CN103964770A

CN103964770A - 加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法及其产品

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Publication number: CN103964770A
Application number: CN201410184217.2A
Authority: CN
Inventors: 贾金生; 马锋玲; 冯炜; 郑璀莹; 杜振坤; 吕小彬; 杨会臣; 徐耀; 翟洁
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research; Beijing IWHR KHL Co Ltd
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research; Beijing IWHR KHL Co Ltd
Priority date: 2014-05-04
Filing date: 2014-05-04
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-05-04
Also published as: CN103964770B

Abstract

本发明涉及一种加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法及其产品，方法包括以下步骤：a、于施工现场采集天然砂砾石，剔除粒径150mm以上的颗粒，并以此级配变化的砂砾石作为配制母体材料用的砂砾石料；b、将水、水泥、粉煤灰和砂砾石料按一定比例混合配制胶凝砂砾石作为母体材料；c、以配制的母体材料按照一定的加浆率加浆制备加浆振捣胶凝砂砾石，其中，该加浆率确定方式为：分别以最细级配和平均级配的砂砾石料的胶凝砂砾石作为母体材料制备加浆振捣胶凝砂砾石，并通过检测试样的性能选择确定合适的加浆率。本发明的方法施工简单，不干扰坝体施工，且其制成的加浆振捣胶凝砂砾石具有力学强度较高、抗渗性能好、抗冻耐久性好、且成本低的特性。

Description

加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法及其产品

技术领域

本发明涉及一种加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法及采用该方法制得的产品，属于建筑领域，主要用于改进现有的水坝筑法，尤其是在获得预期性能的前提下，达到显著降低筑造成本的效果。

背景技术

胶凝砂砾石筑坝技术是国际上发展起来的新型筑坝技术，其特点是采用胶凝材料和工程现场的砂砾石材料(如，砂、石、砾石等)拌和筑坝，再使用高效率的土石方运输机械和压实机械进行施工。与常规混凝土筑坝技术比，胶凝砂砾石筑坝的技术特点是：仅剔除现场砂砾石料中超大粒径的骨料，不需要筛分、水洗等处理；此外，胶凝材料的用量少；并且，施工速度快30％以上，节约成本近50％。因此胶凝砂砾石筑坝技术具有经济、环保、施工快速等优点。

该筑坝技术扩大了坝型选择范围，放宽了筑坝条件，丰富了以土石坝、混凝土坝、砌石坝等为主的筑坝技术体系。通过合理的选择和组合不同筑坝技术，在大坝施工过程中，可以充分利用筑坝材料，减少弃料，以减少环境污染。

胶凝砂砾石筑坝技术中所采用的砂砾石料处理简单，不需要筛分和水洗；并且胶材用量少，通常为80kg/m³左右，低于采用碾压混凝土胶凝材料通常为150kg/m³左右的用量。然而，以胶凝砂砾石作为坝体的支撑结构时，其力学强度较低(通常180天设计强度不高于10MPa)，并且其存在抗渗性和抗冻耐久性差等缺点。因此，采用胶凝砂砾石筑坝的施工工程中需要有专门的上、下游防渗和抗冻保护层。目前，胶凝砂砾石坝和碾压混凝土坝的保护层都主要由常态混凝土、混凝土面板以及变态碾压混凝土等构成；但采用上述材料作为保护层具有成本高、环保性能差、施工进度慢等缺点。

为了解决上述材料作为大坝保护层出现的问题，发明人研究出一种加浆振捣胶凝砂砾石及其制备方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的主要目的在于：提供一种加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其制成的加浆振捣胶凝砂砾石具有力学强度较高、抗渗性能好、抗冻耐久性好、且成本低的特性。

本发明提供的主要技术方案是：

一种加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其包括以下步骤：

a、于施工现场采集天然砂砾石，剔除粒径150mm以上的颗粒，不进行筛分和处理，并以此级配变化的砂砾石作为配制母体材料用的砂砾石料；

b、将水、水泥、粉煤灰和砂砾石料按一定比例混合配制胶凝砂砾石作为母体材料；

c、以配制的母体材料按照一定的加浆率加浆制备加浆振捣胶凝砂砾石，其中，该加浆率是基于天然砂砾石自身的边界级配确定的，具体方式为：

以天然砂砾石的最细级配作为第一边界级配，以天然砂砾石的平均级配作为第二边界级配，并分别以第一边界级配、第二边界级配的砂砾石料分别制备试样，并通过检测试样的性能选择合适的加浆率。

其中，所述步骤c中，首先以料源地采集的天然砂砾石试样的最细级配、平均级配和最粗级配绘制天然砂砾石级配曲线的包络线，再以天然砂砾石级配曲线中包络线的最细级配作为第一边界级配，以天然砂砾石级配曲线中的平均级配作为第二边界级配，并分别以第一边界级配、第二边界级配的砂砾石料分别制备加浆振捣胶凝砂砾石试样，并通过检测加浆振捣胶凝砂砾石试样的性能选择合适的加浆率。

其中，当以用最细级配砂砾石料按步骤b配制的胶凝砂砾石作为母体材料时，通过步骤c制备的加浆振捣胶凝砂砾石应满足工程设计要求。

其中，当以用平均级配砂砾石料按步骤b配制的胶凝砂砾石作为母体材料时，通过步骤c制备的加浆振捣胶凝砂砾石作为工程设计参考对象。

其中，分别以第一边界级配、第二边界级配的砂砾石料制备的试样，当二者的性能同时符合要求时，其加浆率作为步骤b中的加浆率加浆制备加浆振捣胶凝砂砾石。

其中，步骤c中加浆使用的浆液是由减水剂、引气剂、水、水泥及粉煤灰按照一定比例配制成的。

其中，由减水剂、引气剂、水、水泥及粉煤灰按照一定比例配制成的浆液的流动度为20s至50s。

根据保护层防渗和抗冻要求，通过水灰比的选择，优选后，浆液的流动度为24s。

其中，本发明一种方法实施例中，浆液制备步骤中的减水剂、引气剂、水、水泥及粉煤灰的用量如下(每立方米浆液)：

水泥、500至800kg，

粉煤灰、300至600kg，

减水剂、0.6％至1.0％(胶凝材料用量的重量比)，

引气剂、0.01％至0.1％(胶凝材料用量的重量比)，

水、余量，

其中，胶凝材料指水泥和粉煤灰。

浆液配合比优选为，减水剂、引气剂、水、水泥及粉煤灰的用量如下：

普硅42.5水泥、663kg/m³，

II级粉煤灰、388kg/m³，

减水剂、0.9％(胶凝材料用量的重量比)，

引气剂、0.01％(胶凝材料用量的重量比)，

水、530kg/m³。

上述任一种方法中，步骤c中制备试样时采用的加浆率为5％至15％。

其中，水灰比(水与水泥的重量比)为0.7至0.9。

上述任一种方法中，步骤c中，第一边界级配的砂砾石料中砂率为28％，第二边界级配的砂砾石料中砂率为18％。

上述任一种方法中，步骤b中，配制母体材料的水、水泥、粉煤灰和砂砾石料配方为(每立方米)：

水泥、40kg，

粉煤灰、40kg，

砂砾石料、2280至2430kg，

水，余量。

本发明还提供一种加浆振捣胶凝砂砾石，其采用上述任一种方法制成。

本发明还提供一种加浆振捣胶凝砂砾石坝，其包括坝体，所述坝体的保护层采用了加浆振捣胶凝砂砾石，其中，所述加浆振捣胶凝砂砾石采用上述任一种方法制备而成。

其中，所述坝体的主体结构可以采用所述母体材料制成。

其中，所述坝体的主体结构可以采用分层摊铺碾压的方式施工。

其中，分层摊铺的方式施工中，所述坝体的主体结构与保护层结构可以采用所述母体材料同时摊铺，之后再于保护层区域按上述方法加浆，振捣，制成加浆振捣胶凝砂砾石构成的保护层。

其中，所述加浆可以采用底层加浆或造孔加浆的方式进行。

本发明的设计思路如下：

本发明的加浆振捣胶凝砂砾石具有紧密结合胶凝砂砾石坝的特点。在施工保护层的过程中充分利用现场砂砾石材料，如已有坝体的胶凝砂砾石；再通过较为简单的工艺措施便可施工成保护层材料，这样节约成本，并提高施工速度。

本发明加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法与常规变态碾压混凝土的设计理念和方法不同，其主要表现在母体材料和加浆方式。

具体地，碾压混凝土的骨料需要清洗，级配分级筛分，水量使用固定。所以，其强度、级配和用水量为点对点的加入方式。

具体地，加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法中砂砾石骨料(或称为砂砾石料、骨料)不需要筛分，砂砾石料的级配波动大；故而，胶凝砂砾石的力学强度离散大。为了控制胶凝砂砾石力学强度的离散度，并且满足工程要求，具体的是通过以下方案加以实现。首先掌握工程现场胶凝砂砾石的天然级配状况；再将各粒径的骨料按照其天然级配范围内的边界级配进行配制；然后，将工程料源地的砂砾石划分为最粗级配、最细级配和平均级配砂砾石，最后选取其中最细级配和平均级配砂砾石作为胶凝砂砾石的母体材料所用砂砾石料。为使胶凝砂砾石的强度满足施工工作性的最低要求，具体做法为：将具有代表性的平均级配砂砾石料和性能最弱的最细级配砂砾石料的胶凝砂砾石强度要求满足施工工作性的最低要求，便可使得整个级配范围内的胶凝砂砾石都满足施工的强度要求。

同时，加浆振捣胶凝砂砾石和变态碾压混凝土的制备方法也不尽相同，两者的具体区别如下：1、变态碾压混凝土的母材对象比较单一；而加浆振捣胶凝砂砾石的母体材料是变化的。2、两者的加浆材料比例也不同。其中，变态碾压混凝土的母材对象固定，通过试验确定满足施工工作性和性能要求，便可以明确浆体材料和加浆量。然而，加浆振捣胶凝砂砾石的母体材料不同；在满足施工工作性和性能要求下，对于不同级配砂砾石料配制加浆振捣胶凝砂砾石中浆液的加入量是不同的。在实际施工中，胶凝砂砾石的骨料级配难以做到实时掌控，因此也无法固定对应的加浆比以配制成加浆振捣胶凝砂砾石。因此，加浆振捣胶凝砂砾石和母体材料(胶凝砂砾石)的配合比的设计方法是相同，都是基于工程现场砂砾石料级配范围内的边界级配，即最细、平均级配砂砾石料与加入胶凝材料的比例关系而确定。

由于，胶凝砂砾石强度是由面控制或边界控制，其中用水量和强度随着砂砾石级配的不同而变化。因此，建立不同级配的胶凝砂砾石作为母体材料的加浆振捣胶凝砂砾石的配合比需要根据其性能而设计。

本发明的加浆振捣胶凝砂砾石及其制备方法的优点如下：

1、加浆振捣胶凝砂砾石的母体材料为胶凝砂砾石，来源于工程现场，成本低；仅剔除150mm粒径以上颗粒，砂砾石不需要再进行筛分。而碾压混凝土骨料需经过严格的破碎、分级筛分、水洗、配制。

2、加浆振捣胶凝砂砾石适用于中小型胶凝砂砾石坝的防渗保护层(也称为保护层)，按照本发明方案制备的加浆振捣胶凝砂砾石的抗渗性能大于W8，抗冻性能大于F200，满足通常筑坝中保护层的工作性能要求。

3、在作为筑坝的保护层时，加浆振捣胶凝砂砾石相比变态碾压混凝土，其施工效率可提高30％～40％，造价可降低30％～50％。

4、本发明的坝体保护层与坝体的主体结构结合度更高，坝体的整体性能更高。

附图说明

图1为本发明一实施例中的天然砂砾石料的级配曲线的示意图；

图2为本发明一实施例中的坝体结构局部剖视图。

具体实施方式

为便于理解，我们以取自料源地的天然砂砾石为材料，制备一种设计要求为抗渗等级为W8，抗冻等级为F200的大坝工程保护层时，举一种本发明的实施例，具体说明本发明的技术方案。

其中，本实施例中的天然砂砾石，最粗级配、最细级配和平均级配的砂砾石料的砂率分别为10.3％、28％和18％。

去除粒径150mm以上的颗粒，以采集的天然砂砾石试样(本实施例中共采集22处)的最细级配、平均级配和最粗级配绘制天然砂砾石级配曲线的包络线(参见图1)，形成料源地的天然砂砾石的最细级配1、平均级配2和最粗级配3，以最细级配和平均级配的砂砾石料作为母体材料，其配成母体材料的具体的配合比和强度如表1所示。试验方法采用《水工混凝土试验规程》SL352-2006。

表1坝体胶凝砂砾石(作为加浆振捣胶凝砂砾石的母体材料)配合比和强度

(注：母体材料胶凝砂砾石适合施工的工作性，即VC值要求在2～25s，抗压强度指标准试件边长15cm立方体抗压强度。)

同时，在配制浆液的具体试验中，加入不同量的水、外加剂(减水剂和引气剂)和胶凝材料(水泥和粉煤灰)，其具体的实施例如表2所示。

表2浆液中各组分的配合比及浆液的性质

(注：减水剂为萘系高效减水剂，减水率>20％，引气剂为松香类引气剂。)

根据保护层的抗渗和抗冻要求，借鉴以往经验，较佳的选取水灰比为0.8，编号为BT530的浆液，其流动度为24s。

按照上述各组分比例拌制成浆液，然后测定浆液的流动度。选取流动度为20～50s区间内的浆液配比组合。因为，这种流动度范围内的浆液在变态过程中能充分液化，具有良好的贯入充填空隙效应。由表2中数据可以得出，上述各组分的配比配制成的浆液的流动度都为20～50s，都满足施工工作性能要求。故，在配制浆液中水用量的参考范围：450～550kg/m³，水泥用量的参考范围：500～800kg/m³，粉煤灰用量的参考范围：300～600kg/m³。

我们以表2的实施例BT530配制的浆液加入在加浆振捣胶凝砂砾石仿真试验中，通过观察砂砾石振动液化形态以探索合适的加浆比。在仿真实验中，仿真试件高0.3m；插入式振动器为ZX-50，其具体规格如下：振动棒直径：36mm，长度：500mm，棒空载频率≥11000次/分，最大振幅≥1.1mm，功率：1.1KW。实验中加浆液方式为陆续加入浆液、母体胶凝砂砾石，再利用振捣棒振捣。在仿真试验中，通过观察窗可以清楚观察：浆液和母体胶凝砂石经振动、液化后，浆液逐渐上浮、胶凝砂砾石颗粒排列的过程。最后根据施工性能要求确定合适的加浆比例。

根据工程强度和耐久性设计要求，以调整浆液配合比。由以上各组实验可知，加浆比例(指的是浆液占整个加浆振捣胶凝砂砾石的体积比例)参考范围：5％～15％。

对于保护层防渗、抗冻要求较低的工程，加浆比例可参考变态碾压混凝土的加浆比例，通常在4％～6％；对于保护层防渗、抗冻要求较高的工程，由于母体胶凝砂砾石的胶凝材料用量少，所以加浆比例需要增加。但当增加到15％以上，加浆胶凝砂砾石的胶凝材料用量将大于200kg/m³，经济性将大幅降低，且开裂的风险增加。故而推荐参考范围：5％～15％。

表1和2中实施例中砂砾石料最细级配的砂率为28.0％，平均级配砂砾石的砂率为18.0％。下面需要针对最细、平均级配的砂砾石料进行加浆振捣胶凝砂砾石试验。由于实际施工中无法即时识别母体材料的级配情况，因此加浆比例通常需要固定为一种。为保证保护层的耐久性，因此，母体材料加浆后需要充分振捣密实。我们主要考察力学和耐久性能最弱的最细级配砂砾石料(砂率为28.0％)的加浆振捣胶凝砂砾石的性能是否能满足工程工作性能要求，同时将反映大多数性能的平均级配砂砾石料，即砂率为18％的加浆振捣胶凝砂砾石工作性和其他耐久性能指标作为参考。其中平均级配砂砾石配制成加浆振捣砂砾石的实施例的结果如表3和表4中内容所示；最细级配砂砾石配制成加浆振捣砂砾石的实施例的结果如表5和表6所示。

表3平均级配砂砾石配制的加浆振捣胶凝砂砾石的性能及其材料的用量

其中，水胶比指水与胶凝材料用量的重量比。

表4平均级配砂砾石配制的加浆振捣胶凝砂砾石的抗渗性和抗冻耐久性

表4中各组试验，试件的试验龄期为90d龄期，表4中各组实施例的相对动弹性模量和质量损失率分别为表中用下划线标记的数据和另一数据。

按照表3中原料配比制得的加浆振捣胶凝砂砾石的抗渗性和抗冻耐久性试验结果如表4所示。由表4中数据可知：采用平均级配的砂砾石制得的加浆振捣胶凝砂砾石的抗渗等级都在W9以上，满足工程对抗渗的要求。其中，实施例GB-D3、GB-D4和GB-D5中加浆比例分别为10％、12％和15％，按照上述加浆比例配制的加浆振捣胶凝砂砾石能满足200次冻融循环，这样优异的性能满足筑坝工程要求。

其中，最细级配(砂率为28％)的砂砾石制备的加浆振捣胶凝砂砾石的具体原料组成、性能以及抗渗和抗冻耐久性试验结果如表5和表6所示。

表5最细级配砂砾石料制备加浆振捣胶凝砂砾石的性能和材料用量

表6最细级配的砂砾石制备加浆振捣胶凝砂砾石的抗渗和抗冻耐久性

表6中各组实施例制备的加浆振捣胶凝砂砾石的抗冻耐久性中相对动弹性模量和质量损失率的相应指标分别为表中用下划线标记的数据和另一数据。

由表5和表6中数据可以得出：最细级配的砂砾石料按照上述方案制备的加浆振捣胶凝砂砾石的抗渗等级都在W8以上，满足工程对抗渗的要求。然而，对于按照加浆比例为5％的实施例GB-X0、6％的实施例GB-X1和加浆比例为8％的GB-X2不能满足F100次冻融循环；其中，加浆比例为10％制备的加浆振捣胶凝砂砾石能满足F100次冻融循环；其中，加浆比例为12％和15％制备的加浆振捣胶凝砂砾石能满足F200次冻融循环。综上所述，对于砂砾石料级配变化的母体胶凝砂砾石，配制加浆振捣胶凝砂砾石时，加浆比例都固定为12％，这样可以保证制备的性能最弱的最细级配砂砾石料的加浆振捣胶凝砂砾石和反映平均性能的平均级配砂砾石料的加浆振捣胶凝砂砾石都能满足以其作为坝体保护层的工程设计要求，从而使得其他级配范围内的砂砾石料的加浆振捣胶凝砂砾石也满足保护层工程设计要求。

本发明的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其可就近取材，成本经济，施工简便环保，不干扰坝体施工，与变态碾压混凝土相比，施工效率提高30％～40％，造价降低30％～50％，且其制成的加浆振捣胶凝砂砾石具有力学强度较高、抗渗性能好、抗冻耐久性好的特性。

参见图2，本发明的一种加浆振捣胶凝砂砾石坝，其包括坝体10，所述坝体10的保护层100采用了加浆振捣胶凝砂砾石，其中，所述加浆振捣胶凝砂砾石采用上述任一种方法制备而成。

其中，所述坝体10的主体结构101可以采用所述母体材料制成。

其中，所述坝体10的主体结构101可以采用分层摊铺的方式施工。

其中，分层摊铺的方式施工中，所述坝体10的主体结构101与保护层100结构可以采用所述母体材料同时摊铺，之后再于保护层100区域按上述方法加浆，振捣，制成加浆振捣胶凝砂砾石构成的保护层100。

其中，所述加浆可以采用底层加浆或造孔加浆的方式进行。

本发明的加浆振捣胶凝砂砾石，首先需要制备母体材料的胶凝砂砾石，然后制备适合的浆液，接下来把浆液按照一定体积比例加入母体材料中，比例需要根据加浆后制备成的加浆振捣胶凝砂砾石性能来决定。这一方法应用到坝体保护层的施工过程中，即在坝体保护层区域，先摊铺母体材料(母体材料工作性为干硬性，这种母体材料同时也是作为坝体保护层里面的主体支撑结构的材料)，然后通过底层加浆或造孔加浆的方式加入已确定比例的浆液，接着通过振捣方式施工。此种施工方法具有不干扰坝体主体施工，操作简便，成本低等特点。

Claims

1.一种加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

c、以配制的母体材料按照一定的加浆率加浆制备加浆振捣胶凝砂砾石。

2.如权利要求1所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于，步骤c中，该加浆率是基于天然砂砾石自身的边界级配确定的，具体方式为：

以天然砂砾石的最细级配作为第一边界级配，以天然砂砾石的平均级配作为第二边界级配，并分别以第一边界级配、第二边界级配的砂砾石料制备试样，并通过检测试样的性能选择合适的加浆率。

3.如权利要求2所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于：以用最细级配砂砾石料配制的胶凝砂砾石作为母体材料时，通过步骤c制备的加浆振捣胶凝砂砾石应满足工程设计要求。

4.如权利要求3所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于：以用平均级配砂砾石料配制的胶凝砂砾石作为母体材料时，通过步骤c制备的加浆振捣胶凝砂砾石作为工程设计参考对象。

5.如权利要求4所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于：分别以第一边界级配、第二边界级配的砂砾石料制备的试样，当二者的性能同时符合要求时，其加浆率作为步骤b中的加浆率加浆制备加浆振捣胶凝砂砾石。

6.如权利要求1所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于：步骤c中加浆使用的浆液是由减水剂、引气剂、水、水泥及粉煤灰按照一定比例配制成的，配制成的浆液的流动度为20s至50s。

7.如权利要求6所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于，浆液制备步骤中每立方米浆液的减水剂、引气剂、水、水泥及粉煤灰的用量如下：

水泥、500至800 kg，

粉煤灰、300至600 kg，

减水剂、0.6%至1.0%（相对于胶凝材料用量的重量比），

引气剂、0.01%至0.1%（相对于胶凝材料用量的重量比），

水、余量，

其中，胶凝材料指水泥和粉煤灰。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的加浆振捣胶凝砂砾石的制备方法，其特征在于：步骤c中制备试样时采用的加浆率为5%至15%（体积比）。

9.一种加浆振捣胶凝砂砾石，其特征在于：采用权利要求1-8中的任一种方法制备而成。

10.一种加浆振捣胶凝砂砾石坝，其特征在于：包括坝体，所述坝体的保护层采用了加浆振捣胶凝砂砾石，其中，所述加浆振捣胶凝砂砾石采用权利要求1-8中的任一种方法制备而成。