张 栋

(陕西省泾惠渠灌溉中心，陕西 咸阳 713800)

胶结砂砾石材料是将水泥、粉煤灰等胶凝材料、水、原状砂砾或工程废弃料通过简易拌和所得到的新型筑坝材料[1]。在水利工程生态属性需求日益提升的时代背景下，胶结砂砾石材料坝已经成为当前筑坝技术的新突破，可以充分利用大坝坝址部位的天然砂石料和开挖弃料，有效拓展骨料的使用范围，不仅施工方便，还可以大幅降低工程投资，相对于土石坝具有漫顶不溃的巨大优势，在水利工程领域拥有十分广阔的应用前景[2]。目前，关于胶结砂砾石材料的研究主要集中于强度、渗透性以及抗冻性等物理力学性质方面，对抗冲磨性能的关注不多[3]。但在水利工程运行过程中，高速水流经常会携带大量的泥沙，会对胶结砂砾石大坝的防渗保护层产生比较严重的冲刷和磨蚀破坏，从而降低大坝的安全性，不利于大坝的安全、稳定运行[4]。基于此，本文通过室内试验的方式，探讨配合比参数对胶结砂砾石抗冲磨性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥是胶结砂砾石材料中的主要胶凝材料，对其力学性质存在显著影响[5]。此次研究选择河南多样达水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。经检验，其初凝时间为168 min，终凝时间为230 min，28 d抗压和抗折强度分别为52.5和8.3 MPa，各项指标均满足此次试验要求。

粉煤灰属于一种活性混合材料，在胶结砂砾石材料中添加一定量的粉煤灰，可以起到良好的胶结骨料、提高材料强度的作用。此次研究选用本溪市热电二厂的干排粉煤灰，其表观密度为2.11 g/cm3、需水比为102%、烧失量为1.78%。

试验用骨料为河床砂砾石料其细骨料的模数为3.09，为中砂，粗骨料的最粒径为150 mm。对砂砾石材料进行压碎指标检验，检测结果为3.2%，说明其抵抗受压破碎的能力较强。

试验用高效减水剂和引气剂均由北京中水科海利工程有限公司生产；试验用水为普通自来水。

1.2 试样制备

在试验中进行胶结砂砾石料的拌和时，使用JZW350强制式多功能搅拌机。在搅拌过程中，严禁先上料后开机。在拌和之前，首先根据设计好的配合比，称量好水泥、粉煤灰、砂砾石料，然后加入搅拌机搅拌10 s，使上述拌和物充分搅拌均匀后，再加入水和外加剂，再搅拌120 s。采用两次拌和的方式，可以实现胶凝材料和骨料的充分接触，并均匀包裹住骨料。在装料之前，要首先清理模具，并在其内壁涂刷一层脱模剂，防止在脱模过程中试件产生损坏。将搅拌完成的胶结砂砾石材料装入试模，并进行人工振捣，插捣时要从试模的四周向中心进行，插捣次数不少于25次。在插捣完毕之后，采用相同配比的水泥砂浆填补试件表面的孔洞，然后用抹刀将表面抹平。在试件成型之后静置24 h拆模，然后将其转移至养护室，在标准条件下养护至28 d龄期，之后在自然环境下静置90 d龄期进行试验。

1.3 试验方法

试件采用直径300 mm、高100 mm的圆柱形，实验前需要对试件进程浸水饱和，然后再进行试验。胶结砂砾石抗冲磨性能试验采用HCKM-2型混凝土抗冲磨试验机，其基本原理是通过电磁调速电机带动叶轮，使叶轮的转速达到1 200 r/s，并带动水搅动70个直径大小不等的钢球对试件进行72 h的摩擦磨损，以验证试件表面的抗磨损能力[6]。试验中，利用单位面积上的磨损质量所需要的时间表示试件的抗冲磨强度。

2 试验结果与分析

2.1 胶凝材料

胶凝材料用量是胶结砂砾石材料抗冲磨强度的重要影响因素，而胶凝材料用量越小，工程成本就越低[7]。因此，探究合适的胶凝材料用量具有重要价值。结合胶结砂砾石材料的工程实践，研究中对200、175、150、125和100 kg/m3等5种不同的胶凝材料用量的试件进行抗冲磨试验。为不受其他因素影响，试验固定砂率为38%、粉煤灰掺量为50%、水胶比为0.65。不同胶凝材料含量试验结果见图1。

图1 抗冲磨强度随胶凝材料用量变化曲线

由图1可知，在其他参数不变的情况下，试件的抗冲磨强度会随着胶凝材料掺量的减小而降低。由此可见，胶凝材料的用量不仅会对胶结砂砾石材料的强度存在显著影响，也会明显影响其抗冲磨性能。从具体的变化规律来看，随着胶结材料用量的减少，试件的抗冲磨强度先小幅下降，后迅速降低再趋于平稳。特别是胶凝材料用量由150 kg/m3减少至125 kg/m3的情况下，试件的抗冲磨强度下降26.4%。同时，大量增加水泥掺量，不仅会大幅提高工程成本，同时也不利于胶结砂砾石的温控，而材料凝固过程中产生的大量水化热，也会造成防渗保护层裂缝的迅速增加，反而不利于提高工程质量。综合考虑胶结砂砾石材料的抗冲磨性能和经济性，建议采用150 kg/m3的胶凝材料用量。

2.2 粉煤灰掺量

从上节的试验结果可知，提高胶结砂砾石材料中的胶凝材料用量，不仅可以提高材料本身的强度，亦可以明显提高其抗冲磨性能，但是大幅增加水泥用量亦有其不利之处。同时工程实践表明，在胶结砂砾石材料中掺加一定量的粉煤灰，可以充分利用其活性效应，提高胶结砂砾石材料的后期强度和抗冲磨性能[8]。基于此，试验中在保持水泥用量150 kg/m3、砂率38%、水胶比0.65不变情况下，设计0%、10%、20%、30%、40%、50%等6种不同的粉煤灰掺量进行试件的抗冲磨试验。

根据试验数据，绘制胶结砂砾石材料抗冲磨强度随粉煤灰掺量的变化曲线，见图2。由图2可知，随着粉煤灰掺量的增加，胶凝砂砾石材料的抗冲磨强度呈现出先增加后波动减小的变化特点。从具体的试验数据来看，当粉煤灰的掺量为20%时试件的抗冲磨强度最大，达到3.92 h/kg·m2，与不掺加粉煤灰的方案相比，提升约21.7%；随着粉煤灰掺量的进一步增加，胶结砂砾石材料的抗冲磨强度迅速减小，反而低于没有掺加粉煤灰的情况。同时，粉煤灰掺量为10%和20%时，试件的抗冲磨强度相差并不大。由此可见，在胶结砂砾石材料制备过程中，粉煤灰的掺量应该以10%～20%为宜。

图2 抗冲磨强度随粉煤灰掺量变化曲线

2.3 砂 率

相关研究显示，砂率也是影响混凝土抗冲磨性能的重要因素。在胶结砂砾石材料中，砂的作用不仅是调和拌和物的使用性能，同时还具有一定的内部孔隙填充作用。在实际工程应用中，胶结砂砾石材料一般是就地取材，但是这些材料的含沙量往往是固定的。因此，研究砂率对胶结砂砾石材料抗冲磨性能的影响，可以为工程应用中的材料选择和必要调整提供依据。结合工程实际和相关研究结论，此次试验选择30%、35%、40%、45%和50%共5种不同的砂率进行试验研究。试验中，保持水泥用量150 kg/m3、粉煤灰掺量20%、水胶比0.65不变，以保证对比试验的有效性。

根据试验获取的数据，绘制胶结砂砾石材料抗冲磨强度随砂率的变化曲线，见图3。由图3可知，随着砂率的增加，胶结砂砾石材料的抗冲磨强度呈现出先减小、后增加再减小的变化特征。究其原因，合适的砂率会充分发挥其对内部孔隙的填充作用，而过高的砂率会导致抗冲磨性能较强的粗骨料含量的降低，反而不利于抗冲磨强度的提高。鉴于砂率在30%～40%时胶结砂砾石材料的抗冲磨强度较高且变化幅度较小，建议胶结砂砾石材料的砂率范围为30%～40%。

图3 抗冲磨强度随砂率变化曲线

3 结 论

此次研究通过室内试验的方式，探讨了胶凝材料、粉煤灰和砂率3个主要配合比参数对胶结砂砾石材料抗冲磨性能的影响，获得的主要结论如下：

1)胶结砂砾石材料的抗冲磨强度随着胶凝材料掺量的减小而降低，且胶凝材料掺量由175 kg/m3减小至150 kg/m3时的降幅较大。

2)胶结砂砾石材料的抗冲磨强度随着粉煤灰掺量的增加呈现出先增加后波动减小的变化特点；当粉煤灰的掺量为20%时，试件的抗冲磨强度最大，且粉煤灰掺量为10%和20%时的抗冲磨强度比较接近。

3)胶结砂砾石材料的抗冲磨强度随着砂率的增加呈现出先减小、后增加再减小的变化特征；砂率在30%～40%时，胶结砂砾石材料的抗冲磨强度较高且变化幅度较小。

4)综合试验结果，在制作胶结砂砾石材料时，建议掺加150 kg/m3的胶凝材料，选择10%～20%的粉煤灰掺量以及30%～40%的砂率。