基于石膏砂浆的软弱岩层相似材料配合比试验研究

程俊伟，崔文杰，孔令弟，王骁男，于海洋，徐 程

(1.山东高速基础设施建设有限公司，山东 济南 250000； 2.山东高速岚临高速公路有限公司，山东 临沂 276713；3.济南市政工程设计研究院，山东 济南 250002； 4.山东高速岩土科技有限公司，山东 济南 250102)

岩土模型试验是根据一定的相似原理对特定岩土工程问题进行缩尺研究的一种常用方法，其中正确选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键[1]。相似材料模拟试验具有试验周期短、可重复性和可控性强等优点，直观再现采空区导致的地基变形和地表沉陷情况，并可用于理论分析和数值仿真计算的结果验证。在该类型试验中，试验结果的精度取决于模型材料与工程现场真实材料之间的物理和力学相似性。软弱岩层是岩土工程实践过程中最为常见的欠稳定地质条件之一[2-3]。本文首先通过相似理论方法确定软弱岩层相似材料物理和力学参数，基于已有经验，优选原材料；然后，通过开展强度试验和密度试验，确定最终模型材料配比，为相关模型试验的开展提供配合比设计参考依据[4-10]。

1 试验材料及基本性质

模型试验中用于模拟岩石的相似材料通常由胶结料和骨料组成，常用的胶结材料有水泥、粉煤灰、石膏粉、石灰、黏土、水玻璃、凡士林等，常用的骨料有河砂、(铁铜)矿粉、重晶石粉等。本次模型试验采用石膏粉作为胶结材料。根据试验要求和已有相似材料配制试验，选择以最大粒径为2 mm的石英砂作为骨料，以石膏粉作为胶结料，通过掺入一定比例的水，配制石膏砂浆用作岩层相似材料。

1.1 石膏

考虑搅拌时间与浇筑模具等试验需求，最终选用细度模数为200目、初凝时间约为2 h的黄氏建材石膏粉(后简称为H-石膏粉)。取水灰比(质量比，下同)为0.5∶1,0.55∶1与0.6∶1，将石膏粉与水混合后搅拌形成石膏净浆，倒入尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体模具中，在室内常温条件下养护，分别检测其12 h,24 h,3 d,7 d的抗压强度。试验结果如图1所示。

由图1可知，石膏净浆试件强度在养护时间24 h后趋于稳定，且随水灰比的增大而减小，水灰比为0.5∶1时，石膏净浆养护24 h后抗压强度约为0.8 MPa；水灰比为0.55∶1时，24 h后抗压强度约为0.55 MPa；水灰比为0.6∶1时，24 h后抗压强度均小于0.4 MPa。

1.2 砂集料

考虑浇筑过程中砂浆的和易性，初步确定砂集料级配为粗砂∶细砂的质量比=1∶0.3，根据《公路土工试验规程》[11]，取筛孔孔径(mm)为4.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.075的标准筛对采购的两批石英砂进行筛分试验，得到如图2所示的颗粒级配曲线。

根据级配曲线与最大最小干密度实验，可得砂的物理性质参数，列入表1。

表1 石英砂物理参数

2 正交试验设计与试验方法

2.1 石膏砂浆强度初试配合比

根据石膏净浆试验结果，选取三组石膏砂浆配合比开展试验，即砂∶石膏粉∶水=3∶1∶0.5,3∶1∶0.55,3∶1∶0.6。为保证材料和易性，加入质量比占水质量2%的减水剂，搅拌后浇筑成尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件，置于室内常温条件下养护，分别测定试件12 h,24 h,48 h,3 d,7 d的无侧限抗压强度。

具体试验结果如图3所示，石膏砂浆试件强度于12 h 后基本趋于稳定，随水灰比的增大而减小。配合比为3∶1∶0.5时，石膏砂浆的立方体无侧限抗压强度约为1 MPa；配合比为3∶1∶0.55时，无侧限抗压强度约为0.5 MPa；配合比为3∶1∶0.6时，石膏砂浆立方体无侧限抗压强度约为0.35 MPa。

2.2 相似材料与配合比

根据相似材料设计需求和以上初步试验结果，并结合前人相关研究结果[12-13]，取砂集料的粗细比、砂膏比、水灰比三个影响因素设计正交试验。通过材料正交试验，研究相似材料物理指标和力学指标的关键影响因素，从而指导后期配合比设计。根据正交试验方法，选择4个影响水平、3个影响因素，绘制L9(43)相似材料配比实验表(如表2所示)。

表2 正交试验设计

2.3 试验方法

根据《公路土工试验规范》与《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[14]，石膏砂浆立方体无侧限抗压强度试验与密度试验均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件。试件置于常温状态下养护，24 h后脱模机脱模。对养护后试件开展抗压试验，加荷速度设定为0.5 mm/min～1 mm/min，加载直至试件破坏，记录破坏荷载。每组进行三次平行试验，当三组试验测量值的最大值或最小值与中间值之差不超过中间值的15%时，则取中间值为测定值；如超过15%，该组试验无效。

3 试验结果分析

3.1 抗压试验数据

石膏砂浆密度和抗压试验结果如表3所示。

表3 正交试验结果

对石膏砂浆的密度与抗压强度两种物理性质分别进行正交极差分析，根据正交试验表计算三种因素的影响因子极差表，计算结果列于表4。

表4 正交试验极差分析

图4,图5分别为不同石膏砂浆物理性质正交试验敏感性分析图，图中横坐标为不同正交水平下各正交因素的取值，纵坐标为在不同正交水平下，某一影响因素取值相同的试验结果的均值，根据图4，图5更直观的分析正交实验表中不同影响因素对石膏砂浆不同物理性质的影响程度。

石膏砂浆试件的密度与抗压强度均受水灰比影响最大，且均随水灰比的增大近似呈线性关系不断减小。关于石膏砂浆强度方面的性质，集料粗细比与砂膏比影响类似且影响较小，因此针对石膏砂浆材料强度性质进行分析时，主要考虑水灰比的影响。粗细比对石膏砂浆的密度有一定的影响，由前期测得砂集料的级配曲线可知，当砂集料粗细比为1∶0.25时其集料级配属于骨架空隙型级配，当砂集料粗细比不小于1∶0.5时为密级配，因此其对密度的影响规律表现为先略微减小后增大。

3.2 石膏砂浆相似材料评价

采用石膏粉、石英砂与水三种基本原材料，并掺加适量减水剂，配置的相似材料的参数取值范围跨度较大，可较好满足一般模型试验较软弱风化岩层的需求，具体取值范围见表5。

表5 石膏砂浆物理性质取值范围

4 结语

采用常见的石膏粉、石英砂与水三种基本原材料并掺加适量减水剂配制石膏砂浆材料，正交试验结果表明石膏砂浆材料养护12 h后强度趋于稳定，且水灰比、集料粗细比以及砂膏比的影响主次顺序为水灰比>粗细比>砂膏比，材料不同配合比条件下密度与抗压强度取值范围分别为1.653 g/cm3～2.155 g/cm3和0.19 MPa～2.29 MPa。