2.1　试验材料选取及性能

混凝土由水泥、水、砂（细骨料）和石子（粗骨料）4种基本材料组成。为节约水泥或改善混凝土的某些性能，常掺入一些外加剂和掺合料。水泥和水构成水泥浆；水泥浆包裹在砂颗粒的周围并填充砂子颗粒间的空隙形成砂浆；砂浆包裹石子颗粒并填充石子间的空隙，组成混凝土。在混凝土拌和物中，水泥浆在砂、石颗粒之间起润滑作用，使拌和物具有和易性，易于施工。水泥浆硬化后形成水泥石，将砂、石胶结成整体。砂、石子一般不与水泥起化学反应，其作用是构成混凝土骨架。

胶凝砂砾石材料和混凝土性质相似，也由胶凝材料（主要指水泥和粉煤灰）、水、砂（细骨料）和石子（粗骨料）4种基本材料组成。

2.1.1　水泥

水泥呈粉末状，与水混合后，经过物理化学过程能由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒材料胶结成为整体，是一种良好的矿物胶凝材料。水泥不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并发展强度，属于水硬性胶凝材料。

在胶凝砂砾石材料中，水泥作为主要的胶凝材料，对胶凝砂砾石材料的力学特性有显著的影响，水泥等级越高，水泥石的强度会越高，与材料胶结强度也会越高，进而体现为胶凝砂砾石材料强度的提高，因此，水泥品种和标号的选取变得极为重要。《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）对胶凝砂砾石材料中水泥的要求为：凡符合GB 175、GB 200的硅酸盐系列水泥均可用于胶结颗粒料筑坝；当胶结材料中掺入粉煤灰等矿物掺合料时，水泥宜优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热或低热硅酸盐水泥。

参考国内多数混凝土工程多采用32.5MPa、42.5MPa或52.5MPa等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水利工程属大体积结构，有低水化热的要求，而且多利用后期强度，根据“超贫胶结材料坝研究”，推荐胶凝砂砾石材料使用425号水泥为好。因此，此次试验中的水泥，选用河南多样达水泥有限公司生产的425号普通硅酸盐水泥，其物理力学指标见表2.1-1。

2.1.2　粉煤灰

粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料。它是燃烧煤的发电厂将煤磨成100μm以下的煤粉，用预热空气喷入炉膛成悬浮状态燃烧，产生混杂有大量不燃物的高温烟气，经集尘装置捕集就得到了粉煤灰。粉煤灰的化学组成与黏土相似，主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃尽碳。大量研究表明，粉煤灰属于活性材料，具有一定的胶凝性能。

通过以往的研究和工程经验得知，在混凝土中加入一定量的粉煤灰可以提高混凝土的强度，同时可以有效地改善混凝土的耐久性能。将粉煤灰作为胶凝材料加入胶凝砂砾石材料当中，粉煤灰不仅起到了胶结骨料、增加材料强度的作用，在一定条件下，粉煤灰自身也可以参与化学反应，与水泥水化后的产物Ca（OH）2产生二次反应后会生成C-S-H及C-A-H凝胶物质，产生一定强度，对硬化浆体起增强作用，从而增强材料的强度，但是反应速度较慢，前期对材料强度提高程度不明显，但对材料后期强度提高效果显著。大量实践证明，在混凝土中掺入粉煤灰，可以有效地改进混凝土的性能，提高材料的施工性，在提高强度的同时还可以减少粉煤灰对社会环境的污染。

《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）对胶凝砂砾石材料中水泥的要求为：胶结颗粒料中可掺入粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉、磷渣粉、火山灰、复合矿物掺合料等。掺用的品种应通过试验确定。导则中对自密实混凝土规定宜使用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，对胶凝砂砾石材料未做要求。

此次试验粉煤灰采用郑州热电厂干排F类Ⅱ级粉煤灰，其技术性能见表2.1-2。

2.1.3　砂石料

胶凝砂砾石材料最主要的特点就是直接利用天然河道的原状砂砾石，不筛分直接拌和，以降低材料造价。但是经过前期的研究，砂石料的级配对胶凝砂砾石材料的力学特性产生重要影响。而实际工程中，各地天然河道原状砂砾石级配又各不相同，为研究不同级配对材料性能的影响，必须选择合适的砂砾料场，经过筛分、配比，以研究其影响规律。著者在前期试验准备阶段，先后考察了禹州市颍河段某料场（图2.1-1）、三门峡市洛河段某料场（图2.1-2）和汝州市汝河段河道砂石料场（图2.1-3和图2.1-4）。对不同河流的不同料场进行比选。禹州市颍河段某料场，骨料粒径偏大，多为漂石，且含砂率低，泥土含量高；三门峡市洛河段某料场，储备偏低，且骨料为人工碎石，得不到原级配曲线；汝州市汝河段河道砂石料场，骨料主要是原状砂砾料，料源充足，级配完整。经比选，最终选择汝州市汝河段河道砂砾料为试验用料。

2.1.3.1　砂

为研究不同砂率对材料性能的影响，试验细骨料采用汝州市北汝河料场河砂，主要由两部分组成：一部分是从原状砂砾料中筛分得到的砂料（原状砂砾料砂率在0.22左右）；另一部分是从料场直接购买的水洗后的河砂。试验前参照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）中2.1节“砂料颗粒级配试验”相关规程，对其细度模数进行了测定。砂料细度模数按式（2.1-1）计算：

式中：FM为砂料细度模数；A1、A2、A3为5.0mm、2.5mm、1.25mm各筛上的累计筛余百分率；A4、A5、A6为0.63mm、0.315mm、0.16mm各筛上的累计筛余百分率。

细度模数以两次试样测量的平均值作为最终取值。若各筛筛余量和底盘中粉砂质量的总和与原试样质量相差超过试样量的1%，或两次测试后计算得到的细度模数相差超过0.2，则应重做试验。此次试验取两个样本进行，测得的细度模数见表2.1-3。

从表2.1-3中可以得出，购买的河砂的细度模数为2.58，属于中砂。《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）中指出，天然料中砂子的细度模数宜在2.0～3.3之间，此次试验采购的河砂满足导则要求。

2.1.3.2　石子

此次试验要探究不同骨料级配、不同砂率对材料的性能影响。为了便于试验，调整不同配比，试验石子（粗骨料）采用汝州市北汝河料场砂砾石，骨料包括两种：一种是经水洗处理后的砂石骨料（简称配料），其含砂率经筛分试验计算为2.81%，含砂率相对较低，20mm以上80mm以下粒径的骨料偏多；另一种是未经任何处理的原状砂砾料（简称毛料），其含砂率经筛分试验计算为22.11%，含砂率较高。砂砾料本身质地坚硬，强度指标高。骨料的颗粒级配曲线如图2.1-5所示。

为了测定石料的颗粒级配，供胶凝砂砾石配合比设计时选择骨料级配，对石子分别用孔径为150mm、80mm、40mm、20mm的方孔筛网进行筛分，经人工分级筛分后，放置料仓，两种骨料的级配见表2.1-4和表2.1-5。

从表2.1-4和表2.1-5中可以看出，试验用砂砾料级配连续。试验过程中对5～20mm、20～40mm粒径的骨料使用量大，该料场的骨料能最大限度地满足试验要求，对骨料的利用率高。