賈金生，劉中偉，鄭璀瑩，翟 潔，王 月，馬鋒玲

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

膠凝砂礫石壩（Cemented Sand，Gravel，and Rock（CSGR）dam）屬于膠結(jié)顆粒料壩（Cemented Ma?terial Dam）（CMD）的一種，是我國基于法國、日本、土耳其和希臘等國關(guān)于Hardfill壩和CSG壩的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出的，國內(nèi)外很多學(xué)者對該種壩型進(jìn)行了深入研究和廣泛關(guān)注［1-6］，目前中國已經(jīng)發(fā)布了行業(yè)技術(shù)規(guī)范《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》［7］。膠凝砂礫石壩主要應(yīng)用于河床砂卵石豐富的地區(qū)，對于無天然河床砂卵石或者存在大粒徑漂石或者孤石的地方，往往需要人工破碎，因而可以發(fā)展膠結(jié)人工砂石。

膠結(jié)人工砂石（Cemented Artificial Sand and Rock（CASR）dam）是膠凝砂礫石的一種，它是采用工程現(xiàn)場附近易獲得的石料，用快速、簡化的機(jī)械破碎方法制成無篩分、無水洗的人工破碎砂石料，通過與較少量的膠凝材料拌和，經(jīng)攤鋪、振動(dòng)碾壓后形成的具備一定強(qiáng)度和耐久性的筑壩材料［8］。

膠結(jié)人工砂石壩屬于膠結(jié)顆粒料壩的范疇，為國內(nèi)外首次提出，并取得了相應(yīng)的發(fā)明專利［9-10］。若采用合理的配合比參數(shù)和施工工藝，膠結(jié)人工砂石壩可繼承混凝土重力壩和膠凝砂礫石壩的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)建設(shè)成本較混凝土壩低廉，其材料性能更可能優(yōu)于基于天然砂石的膠凝砂礫石壩。同時(shí)，可優(yōu)選破碎工藝，減少破碎過程中產(chǎn)生的石粉量，采取措施控制級(jí)配，不含泥，其耐久性相對于膠凝砂礫石壩也會(huì)得到顯著提高。因此，有必要對膠結(jié)人工砂石的破碎工藝和配合比參數(shù)等展開系統(tǒng)研究。

本文在前期膠結(jié)人工砂石材料性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上［10］，對膠結(jié)人工砂石骨料的破碎工藝進(jìn)行探討，考慮砂率、膠凝材料用量、水膠比等參數(shù)的影響，開展膠結(jié)人工砂石力學(xué)性能和耐久性能的研究，分析確定膠結(jié)人工砂石適宜的配合比參數(shù)；并通過計(jì)算分析確定膠結(jié)人工砂石壩合理的斷面設(shè)計(jì)，進(jìn)而與重力壩、土石壩的技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行對比，本文研究結(jié)果可為工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)原材料與方法

2.1 膠凝材料水泥采用北京太行前景水泥有限公司生產(chǎn)的金隅普通硅酸鹽42.5水泥。品質(zhì)檢測執(zhí)行GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》［11］，檢測結(jié)果見表1和表2。從表中可見，所檢材料性能的試驗(yàn)結(jié)果滿足GB175-2007中規(guī)定的技術(shù)要求。

表1 水泥品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

表2 水泥強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果

粉煤灰為云南省宣威發(fā)電粉煤灰開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰（以下簡稱宣威灰）。粉煤灰的品質(zhì)檢驗(yàn)執(zhí)行GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》［12］，品質(zhì)檢測結(jié)果見表3。

表3 粉煤灰品質(zhì)檢測結(jié)果

2.2 砂石骨料試驗(yàn)中，砂、大石（40～80mm）、特大石（80～150mm）采用溪洛渡工程的玄武巖人工骨料，小石（5～20mm）、中石（20～40mm）均為北京周邊料場的灰?guī)r人工骨料，骨料顆粒比較均勻。砂、石骨料性能檢測結(jié)果見表4。

表4 砂石骨料品質(zhì)檢測結(jié)果

2.3 配合比設(shè)計(jì)在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對破碎料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得出最粗級(jí)配、最細(xì)級(jí)配和平均級(jí)配砂石料，配合比設(shè)計(jì)方法與膠凝砂礫石相同［13］。膠結(jié)人工砂石采用碾壓施工工藝，配合比參數(shù)中的骨料級(jí)配、用水量等都在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。從膠結(jié)人工砂石壩工程設(shè)計(jì)角度來看，對筑壩材料最關(guān)注的是密實(shí)性、強(qiáng)度與耐久性，因此需對配合比參數(shù)中砂率、水膠比、膠凝材料用量、粉煤灰摻量等對膠結(jié)人工砂石強(qiáng)度及耐久性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。膠凝砂礫石中的砂率是影響強(qiáng)度的重要參數(shù)，合理的砂率能使膠結(jié)人工砂石拌和物獲得最大的流動(dòng)度，且能保持良好的粘聚性。在試驗(yàn)中，砂率定為20%、25%、30%、35%四個(gè)水平，膠凝材料用量固定為80 kg/m3，其中水泥和粉煤摻量為1∶1，通過調(diào)整用水量以滿足工作性要求，膠結(jié)人工砂石的配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5。不同膠凝材料摻量的膠結(jié)人工砂石配合比見表6。含氣量影響試驗(yàn)見表7。

表5 砂率影響試驗(yàn)

表6 膠凝材料摻量影響試驗(yàn)

表7 含氣量影響試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 砂率對強(qiáng)度的影響由表8可見當(dāng)砂率在20%～30%范圍內(nèi)，隨砂率的增大，用水量增加，水膠比增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)砂率超過30%后，膠凝砂礫石強(qiáng)度會(huì)明顯下降。隨砂率的增大，用水量增加，水膠比增大。圖1為膠結(jié)人工砂石90d齡期破壞后形貌，砂率20%時(shí)試件粗骨料之間的空隙未被砂漿完全填滿，形成了大孔結(jié)構(gòu)。砂率25%時(shí)拌和物表面粗骨料偏多，骨料有小部分裸露。砂率為28%的試塊，斷面呈現(xiàn)青灰色，砂率較為適中。砂率為35%的試塊，斷面呈人工砂的顏色，敲擊即潰散，可見包裹骨料的漿體明顯偏少。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦適宜的砂率為25%～30%。

表8 不同砂率的膠結(jié)人工砂石配合比和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 膠結(jié)人工砂石抗壓試件破壞面形貌

3.2 膠凝材料摻量對強(qiáng)度的影響固定砂率為28%，并確定膠材摻量對膠結(jié)人工砂石強(qiáng)度的影響，見表9，抗壓強(qiáng)度增長系數(shù)和劈拉強(qiáng)度增長系數(shù)見表10。

表9 不同膠凝材料摻量的膠結(jié)人工砂石材料性能

表10 不同膠凝材料摻量的膠結(jié)人工砂石強(qiáng)度增長系數(shù)

3.3 水膠比對強(qiáng)度的影響強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，膠結(jié)人工砂石抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系與碾壓混凝土相同，具有較好的線性關(guān)系，如圖2，28d、180d擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0.853、0.885；當(dāng)膠凝材料在100～140kg/m3范圍內(nèi)，粉煤灰摻量為50%時(shí)，隨膠凝材料用量的增加，水膠比減小，抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)粉煤灰摻量為50%時(shí)，水膠比為0.80的膠結(jié)人工砂石180d抗壓強(qiáng)度為22.5MPa，可滿足C18015的強(qiáng)度要求；

3.4 不同含氣量的膠結(jié)人工砂石耐久性抗?jié)B試驗(yàn)采用逐級(jí)加壓法［14］，由表9可知，膠結(jié)人工砂石的抗?jié)B等級(jí)均大于W6，且滲水高度均較低，具有良好的抗?jié)B性能，可滿足膠結(jié)人工砂石壩壩體對抗?jié)B的要求。

抗凍性能是混凝土材料耐久性設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，往往也是選定膠凝砂礫石配合比的控制性因素［15］。由于膠結(jié)人工砂石對抗凍性能有一定要求，進(jìn)行不同含氣量膠結(jié)人工砂石的抗凍試驗(yàn)?？箖鲈囼?yàn)結(jié)果見圖3。由試驗(yàn)結(jié)果可見，當(dāng)含氣量達(dá)到5.5%以上，水膠比0.65的膠結(jié)人工砂石抗凍性可達(dá)到F150；含氣量為4.5%時(shí)，水膠比為0.60的膠結(jié)人工砂石抗凍性為F75；當(dāng)水膠比降至0.55時(shí)，膠結(jié)人工砂石具有良好的抗凍性能，150次凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量大于80%。因而，含氣量和水膠比是膠結(jié)人工砂石抗凍性的控制性因素，當(dāng)膠結(jié)人工砂石有抗凍性要求時(shí)，應(yīng)限制水膠比，對F150抗凍性要求時(shí)，水膠比宜小于0.55，含氣量不低于5.5%。

圖2 膠結(jié)人工砂石水膠比和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 不同含氣量的膠結(jié)人工砂石抗凍性能（180d齡期）

3.5 與碾壓混凝土性能對比試驗(yàn)?zāi)z結(jié)人工砂石與碾壓混凝土性能對比試驗(yàn)，結(jié)果見表11。試驗(yàn)采用42.5級(jí)普硅水泥，Ⅱ級(jí)粉煤灰，0.7%摻量的萘系高效減水劑，灰?guī)r骨料，膠結(jié)人工砂石粗骨料比例（特大石∶大石∶中石∶小石）為 30∶25∶25∶20，碾壓混凝土粗骨料比例（大石∶中石∶小石）為30∶40∶30。VC值控制3～10 s。試驗(yàn)結(jié)果表明，固定水膠比為0.65、膠凝材料用量為120kg/m3，粉煤灰摻量由58%提高到67%時(shí)，28d、90d、180d抗壓強(qiáng)度分別降低34%、26%和22%，劈拉強(qiáng)度分別降低32%、24%和9%。粉煤灰摻量對抗壓強(qiáng)度的影響更大，與0.55水膠比的碾壓混凝土相比，粉煤灰摻量58%的膠結(jié)人工砂石，28d、90d、180d抗壓強(qiáng)度分別為碾壓混凝土的75%、85%和85%，劈拉強(qiáng)度分別為77%、91%和89%，隨著齡期的增長，強(qiáng)度差別逐漸變小。膠結(jié)人工砂石和碾壓混凝土的抗?jié)B性能均能滿足且具有一定的富裕度。由于破碎后的人工骨料級(jí)配穩(wěn)定，與膠凝砂礫石相比，更為容易配置較高強(qiáng)度的膠結(jié)人工砂石，質(zhì)量也更容易控制。壩體斷面可根據(jù)結(jié)構(gòu)分析和成本綜合確定。

表11 膠結(jié)人工砂石與碾壓混凝土性能對比試驗(yàn)結(jié)果

3.6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較云南那恒水庫工程大壩壩址所在區(qū)域無天然砂卵石，其所屬的砂石須經(jīng)人工開采和破碎。方案設(shè)計(jì)論證階段進(jìn)行了混凝土重力壩、混凝土面板堆石壩、膠結(jié)人工砂石壩三種壩型樞紐工程量及投資的比較，結(jié)果見表12。

壩體材料總量比較：碾壓混凝土重力壩為26.92萬m3（土石填筑∶砼=0.04∶0.96）、膠結(jié)人工砂石壩為27.62萬m3（土石填筑∶砼=0.04∶0.96）、混凝土面板堆石壩為49.84萬m3（土石填筑：砼=0.96∶0.04）。即從材料用量上碾壓混凝土重力壩與膠結(jié)人工砂石壩基本相當(dāng)，混凝土面板堆石壩最大——即混凝土面板堆石壩壩體材料總量（土石填筑+砼）是碾壓混凝土重力壩的1.85倍、是膠結(jié)人工砂石壩的1.8倍。工程投資比較：碾壓混凝土重力壩方案樞紐工程投資較混凝土面板堆石壩樞紐工程投資增加1775.4萬元，膠結(jié)人工砂石壩方案樞紐工程投資較碾壓混凝土重力壩省1009萬元，節(jié)省10%左右［16］。故工程投資方面混凝土面板堆石壩最省，膠結(jié)人工砂石壩次之，碾壓混凝土重力壩最大。從安全耐久性考慮，膠結(jié)人工砂石壩比土石壩較優(yōu)。因此，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，優(yōu)選膠結(jié)人工砂石壩方案。

表12 那恒大壩壩型方案工程量及投資比較

3.7 破碎工藝探討根據(jù)工程現(xiàn)場附近易獲得的石料品質(zhì)，確定骨料的簡易破碎方法，由于加工工藝及原材料的不同，因此破碎后砂石的級(jí)配各異。由于骨料的顆粒形狀及表面特征會(huì)影響骨料與漿體的黏結(jié)強(qiáng)度，而人工砂石骨料只經(jīng)過簡易破碎，其對破碎粒度要求比較高，可選旋回破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、立軸式錘式破碎機(jī)等機(jī)型。破碎優(yōu)選錘式破碎機(jī)，破碎后的砂礫石不需要分級(jí)。

傳統(tǒng)錘式破碎機(jī)的主要工作部件為帶有錘頭的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由主軸、圓盤、銷軸和錘子組成如圖4。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在破碎腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)。物料自上部進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)內(nèi)，受高速運(yùn)動(dòng)的錘子的打擊、沖擊、剪切、研磨作用而粉碎。在轉(zhuǎn)子下部設(shè)有篩板，粉碎物料中小于篩孔尺寸的粒級(jí)通過篩板排出，大于篩孔尺寸的粗粒級(jí)阻留在篩板上繼續(xù)受到錘子的打擊和研磨，最后通過篩板排出機(jī)外。由于破碎腔為全密封設(shè)計(jì)，一方面可以防止粉塵溢出，另一方面細(xì)小粒徑的石粉顆?？捎沙隽峡谂懦?。

圖4 錘式破碎機(jī)破碎腔結(jié)構(gòu)圖

圖5 篩板開孔示意圖（單位：cm）

膠結(jié)人工砂石用錘式破碎機(jī)可對傳統(tǒng)篩板進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)最大出料粒徑為150mm和骨料級(jí)配包絡(luò)線要求，結(jié)合破碎機(jī)生產(chǎn)效率、最大破碎比、骨料巖性和強(qiáng)度，由現(xiàn)場破碎試驗(yàn)的級(jí)配情況，綜合確定篩板開孔孔徑、開孔數(shù)目、孔分布情況?？梢詫?shí)現(xiàn)骨料無需篩分，一次破碎后可直接用于配置膠結(jié)人工砂石。膠結(jié)人工砂石用篩板示意圖如圖5。

4 結(jié)論

文章提出了一種新的膠凝砂礫石材料──膠結(jié)人工砂石，闡述了該筑壩材料的配合比設(shè)計(jì)中水膠比、水泥用量、粉煤灰摻量、砂率等參數(shù)值的確定，并研究了其對強(qiáng)度和耐久性的影響，結(jié)合云南那恒水庫工程大壩設(shè)計(jì)，進(jìn)行了混凝土重力壩、混凝土面板堆石壩、膠結(jié)人工砂石壩三種壩型樞紐工程量及投資的比較，闡述了人工砂石的簡易破碎工藝。

主要結(jié)論有：（1）膠結(jié)人工砂石壩可繼承混凝土重力壩和膠凝砂礫石壩的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)建設(shè)成本較混凝土壩低廉，其材料性能優(yōu)于采用天然砂石制備的膠凝砂礫石壩材料。（2）優(yōu)選了人工砂石骨料的簡易破碎方式，即錘式破碎機(jī)單機(jī)破碎，無需篩分，一次破碎后可直接使用。（3）云南那恒水庫筑壩方案論證中膠結(jié)人工砂石壩與重力壩和土石壩技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比結(jié)果表明，該壩型造價(jià)比碾壓混凝土重力壩節(jié)省10%，安全耐久性優(yōu)于土石壩。