（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

膠凝砂礫石材料是將少許膠凝材料（水泥和粉煤灰）和水直接添加到河床砂礫石中，再用常見施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單拌和而獲得的一種新型筑壩材料[1]。膠凝砂礫石壩是由膠凝砂礫石材料作為大壩主體材料而筑成的大壩，它具備面板壩和碾壓混凝土壩兩者的優(yōu)點(diǎn)，與之相比還可以縮小壩體斷面、簡(jiǎn)化施工、縮短工期、減少費(fèi)用等。由于膠凝砂礫石壩安全性高，抗震性強(qiáng)，對(duì)施工工藝及地基條件要求低，而且可就地取材，造價(jià)低廉，基本實(shí)現(xiàn)零棄料，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響小，在國(guó)際壩工界已經(jīng)得到了普遍的重視[2-3]。

山西省守口堡水庫(kù)大壩是我國(guó)第一座用膠凝砂礫石材料筑成的大壩，壩址位于山西省大同市陽(yáng)高縣黑水河上游段，是一座?。é┬退畮?kù)，水庫(kù)總庫(kù)容為980萬m3，主要用于工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及防洪等，其工程等別為Ⅳ等，其中主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物和臨時(shí)建筑物為5級(jí)。其大壩主體為膠凝砂礫石，上下游防滲保護(hù)均采用常態(tài)混凝土。由于筑壩所用砂礫石料直接取自當(dāng)?shù)睾哟?，砂率都是隨機(jī)分布的，且膠凝材料用量少，因此確定膠凝砂礫石筑壩材料的最佳砂率和最少水泥用量對(duì)于指導(dǎo)工程的實(shí)施具有重要的意義。本文以守口堡水庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)所取得原材料為研究對(duì)象，通過研究不同砂率及不同水泥用量對(duì)膠凝砂礫石試件抗壓強(qiáng)度的影響，得出了膠凝砂礫石筑壩材料的最佳砂率和最少水泥用量，試驗(yàn)結(jié)果可以為膠凝砂礫石壩的建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用的水泥為大同水泥廠生產(chǎn)的冀東水泥普硅P.O 42.5，水泥的物理力學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求，性能指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)用的粉煤灰為大同二電廠產(chǎn)的III級(jí)灰，經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）的要求，性能指標(biāo)見表2。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

試驗(yàn)用的細(xì)骨料為膠凝砂礫石里篩分出的砂子，為天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.60，屬中砂，其物理化學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）的要求，性能指標(biāo)見表3。

試驗(yàn)用的砂礫石料為守口堡水庫(kù)砂礫石料場(chǎng)挖取的砂礫石（試驗(yàn)前篩除粒徑大于150 mm的顆粒），砂礫石通過添加25%的5～40 mm碎石進(jìn)行了級(jí)配優(yōu)化，其物理化學(xué)性能經(jīng)檢測(cè)符合標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）的要求，優(yōu)化后砂礫石的顆粒級(jí)配見表4。

表3 細(xì)骨料理化性能指標(biāo)

表4 添加25%石子后砂礫石料顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)配合比

在砂礫石添加25%的5～40 mm碎石前提下，調(diào)配砂率為20%、25%、30%、35%、40%、45%六組別的砂礫石料，用水量控制在110 kg/m3，膠凝材料用量保持不變?yōu)镻.O 42.5水泥50 kg/m3，粉煤灰40 kg/m3，分別成型150 mm×150 mm×150 mm立方體抗壓強(qiáng)度試件進(jìn)行試驗(yàn)。保持用水量、砂礫石、粉煤灰和砂率不變，設(shè)置了 30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3、60 kg/m3、70 kg/m3、80 kg/m3六種水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)。膠凝砂礫石的配合比見表5。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 成型與養(yǎng)護(hù)

膠凝砂礫石的成型及養(yǎng)護(hù)過程為:先將水泥、粉煤灰及砂礫石料等依次倒入攪拌機(jī)中，干拌1 min；然后再將水徐徐加入攪拌機(jī)中，濕拌2～3 min，使拌合物均勻分散；卸料時(shí)將攪拌均勻的膠凝砂礫石傾倒在濕潤(rùn)的鋼板上，再人工拌和2～3次后裝入試模，裝料時(shí)應(yīng)用抹刀沿試模內(nèi)壁略加插搗，使拌和物高出試模上口。試件的成型適宜采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，振動(dòng)成型時(shí)一邊將拌合物裝模一邊用抹刀沿試模內(nèi)壁稍加插搗，振動(dòng)至混凝土表面出漿（振動(dòng)時(shí)間控制在30 s左右）；試件在溫度為20±5℃的環(huán)境中靜置一夜，然后編號(hào)、拆模，將拆模后的試件放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)。

表5 膠凝砂礫石配合比

1.3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

膠凝砂礫石立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）的相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用混凝土液壓式Y(jié)E-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂率對(duì)膠凝砂礫石筑壩材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖1為砂率與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。從圖中可以看出，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。從曲線的斜率來看，砂礫石的砂率從20%增加到30%時(shí)，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢；當(dāng)砂率大于30%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，可見膠凝砂礫石材料存在一個(gè)最佳砂率，最佳砂率時(shí)膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度最大。這可能是由于膠凝砂礫石的膠凝材料用量較少，當(dāng)砂率大于30%后，由水、水泥、粉煤灰和砂礫石所組成的灰漿漿體已開始無法完全填滿砂的所有空隙，造成了抗壓強(qiáng)度的下降。

圖1 砂率與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 水泥用量對(duì)膠凝砂礫石筑壩材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為水泥用量與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。從圖中可以看出，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增大。水泥用量為30 kg/m3和40 kg/m3時(shí)，膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度（守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石壩的設(shè)計(jì)強(qiáng)度經(jīng)設(shè)計(jì)部門確定為6 MPa）。當(dāng)水泥用量為50 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度為7.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)水泥用量大于50 kg/m3時(shí)，隨著水泥用量每增加10 kg/m3，試件抗壓強(qiáng)度可提高10%～27%。由此可以看出，水泥作為主要的膠凝材料起到了很好的膠結(jié)作用，水泥用量的增加可以顯著提高膠凝砂礫石筑壩材料的抗壓強(qiáng)度。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，推薦的最少水泥用量為50 kg/m3。

圖2 水泥用量與膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

在膠凝砂礫石筑壩材料中，砂率和膠凝材料是影響膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的主要因素，而水泥是主要的膠凝材料。本文通過研究不同砂率及不同水泥用量對(duì)膠凝砂礫石試件抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論:膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著砂率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；膠凝砂礫石筑壩材料的最佳砂率為30%。膠凝砂礫石試件的抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增大；滿足設(shè)計(jì)要求的最小水泥用量為50 kg/m3。試驗(yàn)結(jié)果可以為膠凝砂礫石壩的建設(shè)提供參考。