CN114702271B - 一种基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于临界砂率为基准的胶结砂砾石配合比设计方法，现场根据不同级配变化，参比基准配合比的临界砂率，即砂浆裕度为1.0时的基准配合比来上下调整配合比，从而解决强度离散大、不经济的问题。该方法与现今采用的胶结砂砾石方法进行各项性能对比试验相比，方法更加合理科学，降低材料和人力资源投入，降低成本。

Description

一种基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，特别涉及一种基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法。

背景技术

胶结砂砾石料是指利用胶凝材料和砂砾石料，经拌和、摊铺、振动碾压形成的具有一定强度的材料，这项筑坝技术不同于常规的土石坝和重力坝，带来的显著效果是：大幅度降低成本、环保、高效快速施工建成高安全性大坝。

目前国内已建工程项目中胶结砂砾石配合比设计方法主要是参照导则SL674配合比设计方法进行，配合比设计原则是确定"配合比控制范围"。根据胶凝砂砾石配制强度，选2～3个胶凝材料用量，在每个胶凝材料用量下，分别按最粗级配、最细级配和平均级配的砂砾石比例，在较宽范围内选取不同用水量进行强度试验，建立不同级配下28d龄期及设计龄期的抗压强度、弹性模量与用水量的关系，确定满足施工VC值要求的适宜用水量范围以及与之相对应的适宜强度范围，即"配合比控制范围"。最后根据不同胶凝材料用量下的"配合比控制范围"选定胶凝材料用量。该胶凝材料用量下，"配合比控制范围"中平均级配胶凝砂砾石设计龄期强度最小值应满足配制强度要求，同时"配合比控制范围"中最细级配胶凝砂砾石设计龄期强度最小值不应低于设计强度。

而实际上，胶结砂砾石是一种半刚性材料，内部空隙常常无法达到完全包裹状态，因此造成采用该配合比设计方法存在以下几个方面问题：

1、全包裹理论设计使得浆体用量增加，不能充分发挥胶结砂砾石料的全部优势。

2、为满足最细、平均、最粗级配包线内的胶结砂砾石性能都满足设计要求，故不同级配推荐配合比均采用同一胶凝材料，湿筛成型后使得三种级配的胶结砂砾石强度和弹模差异较大，因此会导致胶结砂砾石整体变形特征存在不均衡现场，也不利于今后的施工质量控制。为解决这一问题，我们寻求新的配合比设计方法，尽量保证不同级配胶结砂砾石强度均衡。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，比现有方法设计出的不同级配强度更均衡，室内模拟现场成型工艺，设计出的配合比更科学合理，保证施工质量。

本发明技术方案如下：

一种基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，所述方法包括以下步骤：

1)根据设计强度要求，固定一个粉煤灰掺量，初选4～5个水胶比和灰浆裕度，进行不同水胶比和灰浆裕度组合下的砂浆强度试验；

2)得出不同水胶比下灰浆裕度与砂浆强度的关系；

3)将砂浆强度换算成胶结砂砾石强度，根据步骤2)，可得出满足设计强度要求的不同水胶比对应的灰浆裕度，然后计算出不同水胶比的每方砂浆胶凝材料用量；

4)找出上述满足设计强度要求的最小胶凝材料用量的配合比，其对应的水胶比和灰浆裕度为基准水胶比和基准灰浆裕度；

5)按照砂砾石平均级配粗骨料的空隙率计算出胶结砂砾石刚好全填充的的临界砂率，该砂率为基准砂率；

6)通过5)得出基准配合比参数；

7)如实际砂率大于基准砂率时，采用基准配合比下的水胶比和灰浆裕度，同时计算出胶凝材料和水，得出该砂率下的配合比；

8)如实际砂率小于基准砂率，采用上述基准配合比下的水胶比和砂浆裕度，得出该砂率下的配合比；

9)对胶结砂砾石基准配合比进行适当修正；

10)采用基准水胶比和灰浆裕度，进行3个以上不同砂率与胶结砂砾石7天强度关系试验；

11)通过上述10)回归，得出满足设计强度要求的砂率，为修正后的基准砂率，得出修正后基准配合比参数；

12)采用原基准水胶比、灰浆裕度和修正后的基准砂率，计算出修正后的砂浆裕度；

13)实际配合比根据修正后的基准配合比，按照上述7)、8)步骤进行计算调整，从而得出最终配合比。

优选地，所述方法中，

灰浆裕度：灰浆占砂空隙的体积比；

刚好全填即砂浆裕度为1的状态：由灰浆和砂组成的砂浆体积刚好填满石子的所有空隙，石子颗粒之间刚好呈粘接状态，此时胶结砂砾石的砂率为临界砂率；

α＝(1-m_砂/γs-m_石/γg)/(m_砂/γg_振-m_砂/γs)

β＝(1-m_石/γg)/(m_石/γg_振-m_石/γg)

式中：α：灰浆裕度；

β：砂浆裕度；

m_石：每方材料中石的质量，kg/m³；

m_砂：每方材料中砂的质量，kg/m³；

γg:石料的表观密度，kg/m³；

γs：砂料的表观密度，kg/m³；

γg_振:石料的振实密度，kg/m³；

γs_振：砂料的振观密度，kg/m³。

优选地，所述方法中，基准配合比参数包括水胶比、灰浆裕度、砂率或其他。

优选地，所述步骤1)中水胶比和灰浆裕度选择的范围需能保证砂浆满足胶结成型要求。

优选地，所述步骤3)将砂浆强度按照经验0.3-0.7的折算系数换算成胶结砂砾石强度。

优选地，所述步骤10)3个以上不同砂率选择基准砂率上下浮动20％范围内数值。

优选地，所述步骤10)中，试验过程中，室内拌合时，砂砾石采用混合法将级配缩尺到40mm以下，成型采用振动压实法。

进一步优选地，混合法先用适当的比例缩尺，尽可能保证缩尺前后砂率变化在5％左右，且保证大于40mm以上颗粒含量小于40％，然后将超径颗粒按照原级配40mm以下颗粒比例等质量替换；

振动压实法采用试件尺寸

根据全级配胶凝砂砾石的理论容重，计算湿筛后小于40mm以下胶凝砂砾石材料的密度，按照体积标准，计算出胶凝砂砾石材料成型质量；试验选用面压力约为0.1MPa,激振力约6800N，振动频率为28Hz～30Hz对试件进行振实成型。

本发明根据现场砂砾石级配试验筛分结果，得出最细、平均、最粗级配下的砂率。通过不同水胶比、灰浆裕度下的砂浆强度，快速找出砂浆裕度为1.0的基准配合比(水胶比、灰浆裕度、临界砂率)，不同级配下的配合比设计参比基准配合比的临界砂率，即砂浆裕度为1.0时的基准配合比进行上下调整，从而解决强度离散大、不经济的问题。

本发明的有益效果：

1)采用与现场施工工艺接近的振动压实法成型减少单位用水量。

2)采用级配模拟法(混合法)将最大粒径200mm砂砾石缩尺到40mm，砂砾石框架结构与原级配保持不变，填充率(砂浆裕度)不变，结果更真实。

3)可快速得到满足胶结砂砾石设计强度的基准配合比。现场根据不同级配变化，参比基准配合比的临界砂率，即砂浆裕度为1.0时的基准配合比来调整配合比，填充率小的级配砂砾石增加胶凝材料，填充率大的级配砂砾石减少胶凝材料，保证不同级配的胶结砂砾石性能均衡，从而解决强度离散大、不经济的问题。

该方法与现今采用的胶结砂砾石方法进行各项性能对比试验相比，方法更加合理科学，降低材料和人力资源投入，降低成本。

附图说明

图1不同砂率与胶结砂砾石强度回归关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围不局限于实施例表述的范围。

实施例1

某工程高趾墩背侧增模区胶结砂砾石设计指标：90d龄期抗压强度6MPa，强度保证率80％；水泥：粉煤灰比例(参考值4：6)，低水灰比(参考值0.5～0.8)。最粗级配、最细级配和平均级配的砂砾石比例见表1。

表1配合比试验用砂砾石料各级配比例

通过室内试验，进行不同水胶比下灰浆裕度与砂浆强度的关系结果见表2。将砂浆强度按照0.50的折算系数换算成胶结砂砾石强度见表3。

表2不同水胶比下灰浆裕度与砂浆强度的关系结果(MPa)

表3不同水胶比下灰浆裕度与胶结砂砾石强度的关系结果(MPa)

从表3结果可以看出，当水胶比0.50，灰浆裕度为0.8(最小胶凝材料用量的配合比)能满足C₉₀6配制强度8.0MPa的要求，按胶结砂砾石平均级配粗骨料的空隙率(实际测得为26.7％)得出完全填充的(砂浆裕度为1)的砂率为21.3％，故得出初步得出基准胶结砂砾石配合比参数为：水胶比0.50，灰浆裕度为0.70，砂率21.3％。最细级配砂率为33.7％大于基准砂率21.3％时，采用基准配合比下的水胶比0.50和灰浆裕度0.8，同时计算出胶凝材料和水，得出最细级配砂率下的配合比；最粗和平均级配砂率分别为10.2％、19.5％均小于基准砂率21.3％，采用上述基准配合比的水胶比0.50和砂浆裕度1.0，用浆体补充粗骨料空隙的差值，相应增加胶凝材料和水，计算出最粗和平均级配砂率下的配合比。具体计算结果见表4。

表4C₉₀6最细、平均、最粗级配初步配合比参数

用基准配合比水胶比及灰浆裕度，进行3个以上不同砂率(基准砂率上下浮动20％)与胶结砂砾石强度关系试验，并找出与设计强度相同的砂率。不同砂率与强度回归试验成果见表6及图1。室内拌合时，砂砾石采用混合级配处理法将级配缩尺到40mm以下，成型采用振动压实法。

砂砾石混合法级配处理的具体做法如下：

原则：先用相似级配法，用合适的相似模比，尽可能保证缩尺前后砂率变化在5％左右，且保证大于40mm以上颗粒含量小于40％使之满足等量替代法的适用条件，进而采用等量替代法。

1)最粗级配：本次先用相似模比Mr＝2.2222将砂砾石由最大粒径200mm缩小至90mm，此时大于40mm以上超粒径颗粒含量为37.8％，再使用等量替代法处理大于40mm以上超粒径颗粒。

2)平均级配：本次本次先用相似模比Mr＝1.6667将砂砾石由最大粒径200mm缩小至120mm，此时大于40mm以上超粒径颗粒含量为30.0％，再使用等量替代法处理大于40mm以上超粒径颗粒。

3)最细级配：本次先用相似模比Mr＝1.5将砂砾石由最大粒径200mm缩小至133mm，此时大于40mm以上超粒径颗粒含量为17.5％，再使用等量替代法处理大于40mm以上超粒径颗粒。

混合法级配处理前后，级配不均匀系数CU和曲率系数CC基本保持不变，砂浆裕度一致，推测按照混合法级配处理后可达到与原级配砂砾石性能接近的目的。具体级配处理前后各级比例见表5。

表5砂砾石料混合法级配处理结果表

表6不同砂率与胶结砂砾石强度关系(MPa)

根据图1回归得出满足设计强度要求的砂率为15.9％，根据基准配合比的水胶比和灰浆裕度，计算出修正后的砂浆裕度为0.73，并得出修正后的基准配合比参数(水胶比为0.50、灰浆裕度0.80、砂率15.9％)。

最细和平均级配砂率为分别为33.7％、19.5％，均大于修正后基准砂率15.9％，采用基准配合比的水胶比和灰浆裕度，同时计算出胶凝材料和水，得出最细和平均级配下的配合比；最粗级配砂率为10.2％，小于修正后基准砂率，采用基准配合比的水胶比和修正后砂浆裕度，用浆体补充粗骨料空隙的差值，相应增加胶凝材料和水，最终得出平均、最粗级配的配合比参数，具体见表7。

表7C₉₀6修正后最细、平均、最粗级配的配合比参数

由表7可最终得出不同级配下胶结砂砾石配合比参数。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）根据设计强度要求，固定一个粉煤灰掺量，初选4～5个水胶比和灰浆裕度，进行不同水胶比和灰浆裕度组合下的砂浆强度试验；

2）得出不同水胶比下灰浆裕度与砂浆强度的关系；

3）将砂浆强度换算成胶结砂砾石强度，根据步骤2），可得出满足设计强度要求的不同水胶比对应的灰浆裕度，然后计算出不同水胶比的每方砂浆胶凝材料用量；

4）找出上述满足设计强度要求的最小胶凝材料用量的配合比，其对应的水胶比和灰浆裕度为基准水胶比和基准灰浆裕度；

5）按照砂砾石平均级配粗骨料的空隙率计算出胶结砂砾石刚好全填充的临界砂率，该砂率为基准砂率；

6）通过5）得出基准配合比参数；

7）如实际砂率大于基准砂率时，采用基准配合比下的水胶比和灰浆裕度，同时计算出胶凝材料和水，得出该砂率下的配合比；

8）如实际砂率小于基准砂率，采用上述基准配合比下的水胶比和砂浆裕度，得出该砂率下的配合比；

9）对胶结砂砾石基准配合比进行适当修正；

10）采用基准水胶比和灰浆裕度，进行3个以上不同砂率与胶结砂砾石7天强度关系试验；

11）通过上述10）回归，得出满足设计强度要求的砂率，为修正后的基准砂率，得出修正后基准配合比参数；

12）采用原基准水胶比、灰浆裕度和修正后的基准砂率，计算出修正后的砂浆裕度；

13）实际配合比根据修正后的基准配合比，按照上述7）、8）步骤进行计算调整，从而得出最终配合比，

其中，灰浆裕度：灰浆占砂空隙的体积比；刚好全填即砂浆裕度为1的状态：由灰浆和砂组成的砂浆体积刚好填满石子的所有空隙，石子颗粒之间刚好呈粘接状态，此时胶结砂砾石的砂率为临界砂率；

α=（1-m_砂/γs-m_石/γg）/（m_砂/γg_振-m_砂/γs）；

β=（1-m_石/γg）/（m_石/γg_振-m_石/γg）；

式中：α：灰浆裕度；

β：砂浆裕度；

m_石：每方材料中石的质量，kg/m³；

m_砂：每方材料中砂的质量，kg/m³；

γg:石料的表观密度，kg/m³；

γs：砂料的表观密度，kg/m³；

γg_振:石料的振实密度，kg/m³；

γs_振：砂料的振观密度，kg/m³。

2.根据权利要求1所述基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于：所述方法中，基准配合比参数包括水胶比、灰浆裕度、砂率。

3.根据权利要求1所述基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于：

所述步骤3）将砂浆强度按照经验0.3-0.7的折算系数换算成胶结砂砾石强度。

4.根据权利要求1所述基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于：所述步骤1）中水胶比和灰浆裕度选择的范围需能保证砂浆满足胶结成型要求。

5.根据权利要求1所述基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于：所述步骤10） 3个以上不同砂率选择基准砂率上下浮动20%范围内数值。

6.根据权利要求1所述基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于：所述步骤10）中，试验过程中，室内拌合时，砂砾石采用混合法将级配缩尺到40 mm以下，成型采用振动压实法。

7.根据权利要求6所述基于临界砂率的胶结砂砾石配合比设计方法，其特征在于：

混合法先用适当的比例缩尺，尽可能保证缩尺前后砂率变化在5%左右，且保证大于40mm以上颗粒含量小于40%，然后将超径颗粒按照原级配40mm以下颗粒比例等质量替换；

振动压实法采用试件尺寸φ150mm×150mm，根据全级配胶凝砂砾石的理论容重，计算湿筛后小于40mm以下胶凝砂砾石材料的密度，按照体积标准，计算出胶凝砂砾石材料成型质量；试验选用面压力约为0.1MPa,激振力约6800N，振动频率为28Hz～30Hz对试件进行振实成型。

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