CN109485316B - 浇筑型胶结颗粒料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了浇筑型胶结颗粒料及其制备方法。该浇筑型胶结颗粒料包括：颗粒材料，所述颗粒材料密实堆积后，形成浇筑型胶结颗粒料的骨架结构；高性能水泥基的胶凝材料，可在自重作用下沿着颗粒材料的孔隙流动，流动的同时部分胶凝材料沉积于颗粒料空隙形成胶结颗粒料。本发明所提出的浇筑型胶结颗粒料，其胶凝材料沉积量可通过胶凝材料流动性能参数与沉积量之间的经验公式确定，可根据胶凝材料沉积量和胶凝材料自身强度快速地预测出浇筑型胶结颗粒料的力学参数，进而减少制备预期的胶结颗粒料的周期和成本。

Description

浇筑型胶结颗粒料及其制备方法

技术领域

本发明涉及工程材料制备技术领域，具体的，本发明涉及浇筑型胶结颗粒料及其制备方法。

背景技术

高性能自密实水泥净浆、自密实水泥砂浆和自密实混凝土由于具有很好的流动性能，在浇筑过程中无需施加任何振捣，仅依靠自重就能密实填充颗粒间的微小孔隙。自密实水泥基的胶凝材料是房屋、桥梁、坝体和路基等工程建设中常用的材料，同时自密实水泥基的胶凝材料在边坡、病害坝、地基和隧洞等加固工程有广泛的应用。高性能水泥基的胶凝材料具有施工简单、工程量小和工程成本低等优点。

胶结颗粒材料是一种常见的材料。自然界中胶结颗粒材料包括砂岩、砾岩等。工程中，最常见的胶结颗粒材料主要包括胶结堆石料、胶结砂砾石和堆石混凝土等。传统水泥基胶结颗粒材料的强度主要通过压缩试验获得，首先需要通过拌合的方式制备符合规范要求的胶结颗粒材料试样，然后将成型的胶结颗粒材料放于标准养护室中，养护28天或更长时间，最后采用压力机进行加载试验得到。若想配制出满足工程需求的胶结颗粒材料，则需要根据压缩试验结果，不断调整胶结颗粒材料的配合比。自然界中存在很多低强度胶结颗粒材料或高孔隙胶结颗粒材料，很难从工程现场中取出满足试验要求的标准试样，因此只能在室内制备出类似材料表征自然界中胶结颗粒材料，工程实践表明室内拌合而成的胶结颗粒材料试样忽略了历史沉积过程，导致人工制备的胶结颗粒材料与自然界中的胶结颗粒材料的力学性能存在差异。同时这类人工的胶结颗粒材料试样通常是非标准试样，加载试验得到的强度数据不一定能真实反映材料自身力学性能。对于峡谷滑坡形成的堰塞体，如果采用挖掘清理的方式，工期长且工程危险系数高，工程量大，工程成本高，灌浆加固是一种很好的处治方法。在灌浆工程中，最常用的加固指标是灌浆量，对灌浆形成的胶结体强度、胶结体结构以及胶结体尺寸缺乏清晰的认识，为了确保工程安全，往往需要在涉及灌浆量的基础上，不断提高灌浆量，进一步造成工程工期的延长，工程成本的增加。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种浇筑型胶结颗粒材料及其设计方法，其中，浇筑型胶结颗粒材料是由高性能水泥基的胶凝材料在自重作用下流经颗粒材料孔隙，部分胶凝材料沉积于颗粒材料空隙得到，而浇筑型胶结颗粒材料的设计方法是根据颗粒材料和预期胶结颗粒料的力学性能，进行高性能水泥基的胶凝材料的选型，并确定胶结颗粒料中预期胶凝材料沉积量和高性能水泥基的胶凝材料自身力学性能；通过高性能水泥基的胶凝材料在颗粒材料中的沉积量与其流动性能参数之间的经验公式，确定预期胶凝材料沉积量对应的高性能水泥基的胶凝材料的流动性能参数，进而确定高性能水泥基的胶凝材料配合比，最后将制备的高性能水泥基的胶凝材料灌注于颗粒材料中，便可得预期力学性能的胶结颗粒料。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种浇筑型胶结颗粒料。

根据本发明的实施例，所述浇筑型胶结颗粒料包括：颗粒材料，所述颗粒材料在密实堆积后形成所述浇筑型胶结颗粒料的骨架结构；高性能水泥基的胶凝材料，所述胶凝材料在自重作用下沿着所述颗粒材料的孔隙流动，且在所述流动过程中，部分所述胶凝材料沉积于所述颗粒材料空隙；其中，所述胶凝材料在所述浇筑型胶结颗粒料中的沉积量是通过所述胶凝材料的流动性能参数确定出的，且所述浇筑型胶结颗粒料的力学参数是根据所述胶凝材料的所述沉积量和所述胶凝材料的力学性能确定出的。

发明人经过研究发现，本发明实施例的浇筑型胶结颗粒料的力学性能由高性能水泥基的胶凝材料沉积量和胶凝材料自身力学性能参数控制，同时可通过控制高性能水泥基的胶凝材料流动性改变胶凝材料在颗粒材料中的沉积量，从而减少制备出预期的浇筑型胶结颗粒料的周期和成本。

另外，根据本发明上述实施例的浇筑型胶结颗粒料，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述颗粒材料的粒径级配为窄级配，其目的是高性能水泥基的胶凝材料可通过颗粒材料孔隙流动，如粒径为5～50mm的碎石料、粒径为50～300mm的堆石料和粒径为1～100mm的砂砾石料。

根据本发明的实施例，所述高性能水泥基的胶凝材料为高性能自密实水泥净浆、高性能自密实水泥砂浆或高性能自密实混凝土。

根据本发明的实施例，所述的高性能自密实水泥净浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为1.5～2.5s，所述高性能自密实水泥砂浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为5～12s，所述高性能自密实混凝土的扩展度为550～750mm、浇筑塌落度为230～290mm且V漏斗值为8～25s。

根据本发明的实施例，所述高性能水泥基的胶凝材料可通过掺加石粉调节自密实水泥基的胶凝材料的流动性能和强度参数。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备浇筑型胶结颗粒料的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)根据颗粒材料和预期胶结颗粒料的力学性能，进行高性能水泥基的胶凝材料的选型，并确定出所述浇筑型胶结颗粒料中预期胶凝材料的沉积量和所述胶凝材料的力学性能；(2)根据所述胶凝材料流经所述颗粒材料后的沉积量与所述胶凝材料的流动性能参数之间的经验公式，确定出所述预期胶凝材料的沉积量对应的所述胶凝材料的流动性能参数，进而确定出所述胶凝材料的配合比；(3)向密实堆积的所述颗粒材料中灌注所述胶凝材料，所述胶凝材料在自重作用下沿着所述颗粒材料的孔隙流动，部分的所述胶凝材料沉积于所述颗粒材料的空隙，以获得所述预期力学性能的所述浇筑型胶结颗粒料。

发明人经过研究发现，采用本发明实施例的制备方法，可根据高性能水泥基的胶凝材料在颗粒材料中预期沉积量确定出高性能水泥基的胶凝材料的流动性能参数，进而确定出预期的胶凝材料沉积量对应的高性能水泥基的胶凝材料的配合比，从而快速高效地制备出预期的浇筑型胶结颗粒料。

另外，根据本发明上述实施例的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述胶凝材料在所述颗粒材料中的沉积形式包括接触胶结形式、基底胶结形式和密实胶结形式中的至少一种，所述沉积形式与所述胶凝材料的流动性能参数有关。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：根据所述胶凝材料在所述颗粒料中的沉积量、所述胶凝材料的力学参数以及所述胶凝材料在所述颗粒材料的空隙中的沉积型式，确定出所述浇筑型胶结颗粒料的力学参数。

根据本发明的实施例，所述灌注为一次浇筑或分层分区多次浇筑。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：

图1是本发明一个实施例的浇筑型胶结颗粒料的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的制备浇筑型胶结颗粒料的设计方法流程图；

图3是本发明一个实施例的高性能水泥基的胶凝材料在颗粒材料的表面的三种沉积型式图；

附图标记

1颗粒材料

2高性能水泥基的胶凝材料

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种浇筑型胶结颗粒料。

根据本发明的实施例，参考图1，浇筑型胶结颗粒料包括颗粒材料1和高性能水泥基的胶凝材料2，其中，颗粒材料1形成浇筑型胶结颗粒料的骨架结构，而胶凝材料2在自重作用下沿着颗粒材料1之间的孔隙流动，部分的胶凝材料2沉积于颗粒材料1的孔隙而得到胶结颗粒料。如此，胶凝材料2在自重作用下沿着颗粒材料1的孔隙向下流动，由于高性能水泥基的胶凝材料2的屈服强度、粘度、表面张力和颗粒表面粗糙度，胶凝材料在孔隙中流动的同时，部分的胶凝材料2会附着于颗粒表面、沉积于颗粒接触点和填充于颗粒间小空隙。沉积于颗粒材料1空隙中的水泥基的胶凝材料通过水化反应，产生具有一定强度的胶结物会粘结相邻颗粒，限制颗粒的移动和转动，赋予颗粒材料整体性力学行为，形成具有一定强度的胶结颗粒材料。

需要说明的是，本文中的高性能水泥基的胶凝材料包括高性能自密实水泥净浆、高性能自密实水泥砂浆和高性能自密实混凝土。对于自密实水泥净浆，“高性能”具体指水泥净浆扩展度大于200mm且V漏斗值在1～25s之间；对于自密实水泥砂浆，“高性能”具体指水泥砂浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为5～12s；对于自密实混凝土，“高性能”具体指自密实混凝土的扩展度为550～750mm、浇筑塌落度为230～290mm且V漏斗值为8～25s。

根据本发明的实施例，颗粒材料的颗粒粒径为窄级配，如粒径为5～50mm的碎石料、粒径为50～300mm的堆石料和粒径为1～100mm的砂砾石料，如此，采用上述粒径区间的颗粒材料，可保证自密实水泥基的胶凝材料通过颗粒材料孔隙流动。在本发明的一些实施例中，由粒径为5～10mm的碎石密实堆积而成的颗粒材料，在围压600kPa条件下的剪切强度约为2MPa；采用自密实水泥净浆浇筑后形成浇筑型胶结颗粒材料，若水泥净浆沉积量占浇筑型胶结颗粒材料试样体积的10-15％时，养护7天后，浇筑型胶结颗粒材料在围压600kPa条件下的剪切强度为3-5MPa，残余强度为2-3MPa，若净浆沉积量占浇筑型胶结颗粒材料试样体积的15-22％时，养护7天后，胶结颗粒材料在围压600kPa条件下的剪切强度为5-7MPa，残余强度为4-5MPa。

在本发明的一些实施例中，颗粒材料1可选择粒径为5～7mm的球形颗粒，调整高性能自密实水泥净浆流动性能参数，形成不同净浆沉积量的浇筑型胶结颗粒料，净浆沉积量可占浇筑型胶结颗粒材料试样体积的5-20％。胶结颗粒材料中净浆沉积量占试样体积的5-10％，浇筑型胶结颗粒材料的强度范围为1.5-10MPa，胶结颗粒材料中净浆沉积量占试样体积的10-20％时，浇筑型胶结颗粒材料的强度范围为10-20MPa。

具体的，高性能自密实水泥净浆流动性能参数的调整范围：扩展度为220～320mm，V漏斗值为1.5～2.5s。

根据本发明的实施例，高性能自密实水泥净浆的扩展度为220～230mm时，如此，上述的净浆沉积量占浇筑型胶结颗粒材料试样体积的10-20％；高性能自密实水泥净浆的扩展度为230～260mm时，上述的净浆沉积量占试样体积的6-10％；而高性能自密实水泥净浆的扩展度为260～320mm时，净浆沉积量占浇筑型胶结颗粒材料试样体积的4-6％。

根据本发明的实施例，高性能水泥基的胶凝材料可进一步掺加石粉，如此，通过掺加石粉可减少水泥用量，从而降低胶凝材料水化后的胶结物强度，同时改善高性能水泥胶凝材料的流动性能。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种制备浇筑型胶结颗粒料的方法。根据本发明的实施例，参考图2，该制备方法包括：

S100：根据颗粒材料和预期胶结颗粒料的力学性能，进行高性能水泥基的胶凝材料的选型，并确定出浇筑型胶结颗粒料中预期胶凝材料的沉积量和胶凝材料的力学性能。

在该步骤中，高性能水泥基的胶凝材料的选型是根据颗粒材料的颗粒形状、颗粒粒径分布和颗粒材料密实度等参数进行选择，其中，对于粒径较大的颗粒材料一般采用高性能自密实混凝土混凝土，对于中等粒径的颗粒材料一般采用高性能自密实砂浆，而对于小粒径的颗粒材料一般采用高性能自密实净浆。

S200：根据胶凝材料流经颗粒材料后的沉积量与胶凝材料的流动性能参数之间的经验公式，确定出预期胶凝材料的沉积量对应的胶凝材料的流动性能参数，进而确定出胶凝材料的配合比。

S300：向密实堆积的颗粒材料中灌注胶凝材料，胶凝材料在自重作用下沿着颗粒材料的孔隙流动，部分的胶凝材料沉积于颗粒材料的空隙，以获得预期力学性能的浇筑型胶结颗粒料。

在该步骤中，向颗粒材料中灌注高性能水泥基的胶凝材料，高性能水泥基的胶凝材料在重力作用下沿着颗粒材料的孔隙流动，部分胶凝材料沉积于颗粒材料空隙，以获得浇筑型胶结颗粒料。如此，高性能水泥基的胶凝材料在自量作用下沿着颗粒材料的孔隙流动沉积于颗粒接触点、填充颗粒间隙，形成胶结颗粒材料，工程难度降低，且对环境污染小。

根据本发明的实施例，高性能水泥基的胶凝材料在颗粒材料的沉积形式包括接触胶结形式、基底胶结形式和密实胶结形式中的至少一种。参考图3，试验表明高性能水泥基的胶凝材料2在颗粒材料1中形成的沉积结构包括沉积于颗粒接触点形成接触胶结，沉积于不相邻颗粒之间形成基地胶结，填充于颗粒间隙形成密实胶结，接触胶结和基地胶结的作用是限制了颗粒的转动和移动，基底胶结和密实胶结的作用是传递荷载和分担荷载。

根据本发明的实施例，灌注的形式可采用一次浇筑或分层分区多次浇筑，如此，一次浇筑完成的浇筑型胶结颗粒材料整体性能更好，而根据工程需要分层分区浇筑而成的浇筑型胶结颗粒材料可调控各层各区的不同强度。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制备浇筑型胶结颗粒料的方法，可根据高性能水泥基胶凝的流动性能参数与其在颗粒材料中沉积量之间的经验公式，确定出预期胶凝材料沉积量对应的高性能水泥基的胶凝材料的配合比，从而快速高效地制备出预期地浇筑型胶结颗粒料。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

在该实施例中，制备出低强度的浇筑型胶结颗粒材料，该浇筑型胶结颗粒材料的设计方法适用于碎石桩、堆石坝等加固工程，也适用于堤防、路基等建造工程。其中，颗粒材料选择粒径为5～8mm的碎石，高性能水泥基的胶凝材料采用扩展度为270±10mm且V漏斗值为1.8±0.2s的自密实水泥净浆，且浇筑后形成的胶结颗粒材料主要在颗粒接触点形成接触胶结，胶结颗粒材料的强度约为4-6MPa，胶结颗粒材料的孔隙率约为35％。具体步骤如下：

(1)根据粒径5-10mm的碎石材料和预期胶结颗粒料的抗压强度为4-6MPa，选择自密实水泥净浆浇筑，并确定出胶结颗粒料中预期水泥净浆的沉积量为5％和高性能水泥净浆的抗压强度为50-70MPa；

(2)根据高性能水泥净浆流经碎石材料后的沉积量与高性能水泥净浆流动性能参数之间的经验公式，确定出预期5％胶凝材料沉积量对应的高性能水泥基净浆的扩展度为260-280mm，进而确定出水泥净浆配合比。

(3)向碎石材料中灌注高性能水泥净浆，高性能水泥净浆在自重作用下沿着碎石材料孔隙流动，部分的水泥净浆沉积于碎石材料的空隙，可获得低强度浇筑型胶结颗粒料。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种浇筑型胶结颗粒料，其特征在于，包括：

颗粒材料，所述颗粒材料在密实堆积后形成所述浇筑型胶结颗粒料的骨架结构；

高性能水泥基的胶凝材料，所述胶凝材料在自重作用下沿着所述颗粒材料的孔隙流动，且在所述流动过程中部分的所述胶凝材料沉积于所述颗粒材料空隙；

其中，所述胶凝材料在所述浇筑型胶结颗粒料中的沉积量是通过所述胶凝材料的流动性能参数确定出的，且所述浇筑型胶结颗粒料的力学参数是根据所述胶凝材料的力学性能和所述沉积量确定出的。

2.根据权利要求1所述的浇筑型胶结颗粒料，其特征在于，所述颗粒材料的粒径级配为窄级配。

3.根据权利要求1所述的浇筑型胶结颗粒料，其特征在于，所述高性能水泥基的胶凝材料为高性能自密实水泥净浆、高性能自密实水泥砂浆或高性能自密实混凝土。

4.根据权利要求3所述的浇筑型胶结颗粒料，其特征在于，所述高性能自密实水泥净浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为1.5～2.5s，所述高性能自密实水泥砂浆的扩展度为220～320mm且V漏斗值为5～12s，所述高性能自密实混凝土的扩展度为550～750mm、浇筑塌落度为230～290mm且V漏斗值为8～25s。

5.一种制备浇筑型胶结颗粒料的方法，其特征在于，包括：

(1)根据颗粒材料和预期胶结颗粒料的力学性能，进行高性能水泥基的胶凝材料的选型，并确定出所述浇筑型胶结颗粒料中预期胶凝材料的沉积量和所述胶凝材料的力学性能；

(2)根据所述胶凝材料流经所述颗粒材料后的沉积量与所述胶凝材料的流动性能参数之间的经验公式，确定出所述预期胶凝材料的沉积量对应的所述胶凝材料的流动性能参数，进而确定出所述胶凝材料的配合比；

(3)向密实堆积的所述颗粒材料中灌注所述胶凝材料，所述胶凝材料在自重作用下沿着所述颗粒材料的孔隙流动，部分的所述胶凝材料沉积于所述颗粒材料的空隙，以获得所述预期力学性能的所述浇筑型胶结颗粒料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述胶结颗粒料采用浇筑的方式形成，所述胶凝材料在所述颗粒材料的空隙中的沉积型式包括接触胶结形式、基底胶结形式和密实胶结形式中的至少一种，所述沉积型式与所述胶凝材料的流动性能参数有关。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

根据所述胶凝材料的沉积量、所述胶凝材料的力学参数以及所述胶凝材料在所述颗粒材料的空隙中的沉积型式，确定出所述浇筑型胶结颗粒料的力学参数。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述浇筑的方式为一次浇筑或分层分区多次浇筑。

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