胶凝砂砾石材料力学特性、耐久性及坝型研究
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2.3 试验标准及试件制备

2.3.1 试验标准

国内学者对胶凝砂砾石材料力学特性试验的研究相对较少,尚未形成一套完整的统一规范。但鉴于胶凝砂砾石材料特性介于碾压混凝土与土石料之间,故此次试验参照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)和《土工试验规程》(SL 237—1999)进行。

胶凝砂砾石材料三轴试验因研究较少,尚未形成统一成熟的规范理论,试验方法仍需探讨研究,试验也参照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)和《土工试验规程》(SL 237—1999)进行。试验过程中对比进行《土工试验规程》(SL 237—1999)中的不固结不排水试验(不饱和)和饱和状态下的固结排水试验,其中主要以不固结不排水试验为主,试样尺寸为150mm×H300mm,施加围压为200kPa、400kPa、600kPa、800kPa、1000kPa,此外,试验过程中采用应变控制,以0.2%/min的剪切速率进行试验。

2.3.2 试样制备

2.3.2.1 骨料筛分

(1)为实现全级配骨料筛分,著者自制了一套骨料筛分系统。试验过程中粒径大于20mm的粗骨料筛分采用斜筛、平筛和人工振动筛分3种筛分方案。

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图2.3-1 斜筛法

1)斜筛法。借鉴普通混凝土施工中粗砂筛分原理进行筛分,如图2.3-1所示,砂砾料会在自重的作用下迅速地沿着筛网滚落下来,骨料与筛网发生碰撞、摩擦,部分粒径小于相应的筛网孔径的砂砾石透过筛网,相应粒径骨料一次通过率不足40%,大部分砂砾石料未经筛分直接沿着筛网滚落到筛网底端。骨料筛分不能满足级配要求,且循环筛分的任务量大,耗费人力和时间。

2)平筛法。将筛网平放置于支架中间,在支架的横梁两端各焊接两根铁链,便于悬挂筛网。筛网下面的空间可以储存粒径小于筛网孔径的砂砾石,粒径大于筛网孔径的砾石滞留在筛网上,在筛网的一端有出料口,方便卸料。筛分过程中握住筛网一端的把手,平行晃动,相应粒径骨料一次通过率大于90%。但粒径大于筛网孔径的砾石很容易镶嵌在筛网里,这样就阻挡了上层砂砾石中粒径小于筛网孔径的砾石的筛分。需要不停地人工将镶嵌在筛网里的大石子剔除,因此采用此种筛分方案,每次的筛分量很少,耗费时间,如图2.3-2所示。

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图2.3-2 平筛法

3)人工振动筛分法。筛网摆放方式依然采用平筛法的方式,这种筛分方案的工作原理与大型振筛机的工作原理相同,如图2.3-3所示,为了提高筛分的质量和效率,在筛分过程中辅助人工的上下振动,抬起筛网的一端(设为A),依靠筛网另一端(设为B端)和支架的支撑,迅速撤销对A端施加的力,筛网上的骨料因为惯性作用与筛网脱离并在自重作用下迅速落到筛网上,骨料粒径小于筛网孔径的被很好地筛分出去,落于筛网下面,这样来回数次直至充分筛分,试验人员再经手动划拨至没有骨料漏下筛网为止,这种筛分方式可以达到质好量大的目的,且筛分效率高。

试验过程中对于粒径大于20mm的粗骨料筛分,推荐采用人工振动筛分方案。

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图2.3-3 人工振动筛分法

(2)对于粒径小于20mm的粗骨料的筛分分别采用人工筛分、振筛机筛分和振动台筛分3种方案。

1)人工筛分法。人工手持筛网进行筛分,这种筛分方式可行,但其缺点也尤为突出:由于试验用量大且砂砾石料中含有泥,在筛分的过程中尘土飞扬;另外,每次的筛分量小,且严重耗费体力。

2)振筛机筛分法。这种筛分方法的缺点是:每次的筛分量小且速度慢;3个不同粒径出料口相距太近,出料易混;粒径小于5mm的骨料易受振筛机的振动和坡度的影响在最大粒径出料口排出,如图2.3-4所示。

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图2.3-4 振筛机筛分法

3)振动台筛分法。采用振动台筛分法对粒径小于20mm的砂砾石料进行筛分,选用不同孔径的筛网,上面加盖,下面用底盘,这样有效地避免了粉尘,同时加快了筛分速度,也减轻了体力消耗,如图2.3-5所示。

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图2.3-5 振动台筛分法

试验过程中对于粒径小于20mm的粗骨料筛分,推荐采用振动台筛分方案。各粒径区间的骨料经筛分处理后,储存在相应的料仓,便于试验配合取料,如图2.3-6~图2.3-9所示。

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图2.3-6 5~20mm粒径骨料

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图2.3-7 20~40mm粒径骨料

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图2.3-8 40~80mm粒径骨料

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图2.3-9 80~150mm粒径骨料

2.3.2.2 拌和

目前胶凝砂砾石材料多用于临时工程,其施工拌和大多是经过简易拌和,然后直接进行浇筑,再采用土石坝施工机械,进行碾压施工。大体积施工时很难保证拌和料的均匀性,此次研究为了提高拌和的均匀性,使胶凝砂砾石材料的试验方法更加规范化,更好地指导于实践,借鉴碾压混凝土的拌和方式,分别采用3种拌和方案:人工拌和、强制式搅拌机拌和和单卧轴混凝土搅拌机拌和。

(1)人工拌和。按选定的配合比备料,石子及砂均以全干状态为准,将钢板和铁铲清洗干净,保持湿润状态;将水泥和粉煤灰预先拌至颜色均匀;将称好的砂子、大石和小石依次倒在钢板上,将其拌至均匀,再将拌和好的胶凝材料加入,继续拌和,至少来回翻拌3次,将其堆成锥形;在中间用铁铲扒成凹形,同时用量筒量取适当的水,倒入2/3在凹槽中(勿使水流出,防止把水泥浆带走),然后仔细翻拌,并缓慢加入剩余的水,继续翻拌。整个拌和过程应控制在10min以内,如图2.3-10所示。人工拌和,拌和物的均匀性可控,但拌和效率低,且人力消耗大。

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图2.3-10 人工拌和

(2)强制式搅拌机拌和。试验采用JZW350型强制式搅拌机,搅拌容量为350L。根据《水工碾压混凝土试验规程》(SL 48—94)规定拌和温度控制在20℃±5℃。搅拌前搅拌机、搅拌棒、钢板和铁锹都预先用水润湿。

按照配合比设计进行称量,称料前保证骨料为饱和面干状态,材料用量均以质量计。按顺序将已称好的砂子、水泥、粉煤灰(水泥和粉煤灰预先拌至均匀)、骨料依次加入到搅拌仓内,搅拌1min。再将称量好的水倒入搅拌仓内,搅拌2min。该搅拌机拌和时,工作面为水平面,拌和料在平面上被搅动。打开出仓口,将拌和好的胶凝砂砾石材料卸在钢板上,发现在搅拌机的周边角落总会留下一些没有搅拌到的干砂,因为胶凝砂砾石材料中骨料粒径大,在拌和的过程中一部分胶凝材料及砂子包裹住砾石,另一部分细骨料会沉积在搅拌铲刮不到的角落里。拌和料颜色很不均匀,将黏结在搅拌机仓内的拌和料刮出堆成堆,还需人工拌和。把拌和料从一边用铲翻拌到另一边,再用铲在混合料上铲切一遍,至少来回翻搅3次,直至拌和料颜色均匀为止。拌和后总会出现包裹了少量砂浆的砾石集中现象,在试件成型时,易导致装料不均匀,这种拌和方案没有达到预期的效果,增加了胶凝砂砾石材料的离散型,影响胶凝砂砾石材料的试验结果,如图2.3-11所示。

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图2.3-11 强制式搅拌机拌和

(3)单卧轴混凝土搅拌机拌和。试验采用SJD-60型单卧轴混凝土搅拌机,额定搅拌容量为60L,出仓量为35L,主轴转数为42转/min。根据《水工碾压混凝土试验规程》(SL 48—94)规定拌和温度控制在20℃±5℃。搅拌前搅拌机、搅拌棒、钢板和铁锹都预先用水清洗干净,并保持湿润状态。为提高搅拌的均匀度,此次试验中每次装料量为该搅拌机额定搅拌容量的60%左右,按照配合比设计进行称量,称料前保证骨料为饱和面干状态,材料用量均以质量计。按顺序将已称好的砂子、水泥、粉煤灰(水泥和粉煤灰预先拌至均匀)、骨料依次加入到搅拌仓内,搅拌1min。再将称量好的水倒入搅拌仓内,搅拌2min。该搅拌机拌和时,工作面为立面,拌和料在空间立面上被搅动,拌和物被搅起,然后再跌落。将拌和料卸在钢板上,可以看到胶凝砂砾石材料更为均匀,搅拌仓中不会残留未搅拌的配料,出仓后的拌和料在颜色上就很均匀,不需人工拌和,减轻了工作量,且提高了工作效率,如图2.3-12所示。

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图2.3-12 单卧轴混凝土搅拌机拌和

试验过程中对于胶凝砂砾石材料的拌和方式,推荐采用单卧轴混凝土搅拌机拌和方案。

2.3.2.3 装料、振捣、成型

考虑到胶凝砂砾石坝的施工工艺多采用碾压方式,故此次试验采用碾压混凝土成型方法,即振动台(带磁振动台,能吸附铁试模将其固定,使试模在振动台上不会因来回晃动而引起振幅不均)上压下振成型,其中压重块质量按照混凝土表面压强为4.9kPa和试模尺寸计算得出,如图2.3-13所示。

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图2.3-13 压重块

试验初期在装料时使用了铸铁试模和塑料试模。试验发现:一方面,因为胶凝砂砾石材料中的胶凝材料(水泥、粉煤灰)掺量低,塑料试模在拆模时容易出现脱模困难,试件脱模时破损率高,尤其是在低砂率时,该现象更加显著;另一方面,塑料试模比铸铁试模轻,在同种振动、成型、养护条件下,测得塑料试模的试件比铸铁试模的试件的表观密实度低,测得塑料试模的试件比铸铁试模的试件的抗压强度低10%左右。考虑到塑料试模的这些影响因素,后期试验中均选用铸铁试模。

铸铁试模在装料时从拌和板外缘处的拌和物开始装料,逐步从边缘往中间靠拢,保证装料的均匀性。将搅拌好的胶凝砂砾石料分两层装入已经涂抹过油的试模中,每层料厚度大致相等。在装料时先采用人工振捣的方法,对边长为150mm的立方体试模进行插捣,插捣次数不少于25次。插捣时从试模四周开始,逐渐往试模中心插捣。在插捣上层拌和物时捣棒应插入下层拌和物1~2cm,插捣底层拌和物时应插捣到试模底部,插捣时捣棒应保持垂直,每层插捣完后用平刀沿着模边刮一遍,将模内拌和物表面整平,并用捣棒轻敲试模,减小拌和物与试模之间的气泡和水泡。当试件高度为150mm时,一次装料加压振动成型即可,振动时间取2倍VC值,即振动时间为20s,以试件表面泛浆为准;将装填好的试模抬到振动台上,放上压重块,人为进行扶正,不要人为进行加压或提起,开启振动台,严格控制振动时间,到达振动时间后搬下试件。因胶凝砂砾石材料胶凝材料用量少,试件表面难以抹平,此次试验制备相同配合比的水泥砂浆进行填补,然后用抹刀将试件表面抹平。当试件高度为300mm时,分两次将拌和料装入模具内,第一次装入量稍微高于模具的一半,用插捣棒沿着模具内侧最边缘成螺旋形插捣,插捣次数为25~30次,搬至振动台上,将压重块放置在试件上振捣密实,第二次装入量要稍微高出模具,用相同的方式再次插捣密实后,且插捣棒要插入下层1~2cm,保持拌和料高出试模1~2cm,再搬至振动台放上压重块振捣密实;需要对试件进行两次装料加压振动成型,以试件表面泛浆为准,如图2.3-14和图2.3-15所示。

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图2.3-14 人工振捣

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图2.3-15 机械振动

对于三级配和全级配的大试件,试验采用拆入式振动棒振捣成型的方法。首先拼装好试模并在模内均匀地涂刷一薄层脱模剂或矿物油,其次将全级配胶凝砂砾石拌和物浇筑在试模内,浇筑层厚度以不超过30cm为宜。用插入式振捣器振捣,振捣时间以振捣浇筑层表面均匀泛浆为止。当下层振捣完毕后即可装入新的一层全级配胶凝砂砾石拌和物,再用振捣器振捣;振捣时振捣棒要插入下层混凝土5~10cm以保证层间的良好结合。当全级配胶凝砂砾石拌和物浇筑至试件顶面时,可采用平板振捣器振平。试件成型后在胶凝砂砾石材料初凝前1~2h需进行抹面,要求与模口齐平,如图2.3-16所示。

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图2.3-16 表面抹平

胶凝砂砾石材料试件成型(图2.3-17)后,初步观察可得:试件经人工捣实和机械振动后,试件整体密实,立方体个别试件在边角处或四周面出现孔洞,圆柱体个别试件圆周上有一些孔洞,有时均匀分布,有时分散分布,顶部略有一些骨料分离现象。因圆柱体试件测静力抗压弹性模量时需要粘贴应变片,而试件上的孔洞会影响应变片的粘贴,故会影响试验数据。此次试验采取了一种修补方法:在需要粘贴应变片的地方用同水胶比的水泥砂浆进行修补,修补后用平刀抹平,保证试件表面平整。

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图2.3-17 大试件成型

2.3.2.4 养护

对于二级配、三级配采用标准养护的试件,成型后的带模试件用湿布或塑料薄膜覆盖以防止水分蒸发,并在20℃±5℃的室内静置48h[《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)规定时间为24~48h],然后拆模并编号。对于全级配采用标准养护的试件,成型后的带模试件用湿布或塑料薄膜覆盖以防止水分蒸发,并在20℃±5℃的室内静置7d[《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)规定时间为2~7d],然后拆模并编号。拆模后的试件应立即放入标准养护室(温度控制在20℃±5℃,相对湿度在95%以上)中养护,直至规定的试验龄期。在标准养护室内,试件应放在架上且彼此间隔1~2cm,并应避免用水直接冲淋试件,如图2.3-18所示。

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图2.3-18 试件养护

试件制备流程如图2.3-19所示。

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图2.3-19 试件制备流程