶凝材料用量大于100 kg/m3时，其力学性能更趋同于混凝土的。同一胶凝材料用量下，试件抗压强度先随水胶比的增大而增大，出现峰值后下降，即存在最优水胶比。

（3）考虑实际施工技术、节约经济及抗压强度富余度等条件，推荐该工程胶凝材料用量为100 kg/m3，水胶比为1.0。

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【責任编辑 张华岩】