2.2　配合比设计

“超贫胶结材料坝研究”中指出，超贫胶结材料是一种复杂的新型筑坝材料，其影响因素主要有水泥用量、粉煤灰掺量、水灰比、砂率、骨料级配、龄期等。且得出结论：①水灰比是影响超贫胶结材料配合比设计和技术性能的关键参数之一，超贫胶结材料水灰比最佳取值范围为0.8～1.2。二级配超贫胶结材料水灰比取1.0，三级配超贫胶结材料水灰比取0.9。②砂率是影响超贫胶结材料配合比设计的另一个关键参数，超贫胶结材料的最优砂率为0.2。③超贫胶结材料使用425号水泥为好，水泥用量不宜大于80kg/m3，否则就失去其造价低的优势。④超贫胶结材料应掺用粉煤灰，使用“超量取代法”进行配合比设计，粉煤灰取代水泥10%、超代系数20%，粉煤灰取代砂30%～50%时，超贫胶结材料强度最大、力学性能较好。

《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）对胶凝砂砾石材料配合比设计也提出了要求：①胶凝材料用量不宜低于80kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32kg/m3。当低于以上值时应进行专门论证。②掺合料应根据水泥品种、水泥强度等级、掺合料品质、胶凝砂砾石设计强度等具体情况通过试验确定。当采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热或低热硅酸盐水泥时，粉煤灰和其他掺合料的总掺合量宜小于40%～60%。当采用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥时，粉煤灰和其他掺合料的总掺量宜小于30%。③水胶比应根据设计提出的胶凝砂砾石强度要求和砂砾石的特性确定，水胶比宜控制在0.7～1.3。④胶凝砂砾石中砂率宜为0.18%～0.35%。不满足要求时，可通过增加胶凝材料用量或通过掺配砂料或石料调整级配。

为了达到试验目的，试验配合比的设计结合了“超贫胶结材料坝研究”成果，同时参照《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）的相关结论和要求进行。

（1）水泥用量。水泥是影响胶凝砂砾石材料力学性能的主要因素，因此研究不同水泥用量对材料特性的影响是胶凝砂砾石材料研究的焦点之一。根据“超贫胶结材料坝研究”水泥用量大于80kg/m3时，超贫胶结材料就失去了超贫的特点的结论，此次试验制定水泥用量分别为70kg/m3、60kg/m3、50kg/m3和40kg/m3。

（2）粉煤灰掺量。粉煤灰是活性混合材料，在胶凝砂砾石材料中掺入一定量的粉煤灰，可以增大胶凝材料总量，改善胶凝砂砾石材料的施工性，提高胶凝砂砾石材料的强度，此次试验结合“超贫胶结材料坝研究”的相关结论，并根据工程常见配比，让胶凝材料总量（水泥和粉煤灰总量）控制在80kg/m3、90kg/m3和100kg/m3，变化粉煤灰掺量，研究粉煤灰掺量变化对强度的影响。此次试验所用粉煤灰掺量分别为50kg/m3、40kg/m3、30kg/m3和20kg/m3。

（3）水胶比。水胶比是影响胶凝砂砾石材料配合比设计和技术性能的关键参数之一，参照“超贫胶结材料坝研究”的相关结论，水灰比是影响胶凝砂砾石材料抗压强度和抗压弹性模量的主要因素，当水灰比增大时，胶凝砂砾石材料的抗压强度和抗压弹性模量也随之增大并出现峰值，随后水灰比再增大时，胶凝砂砾石材料的抗压强度和抗压弹性模量反而减小，即存在“最优水灰比”。

根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）和原有试验结果，胶凝砂砾石材料的最优水灰比取值范围在0.7～1.3之间。在实际工程中，以国内目前正在建设的守口堡工程为例，使用的水胶比为1.58，大水胶比对于胶凝砂砾石材料力学性能的影响也应列入研究范围。因此，此次试验设定水胶比的取值主要为0.8、1.0、1.2、1.4以及少量的1.58配合比。

（4）砂率。砂率是影响胶凝砂砾石材料性能的另一个主要影响因素，砂率的大小会影响试件的密实性和材料的胶结性，进而影响材料强度；在同等强度情况下，影响着胶结材料的用量，从而影响材料的成本。

胶凝砂砾石材料是一种将胶凝材料和水添加到河床砂砾石材料或开挖废弃料等在坝址附近易获取的岩石基材中，然后利用简易设备和工艺进行拌和后得到的新型筑坝材料。其最大的特点和优势就是“根据当地材料特性，尽量不筛分，不改变级配，不配料”，砂率宜为当地料场原砂率。本书研究砂率的变化对强度的影响，为更多的实际工程提供指导意义，故根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）和原有试验结果，此次在配合比设计时，砂率分别取0.1、0.2、0.3和0.4。

（5）粗骨料级配。在此次试验中，定义粒径介于5～20mm之间的石子为小石子，定义粒径介于20～40mm之间的石子为中石子，定义粒径介于40～80mm之间的石子为大石子，定义粒径介于80～150mm之间石子的特大石子。石子级配比初选参照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006），见表2.2-1。

表2.2-1　石子级配比初选表

注 表中比例为质量比。

（6）表观密度。根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）和原有试验结果，初选取值为2350kg/m3（此表观密度，在试验成型后复核，样本最大波动不超过2%）。