砂率及水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

山西水利科技

2019年11月砂率及水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

武晓菲

王慧元

（山西省水利水电科学研究院山西太原030002）

文中以守口堡水库胶凝砂砾石坝为例，针对胶凝砂砾石筑坝材料砂率随机分布及胶凝材摘要

料用量少的特点，研究了不同砂率及不同水泥用量对胶凝砂砾石试件抗压强度的影响。结果表明：胶凝砂砾石试件的抗压强度随着砂率的增加先增大后减小，随着水泥用量的增加而增大。试验推荐胶凝砂砾石筑坝材料的砂率为30%，水泥用量为50kg/m3。

砂率；水泥用量；胶凝砂砾石；抗压强度关键词：中图分类号：TV41

文献标识码：B

EffectofSandRatioandCementDosageonCompressiveStrengthofCementedGravel

Abstract:Takingthecement-sand-graveldamofShoukoubaoReservoirasanexample，aimingattherandom

WUXiao-feiWANGHui-yuan

influenceofdifferentsandrateanddifferentcementdosageonthecompressivestrengthofcementedgravelspecimensiswiththeincreaseofsandcontent，andincreaseswiththeincreaseofcementcontent.Itisrecommendedthatthesandratioofcementedgraveldammaterialis30%andthecementdosageis50kg/m3.Keywords：sandrate；cementcontent；cement-sand-gravel；compressivestrength

distributionofsandrateofcementedgraveldammaterialsandthecharacteristicsoflesscementitiousmaterials，the

studied.Theresultsshowthatthecompressivestrengthofcementedgravelspecimensincreasesfirstandthendecreases

胶凝砂砾石材料是将少许胶凝材料（水泥和粉煤灰）和水直接添加到河床砂砾石中，再用常见施工机械设备进行简单拌和而获得的一种新型筑坝材料[1]。胶凝砂砾石坝是由胶凝砂砾石材料作为大坝主体材料而筑成的大坝，它具备面板坝和碾压混凝土坝两者的优点，与之相比还可以缩小坝体断面、简化施工、缩短工期、减少费用等。由于胶凝砂砾石坝安全性高，抗震性强，对施工工艺及地基条件要求低，而且可就地取材，造价低廉，基本实现零弃料，对环境的负面影响小，在国际坝工界已经得到了普遍的重视[2-3]。

山西省守口堡水库大坝是我国第一座用胶凝砂砾石材料筑成的大坝，坝址位于山西省大同市阳高县黑水河上游段，是一座小（砖）型水库，水库总库容为

收稿日期：2019-08-20

主要用于工业供水、农业灌溉及防洪等，其980万m3，

工程等别为郁等，其中主要建筑物为4级，次要建筑物和临时建筑物为5级。其大坝主体为胶凝砂砾石，上下游防渗保护均采用常态混凝土。由于筑坝所用砂砾石料直接取自当地河床，砂率都是随机分布的，且胶凝材料用量少，因此确定胶凝砂砾石筑坝材料的最佳砂率和最少水泥用量对于指导工程的实施具有重要的意义。本文以守口堡水库施工现场所取得原材料为研究对象，通过研究不同砂率及不同水泥用量对胶凝砂砾石试件抗压强度的影响，得出了胶凝砂砾石筑坝材料的最佳砂率和最少水泥用量，试验结果可以为胶凝砂砾石坝的建设提供参考。

武晓菲（1987-），女，工程师。作者简介：2013年硕士研究生毕业于华中农业大学，

山西省水利厅项目———守口堡水库胶凝砂砾石筑坝材料试验研究（2014-2-SLT-017）。基金项目：

第4期（总第214期）武晓菲，王慧元：砂率及水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度的影响29

1.1原材料

1材料与方法

用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的要求，性能指标见表1。

试验用的粉煤灰为大同二电厂产的III级灰，经检测符合标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/的要求，性能指标见表2。T1596-2017）

凝结时间初凝/min80逸45

表2

终凝/min195臆600

抗压强度3d/MPa32.0逸17

28d/MPa50.1逸42.5

试验用的水泥为大同水泥厂生产的冀东水泥普

表1

检测项目P.O42.5标准稠度

（/%）28比表面积

（/m2/kg）330安定性符合符合

硅P.O42.5，水泥的物理力学性能经检测符合标准《通

水泥性能指标

抗折强度3d/MPa6.2逸3.5

28d/MPa7.6逸6.5

依据标准

《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）

—逸300

粉煤灰性能指标需水量比（/%）112芋级役115

含水率

（/%）0.4芋级役1.0

烧失

量（/%）4.4芋级役8.0

SO3

（/%）0.3芋级役3.0

检测项目芋级粉煤灰细度（/%）

（0.045mm方孔筛筛余）42.3芋级役45.0

依据标准

《用于水泥和混凝土中的粉煤

灰》（GB/T1596-2017）

试验用的细骨料为胶凝砂砾石里筛分出的砂子，为天然砂，细度模数为2.60，属中砂，其物理化学性能的要求，性能指标见表3。2014）

试验用的砂砾石料为守口堡水库砂砾石料场挖经检测符合标准《水工混凝土施工规范》（SL677-

取的砂砾石（试验前筛除粒径大于150mm的颗粒），砂砾石通过添加25%的5~40mm碎石进行了级配优化，其物理化学性能经检测符合标准《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）的要求，优化后砂砾石的颗粒级配见表4。

表3细骨料理化性能指标

检测项目天然砂

依据标准《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）

表观密度堆积密度细度空隙率泥块含量有机质云母轻物质跃10mm

石粉微粒坚固性33

颗粒（（含量含量含量/kg/m）（/kg/m）模数（/%）/%）2660逸2500

1530—表4

粒径/mm最细级配（/%）平均级配（/%）最粗级配（/%）

0.25~0.10.5~0.251~0.57.92.91.7

7.95.03.2

8.27.77.0

2.60—

42—

0不允许

0臆8

合格浅于标

准色

0臆2

0—

23.06~18

11.8—

0.4—

添加25%石子后砂砾石料颗粒级配试验结果2~12.52.92.7

5~26.57.78.1

10~55.96.76.5

20~1012.411.910.6

40~2060~4080~60100~80120~100150~12028.626.525.6

7.47.66.5

4.27.08.1

3.14.86.0

3.74.16.7

1.95.27.4

在砂砾石添加25%的5~40mm碎石前提下，调配砂率为20%、25%、30%、35%、40%、45%六组别的砂砾石料，用水量控制在110kg/m3，胶凝材料用量保持粉煤灰40kg/m3，分别不变为P.O42.5水泥50kg/m3，

成型150mm伊150mm伊150mm立方体抗压强度试件进行试验。保持用水量、砂砾石、粉煤灰和砂率不变，

1.2试验配合比

设置了30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3、60kg/m3、

胶凝砂砾70kg/m3、80kg/m3六种水泥掺量进行试验。

1.3试验方法

石的配合比见表5。

1.3.1成型与养护

胶凝砂砾石的成型及养护过程为：先将水泥、粉煤灰及砂砾石料等依次倒入搅拌机中，干拌1min；然

30

武晓菲，王慧元：砂率及水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

2019年11月表5

胶凝砂砾石配合比

试件/用kg/m水量

水泥粉煤灰砂砾石砂率龄期编号JN1-1（3

）3JN1-2110（/kg/m）50（/kg/m3）（/kg/m3）（/%）/dJN1-3110504020JN1-41105040228JN1-51105040229040229025282290302828JN1-611028JN2-1110504022903528JN2-2110504022904028JN2-3110304022904528JN2-4110404022903028JN2-5110504022903028JN2-6110602290290301107040804040230229029030302828后再将水徐徐加入搅拌机中，湿拌2耀3min，使拌合物均匀分散；卸料时将搅拌均匀的胶凝砂砾石倾倒在湿润的钢板上，再人工拌和2耀3次后装入试模，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣，使拌和物高出试模上口。试件的成型适宜采用振动台振实，振动成型时一边将拌合物装模一边用抹刀沿试模内壁稍加插捣，振动至混凝土表面出浆（振动时间控制在30s左右）；试件在温度为20依5益的环境中静置一夜，然后编号、拆模，将拆模后的试件放标准养护室养护，养护28d后进行抗压强1.3.2抗压强度的度试验试验。

胶凝砂砾石立方体试件抗压强度试验严格按照

水工混凝土试验规程》（SL352-2006）的相关要求进行，试验仪器采用混凝土液压式YE-2000型压力试验机。

2.12试验结果与分析

响

砂率对胶凝砂砾石筑坝材料抗压强度的影

图1为砂率与胶凝砂砾石抗压强度的关系。从图中可以看出，胶凝砂砾石试件的抗压强度随着砂率的增大呈现先增大后减小的变化趋势。从曲线的斜率来看，砂砾石的砂率从20%增加到30%时，胶凝砂砾石试件的抗压强度增长较慢；当砂率大于30%时，试件的抗压强度呈现明显下降的趋势，可见胶凝砂砾石材料存在一个最佳砂率，最佳砂率时胶凝砂砾石的抗压

强度最大。这可能是由于胶凝砂砾石的胶凝材料用量较少，当砂率大于30%后，由水、水泥、粉煤灰和砂砾石所组成的灰浆浆体已开始无法完全填满砂的所有空隙，造成了抗压强度的下降。

图1砂率与胶凝砂砾石抗压强度的关系

2.2的影响

水泥用量对胶凝砂砾石筑坝材料抗压强度

图2为水泥用量与胶凝砂砾石抗压强度的关系。从图中可以看出，胶凝砂砾石试件的抗压强度随着水泥用量的增加而增大。水泥用量为30kg/m3和40kg/m3时，胶凝砂砾石试件的抗压强度低于设计抗压强度（守口堡水库胶凝砂砾石坝的设计强度经设计部门确定为7.56MPa满足）。设计当水要求泥用。量当为水泥50用kg/m3量大于时，抗压强度为

泥用50kg/m3时，随着MPa水，

10%起到耀了27%很好。

由量的此每胶可增结作用以加看10出kg/m，水，水泥泥3，试用作件量为主抗压的增要强加可的度胶可提高以凝显材著料提高胶凝砂砾石筑坝材料的抗压强度。在满足设计要求的前提下，推荐的最少水泥用量为50kg/m3。

图2

水泥用量与胶凝砂砾石抗压强度的关系

3结语

在胶凝砂砾石筑坝材料中，砂率和胶凝材料是影

响胶凝砂砾石抗压强度的主要因素，而水泥是主要的胶凝材料。本文通过研究不同砂率及不同水泥用量对胶凝砂砾石试件抗压强度的影响，得出以下结论：胶

《第4期（总第214期）武晓菲，王慧元：砂率及水泥用量对胶凝砂砾石抗压强度的影响

参考文献：

31

凝砂砾石试件的抗压强度随着砂率的增大呈现先增大后减小的变化趋势；胶凝砂砾石筑坝材料的最佳砂率为30%。胶凝砂砾石试件的抗压强度随着水泥用量试验结果可以为胶凝砂砾石坝的建设提供50kg/m3。参考。

的增加而增大；满足设计要求的最小水泥用量为

［1］杨世锋，柴启辉，孙明权.胶凝材料对胶凝砂砾石材料抗压

强度的影响［J］（07）：.人民黄河，2016，32-94.

［2］贾金生，马锋玲，李新宇，等.胶凝砂砾石坝材料特性研究及

工程应用［J］（05）：.水利学报，2006578-582.

［3］冯炜，贾金生，马锋玲.胶凝砂砾石坝筑坝材料耐久性能研

究及新型防护材料的研发［J］（04）：.水利学报，圆013，44500-504.

（上接第15页）

图3注浆工艺流程示意图

起拱至顶拱环向施做椎25系C20混凝土进行封闭，统锚杆，长度2m，排距1m，梅花型布置，土洞段未施做系统锚杆。

采用I14工字钢，断层破碎带洞段钢拱架间距设置为80cm，易塌方土洞段拱架布设间距为50cm，钢架纵向连接采用椎25钢筋，每榀10根。安装在测设位置后进行，将螺栓穿过相互密贴的钢板连接各节钢架；清除干净各节钢架底脚下部的虚渣，保证各节钢架置于稳固的基础上；两侧钢支腿每侧安设8根2m长锁脚锚杆将其锁定，土洞段采用2m锁脚锚管。采用椎8钢筋施做钢筋网片，根据钢拱架间距和网片之间搭接长度确定网片尺寸，单个网片钢筋纵、横向间距为15cm，网片之间搭接为25cm。

钢拱架架立后喷射C20混凝土，厚度12cm，以使钢架与混凝土成为一体，共同受力。喷射混凝土采用自拱脚由下向上分层喷射，过程中检查并确保拱脚喷射密实。小导管配合钢拱架喷锚支护结构见图4。

图4

小导管配合钢拱架喷锚支护结构示意图

保障了施工进度。配合钢拱架及钢筋网片喷射混凝土施工能够满足小断面隧洞初期支护的要求，具有很好的适用性、安全性和经济性。参考文献：

［1］洪玉童.超前小导管灌浆结合钢拱支架喷混凝土支护在隧

洞开挖施工中的应用［J］（6）：.浙江水利科技，201559-61.［2］胡进文.超前小导管预注浆在水工隧洞中的应用［J］.甘肃农

业，（10）：201348，50.

［3］缑斌.超前小导管短循环法在引硫济金隧洞中的应用［J］.西

部探矿工程，（增刊001）：200233.

5结语

通过采用超前小导管工艺进行注浆超前支护，有

效提高了该隧洞断层破碎带软弱围岩的自稳能力，同时避免了渗水土洞段的塌方风险，确保了施工安全，