CN105366973B - 一种胶凝人工砂石材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的胶凝人工砂石材料是介于碾压混凝土和常规胶凝砂砾石材料之间的一种新型材料，这种材料在骨料加工中较常规胶凝砂砾石材料采用天然河床砂、砾石相比，处理要复杂一些，要破碎，其中含泥量较低，根据和易性好、经济性优的原则进行砂率调整；而对比碾压混凝土材料，没有复杂的骨料级配的设计，是通过对开挖料简单破碎加工、经过砂率调整得到所要的骨料，再根据该骨料级配波动的大小，通过“双级配双强度规定”或“单级配单强度规定”的原则进行配合比的设计。由此得到的筑坝材料具有足够的强度，更具有较好的防渗性能和防冻性能，而从工艺上，比碾压混凝土大大简化，降低了成本。

Description

一种胶凝人工砂石材料及其制备方法

技术领域

本发明属于胶凝砂砾石坝技术领域，特别涉及一种介于碾压混凝土与常规胶凝砂砾石之间的新型筑坝材料。本发明还提供所述胶凝人工砂石材料的制备方法。

背景技术

为简化施工，加快建设速度，同时降低成本，人们已在传统重力坝和堆石坝建设的基础上提出了采用碾压混凝土和胶凝砂砾石筑坝等。

碾压混凝土对料场和骨料制备有严格要求，从料场开采的石料需要经过复杂的骨料破碎和筛分，并严格控制骨料级配和配合比。另外，单方(即单位方量，一般指：1立方米)碾压混凝土中胶凝材料的含量相对较多，绝热温升高，温控难度大。

常规胶凝砂砾石采用天然的砂、砾石、卵石等，级配波动较大，配置强度一般较低。对缺乏天然河床砂、砾石、卵石等材料，或对材料配置强度要求较高的坝址，缺少适应性。

发明内容

本发明的目的在于拓宽现有技术中胶凝砂砾石的适用范围，提供一种胶凝人工砂石材料，该凝胶人工砂石材料具有绝热温升低、可满足强度要求、具有一定抗渗、抗冻性能的特点，可在缺乏天然河床砂、砾石、卵石等材料，或对材料配置强度要求较高的坝址应用。

本发明的另一个目的在于提供所述胶凝人工砂石材料的制备方法，该制备方法具有制作工序简单，可加快施工速度和降低成本的特点。

本发明的目的是这样实现的：

一种胶凝人工砂石材料，其原料中的骨料，为经过破碎的工程现场的开挖料和弃料中的至少一种，该骨料的最大允许粒径为150mm；该胶凝人工砂石的级配标准差σ_s小于3％，其配合比要求：所述骨料级配的波动大，即在所述级配标准差σ_s大于1％时，胶凝人工砂石强度满足“双级配双强度规定”的原则；或者，所述骨料级配的波动小，即在级配标准差σ_s小于1％时，胶凝人工砂石满足“单级配单强度规定”的原则。

该胶凝人工砂石材料的胶凝材料的加入量为80～130kg/m³,其中水泥用量为40～60kg/m³，其余为粉煤灰。

所述骨料中的含泥量小于5％。

所述胶凝人工砂石材料的制备方法，其中：

骨料加工步骤为：

对于工程现场的开挖料和/或弃料进行破碎，通过筛除或人工挑拣而保证骨料最大允许粒径为150mm；

对于所述骨料级配波动程度,采用“级配标准差”的方法进行评价，包括进行砂率调整的步骤；

在进行配合比设计时，择一地采用下面两种方法进行配合比设计：

(1)若所述骨料级配的波动大，即在所述级配标准差σ_s在1％-3％时，以骨料为最细级配和平均级配时的胶凝人工砂石强度满足“双级配双强度规定”的原则进行配合比设计；

(2)若所述骨料级配的波动小，即在级配标准差σ_s小于1％时，则以平均级配时的胶凝人工砂石强度满足“单级配单强度规定”的原则进行配合比设计。

进一步地，在所述制备方法中，胶凝材料的加入量为80～130kg/m³,其中水泥用量为40～60kg/m³，其余为粉煤灰。

在所述制备方法中，对于工程现场的开挖料和/或弃料进行破碎，具体地可以是经过一道或二道颚式破碎机破碎。

在砂率调整中，根据和易性好，经济性优的标准进行砂率调整。

砂率调整为：在砂率低于18％的人工破碎骨料中，通过外掺砂来调整砂率，将砂率调至18％左右，以满足碾压施工中的泛浆、密实的要求。

当破碎骨料中砂率低于18％左右时，由于砂率过低，将影响人工胶凝砂砾石的可碾性和密实性，导致强度降低，因此，需通过额外掺砂调整砂率。考虑到经济性，该砂率一般调整至18％左右，能满足碾压施工中的泛浆、密实要求即可。

本发明提供的所述胶凝人工砂石材料是一种新型的筑坝材料，与现有技术相比较，其具备下述6个特点：

1、对骨料的来源要求宽松、处理简单，例如可充分利用工程现场的开挖料、各种弃料等，只需要经简单的破碎来制备骨料，并且骨料不需要筛分即调整级配，只需剔除大粒径的骨料，以保证骨料最大允许粒径为150mm；

具体的，简单的破碎是指，例如将石料经过一道或二道颚式破碎机进行破碎；剔除大粒径的骨料，破碎石料之后是采用筛除的方法,或者大粒径的骨料占比少时可人工拣选来保证骨料最大允许粒径150mm。而例如碾压混凝土，在骨料处理中要经过四道以上破碎和筛分，骨料最大允许粒径80mm。

2、对于特定的一个工程，施工现场制造出的所述骨料的级配离散型小，因此，采用此骨料拌和的胶凝人工砂石材料的强度相对稳定，大坝设计时需要将所述强度作为坝体断面设计的一个控制因素。具体的，传统材料筑坝，例如碾压混凝土筑坝，首先根据设计好的大坝断面确定出碾压混凝土应当达到的强度指标，然后根据此强度指标进行骨料的级配设计。而本发明提供的胶凝人工砂石材料经过对于原料进行简单的破碎，筛除其中较大的颗粒即成骨料，且坝体断面根据其强度确定，不需再进行骨料级配设计，这与传统混凝土筑坝的设计逻辑不同。

3、对于特定的一个工程，由于开挖料具有一定离散性以及现场操作的不确定性，因此施工现场制造出的所述骨料的级配会有一定的波动；但是，经过本发明的制备方法中加工骨料的步骤，得到的骨料级配的波动范围较小，明显小于常规胶凝砂砾石天然河床砂、砾石材料的骨料级配波动。

具体的,所述骨料级配波动程度,应采用“级配标准差”的方法进行评价，该方法为现有技术。胶凝人工砂石的级配标准差σ_s通常小于3％，常规胶凝砂砾石的级配标准差σ_s通常大于3％。

4、在制备方法中有对骨料中的砂率进行调整的步骤。

人工砂石经简单破碎后，其中砂含量通常很低，无法满足施工及压实要求，需要额外添加砂。经过试验可得出合适的砂率，即使得本胶凝人工砂石材料具有和易性好(易泛浆，VC值2～25s，压实性好)，经济性优(在满足施工质量及和易性条件下尽量降低材料成本，与碾压混凝土相比降低50％以上)的优点。

5、采用下面两种方法进行配合比设计：若所述骨料级配的波动大(通常在级配标准差σ_s大于1％时)，则以骨料为最细级配和平均级配时的胶凝人工砂石强度满足“双级配双强度规定”的原则进行配合比设计；若所述骨料级配的波动小(通常在级配标准差σ_s小于1％时)，则以平均级配时的胶凝人工砂石强度满足“单级配单强度规定”的原则进行配合比设计。

6、本发明提供的胶凝人工砂石材料使用所述的方法制备，其强度能达到C₆～C₁₅，具有一定的防渗和抗冻性能。

本发明提供的胶凝人工砂石材料丰富了筑坝材料的种类，扩宽了筑坝材料的可选范围，其具有以下优点和效益：

1、胶凝人工砂石材料与碾压混凝土相比：

胶凝人工砂石材料的骨料制备，对骨料来源要求低，使得骨料的来源范围非常宽泛，可充分利用工程现场的开挖料和各种弃料等。因此具有较好的环保效益。

制备骨料时只需经过简单破碎，例如只经过一道或两道颚式破碎机，不筛分，只将粒径超过一定尺寸的颗粒剔除，例如采用筛除或人工拣选的方法将粒径大于150mm的颗粒去除，即骨料最大粒径由碾压混凝土的80mm放宽至150mm。

骨料级配在许可的范围内波动，但不需调整级配，使得工艺简单。

胶凝材料用量少，胶凝人工砂石的胶凝材料用量一般为80～130kg/m³，其中水泥用量为40～60kg/m³,绝热温升低，可简化或者不进行温度控制，使得施工更加快速、简捷。而碾压混凝土的胶凝材料用量一般大于140kg/m³，在施工中需要采用必要的温控措施。

骨料制备过程的简化和胶凝材料用量的降低可大大降低造价。与碾压混凝土相比，制备一立方米的材料，胶凝人工砂石的造价约降低50％。

2、胶凝人工砂石材料与胶凝砂砾石材料相比：

由于本发明提供的胶凝人工砂石材料采用人工砂石作为骨料，与常规胶凝砂砾石材料采用的天然河床砂、砾石相比，骨料级配的离散度显著减小，并且砂率便于优化，因此胶凝人工砂石的材料性能优于胶凝砂砾石，强度提高，可达到C₆～C₁₅，而常规胶凝砂砾石，由于其直接取天然骨料，骨料级配波动大，其强度也较低，通常为C₄～C₁₀。

胶凝人工砂石材料具有较好的抗渗、抗冻性能，而胶凝砂砾石材料抗渗、抗冻性能较低。

胶凝人工砂石用于大坝建设时的坝体设计和施工类似于胶凝砂砾石的，但由于胶凝人工砂石的骨料相对胶凝砂砾石的具有级配波动小，均匀性相对较好，且含泥量低，因此胶凝人工砂石的强度优于胶凝砂砾石。相同胶凝材料用量情况下，使用本胶凝人工砂石材料建成的大坝断面小于用胶凝砂砾石材料建成的大坝断面,从而减少了工程占地和浇筑量，提高了工程的经济效益。

进而，用胶凝人工砂石材料,因性能高于同等胶凝材料用量的胶凝砂砾石材料，修建的大坝具有更高的抗冲蚀能力，坝体运行期间抗渗流冲蚀和洪水漫顶的安全度大大提高。

胶凝人工砂石的变形模量比胶凝砂砾石显著提高，坝体变形减小，当大坝上游采用面板进行防渗时，可以改善面板和周边缝的工作状态，有利于大坝上游防渗体系的正常工作。

胶凝人工砂石材料扩宽了可筑坝的范围，与胶凝砂砾石和碾压混凝土相比，它使更多的地区适合修建大坝，对于没有天然河床砂砾石，或对材料配置强度教高、基础条件较差情况下修建水库大坝、对水资源进行开发的需求具有重要意义。

下面通过附图和实施例对本发明做详细说明。

附图说明

图1为本发明的实施例中的某工程胶凝人工砂石材料的配合比设计，即单级配单强度规定原则；

图2胶凝人工砂石材料的配合比设计，即双级配双强度规定原则。

具体实施方式

某大坝工程，采用胶凝人工砂石材料修建，其筑坝材料的制备具有如下步骤：

1、对工程现场的料源进行勘探和取样试验；

2、根据勘探和试验结果，确定胶凝人工砂石的骨料破碎工艺，为一道颚式破碎机破碎。一般的，胶凝人工砂石的骨料破碎工艺可采用一道或两道颚式破碎机。破碎而得的骨料不需要筛分，仅将其中粒径大于150mm的颗粒，采用过一次筛的方法剔除。

3、工程现场根据步骤2中确定的骨料生产工艺，开始生产人工砂石骨料。

在堆料场(即堆放已经生产好的骨料的场地)的空间上，在制备好的骨料堆中均匀选取10个以上位置取样,得到10组以上骨料。分别测量各组骨料的级配和砂率，据此得到最粗级配、最细级配和平均级配。计算10组以上级配数据的标准差，评价级配的波动大小。

本例中，10个级配粒径分布见下表1。

表1某工程现场人工砂石骨料的粒径分布

平均级配见下表2。

表2某工程现场人工砂石骨料的平均级配

接下来计算10组骨料级配的标准差，用于评价骨料级配的波动大小，计算式如下：

式中σ_s为级配标准差，％。为第i组级配，％。n为分组数。

上述10组骨料的级配标准差σ_s＝2.9％。在胶凝人工砂石的骨料中属于级配波动较大的情况。(注：σ_s≤1％时属于级配波动较小，1％≤σ_s时属于级配波动较大)

4、进行砂率调整：对于该工程中得到的人工砂石骨料，根据和易性好、经济性优的原则，选定合适砂率。根据合适砂率，向骨料中外掺不同比例的砂。本工程给出的合适砂率为20％左右，根据步骤3得到的砂率情况为4.9％～17.9％。因此本工程生产的骨料，采用向骨料中增补2.1％～15.1％砂的方法来优化砂率。具体的，2.1％+17.9％＝20％；15.1％+4.9％＝20％，即将实际的砂率调整至20％即可。

5、步骤3中，已计算得出本工程的骨料级配波动较大。因此按照“双级配双强度规定”的原则进行配合比设计。

具体的“双级配双强度规定”的原则是指，只针对步骤3中得到的骨料平均级配进行配合比设计，而忽略骨料级配的波动。本工程进行配合比设计后得到如图2所示的曲线。

“双级配双强度规定”原则的含义是指，首先根据施工和易性要求，通过室内试验，对不同砂率的材料按照VC值为2s和25s控制，测出最大、最小用水量，由此确定适宜用水量范围为图2中的D～E范围。另外，按照骨料平均级配配制出的胶凝人工砂石材料，其强度最小值应不小于“配置强度”，即图2中A点，并且按照骨料最细级配配制出的胶凝人工砂石材料，其强度最小值应不小于“设计强度”，即图2中B点(注：“配置强度”、“设计强度”也是是常规术语，为规范中规定的一个特征值，通过综合考虑工程设计和材料性能给出)。

1)配制强度按下式计算：

f_cu,o＝f_cu,k+tσ

式中：f_cu,o——胶凝人工砂石的配制强度，MPa；

f_cu,k——胶凝人工砂石设计龄期的强度标准值，MPa；

t——概率度系数，依据保证率P选定，本例中P为80％，其值为0.84；

σ——胶凝人工砂石抗压强度标准差，MPa。

2)设计强度指按照标准方法制作和养护的边长为的立方体试件，在180d设计龄期用标准试验方法测得的具有80％设计保证率的抗压强度标准值。

3)双级配双强度中，双级配是指平均级配和最细级配；双强度是指配置强度和设计强度。具体配合比控制原则为：平均级配的强度不低于配置强度，最细级配的强度不低于设计强度。

具体的“双级配双强度规定”的原则不仅对骨料平均级配进行配合比设计，而且还要考虑步骤3中骨料最粗、最细级配。进行配合比设计后得到如图2所示的曲线。

至此，确定出了胶凝人工砂石材料配合比中的重要参数——单位用水量。再确定配合比中的其他参数，例如确定胶凝材料用量、外加剂掺量等，完成配合比的设计。(注：胶凝材料用量、外加剂掺量确定为常规方法。)

6、如果步骤3中计算得出的骨料级配波动较大，即σ_s≤1％时，应按照“单级配单强度规定”的原则进行配合比设计。

“单级配单强度规定”原则的含义是指，按照骨料平均级配配制出的胶凝人工砂石材料，其满足施工和易性(施工和易性是专有名词，行业内普遍已知)要求的适宜用水量范围为图1中的C～D，其强度最小值应满足“配置强度”的要求，即图1中A点。(注：前文已对“施工和易性”、“配置强度”给出说明，此处部重复说明)

7、根据上述设计过程，制备胶凝人工砂石材料。

8、对本工程制得的胶凝人工砂石进行绝热温升试验，并与碾压混凝土进行对比。28天绝热温升测试结果和拟合绝热温升结果列于表3。可见，胶凝人工砂石28d温升11.10℃，拟合最终温升12.71℃。碾压混凝土28d温升16.23℃，拟合最终温升19.59℃。由于水泥用量与碾压混凝土相比大大降低，胶凝人工砂石的绝热温升比碾压混凝土低约7℃，大大降低了施工中对温控的要求。

表3胶凝人工砂石和碾压混凝土的绝热温升对比

9、对本工程制得的胶凝人工砂石进行抗渗、抗冻试验，并与胶凝砂砾石进行对比，结果列于表4。

表4胶凝人工砂石和胶凝砂砾石的抗渗、抗冻性能对比

试验对象	抗渗性能	抗冻性能
			胶凝人工砂石	＞W8	F150
胶凝砂砾石	＜W4	无

天然砂砾石因为含泥量高会降低骨料界面的粘结强度，在冻融情况下，含泥膨胀比、收缩比不一样，很大程度上影响到胶凝砂砾石的抗冻耐久性。而人工砂石级配波动范围与天然砂砾石相比较小，且含泥量极大降低，使其强度，以及抗渗性、抗冻性能大大提高。

Claims (12)

1.一种胶凝人工砂石材料，其特征在于：原料中的骨料，为经过破碎的工程现场的开挖料和弃料中的至少一种，该骨料的最大允许粒径为150mm；该胶凝人工砂石的级配标准差σ_s小于3％，其配合比要求：所述骨料级配的波动大，即在所述级配标准差σ_s大于1％时，胶凝人工砂石强度满足“双级配双强度规定”的原则；或者，所述骨料级配的波动小，即在级配标准差σ_s小于1％时，胶凝人工砂石强度满足“单级配单强度规定”的原则。

2.根据权利要求1所述的胶凝人工砂石材料，其特征在于：该胶凝人工砂石材料的胶凝材料的加入量为80～130kg/m³,其中水泥的加入量为40-60kg/m³,其余为粉煤灰。

3.根据权利要求1或2所述的胶凝人工砂石材料，其特征在于：所述骨料中的含泥量小于5％。

4.如权利要求1至3之一所述胶凝人工砂石材料的制备方法，其特征在于：

骨料加工步骤为：

对于工程现场的开挖料和/或弃料进行破碎，通过筛除或人工挑拣而保证骨料最大允许粒径为150mm；

包括进行砂率调整的步骤；

配合比的设计为：

确定骨料级配波动程度；所述骨料级配波动程度,采用“级配标准差”的方法进行评价；

在进行配合比设计时，择一地采用下面两种方法进行配合比设计：

(1)若所述骨料级配的波动大，即在所述级配标准差σ_s大于1％时，以骨料为最细级配和平均级配时的胶凝人工砂石强度满足“双级配双强度规定”的原则进行配合比设计；

(2)若所述骨料级配的波动小，即在级配标准差σ_s小于1％时，则以平均级配时的胶凝人工砂石强度满足“单级配单强度规定”的原则进行配合比设计。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：砂率调整为：在砂率低于18％的人工破碎骨料中，通过外掺砂来调整砂率，将砂率调至18％，以满足碾压施工中的泛浆、密实的要求。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：在所述制备方法中，胶凝材料的加入量为80～130kg/m³,其中水泥的加入量为40-60kg/m³,其余为粉煤灰。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在所述制备方法中，对于工程现场的开挖料和/或弃料进行破碎，是经过一道或二道颚式破碎机破碎。

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：在所述制备方法中，对于工程现场的开挖料和/或弃料进行破碎，是经过一道或二道颚式破碎机破碎。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在对骨料中的砂率进行调整中，根据和易性好，即易泛浆，也即VC值2～25s，和/或压实性好、和/或经济性优即在满足施工和易性条件下与碾压混凝土相比材料成本降低50％以上的标准进行砂率调整。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在对骨料中的砂率进行调整中，根据和易性好，即易泛浆，也即VC值2～25s，和/或压实性好、和/或经济性优即在满足施工和易性条件下与碾压混凝土相比材料成本降低50％以上的标准进行砂率调整。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在对骨料中的砂率进行调整中，根据和易性好，即易泛浆，也即VC值2～25s，和/或压实性好、和/或经济性优即在满足施工和易性条件下与碾压混凝土相比材料成本降低50％以上的标准进行砂率调整。

12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在对骨料中的砂率进行调整中，根据和易性好，即易泛浆，也即VC值2～25s，和/或压实性好、和/或经济性优即在满足施工和易性条件下与碾压混凝土相比材料成本降低50％以上的标准进行砂率调整。